机械制造技术基础第讲2

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第三章 机械制造中的加工方法及装备,第一页，编辑于星期五：十点 五十六分。,三、镗孔,镗孔是在预制孔上用切削刀具使之扩大的一种加工方法，其加工范围很广，可以对不同直径的孔进行粗加工、半精加工和精加工。,镗孔工作既可以在镗床上进行，也可以在车床、铣床、数控加工中心及自动机床上进行。,第三节 孔 加 工,第二页，编辑于星期五：十点 五十六分。,1镗孔方式,（1）工件旋转，刀具作进给运动 这种镗孔方式适于加工与外圆表面有同轴度要求的孔。,图3-37 工件旋转、刀具进给的镗孔方式,刀具进给方向与,工件回转轴线平行,刀具进给方向与工件回转轴线不平行,第三页，编辑于星期五：十点 五十六分。,（2）刀具旋转，工件作进给运动 这种镗孔方式镗杆的悬伸长度一定，镗杆变形对孔的轴向形状精度无影响。,但工作台进给方向的偏斜会使工件孔中心线产生位置误差。,图3-38a） 刀具旋转、工件进给的镗孔方式,1-镗杆 2-镗刀 3-工件 4-工作台 5-主轴 6-拖板 7-镗模,第四页，编辑于星期五：十点 五十六分。,图3-38b为专用镗模镗孔，镗杆与机床主轴浮动联接，镗杆支承在镗模的两个导套中，刚性较,图3-38b） 刀具旋转、工件进给的镗孔方式,1-镗杆 2-镗刀 3-工件 4-工作台 5-主轴 6-拖板 7-镗模,好。此时对所加工孔的位置精度由镗模精度直接保证。,第五页，编辑于星期五：十点 五十六分。,在专用镗模上用普通镗刀镗孔时，镗杆变形量的大小将随着镗模的移动而发生变化，致使工件孔,产生纵向形状误差。可改用双刃浮动镗刀解决此类问题。,图3-38b） 刀具旋转、工件进给的镗孔方式,1-镗杆 2-镗刀 3-工件 4-工作台 5-主轴 6-拖板 7-镗模,普通镗刀,浮动镗刀,第六页，编辑于星期五：十点 五十六分。,（3）刀具即旋转又进给 这种镗孔方式因镗杆,图3-38 刀具既旋转又进给的镗孔方式,1-镗杆 2-镗刀 3-工件 4-工作台 5-主轴,的悬伸长度是变化的，所以镗杆的受力变形也是变化的，镗出来的孔必然会产生形状误差。,第七页，编辑于星期五：十点 五十六分。,此外，镗杆的悬伸长度增大，主轴因自重引起的,弯曲变形也增大，孔轴线将产生相应的弯曲。这种镗孔方式只适于加工较短的孔。,图3-38 刀具既旋转又进给的镗孔方式,1-镗杆 2-镗刀 3-工件 4-工作台 5-主轴,第八页，编辑于星期五：十点 五十六分。,2金刚镗,由于金刚镗最初是用金刚石镗刀加工，故称金刚镗。现在普遍采用硬质合金、CBN和人造金刚石刀具材料。,金刚镗的特点是背吃刀量和进给量小，切削速度高，它可以获得很高的加工精度（IT7 IT6级）和很光洁的表面（,R,a为0.4 0.05m）。,第九页，编辑于星期五：十点 五十六分。,金刚镗最初用于加工有色金属工件，现在也广泛用于加工铸铁件和钢件。但需注意的是，在加工铸铁件和钢件时，只能使用硬质合金或CBN制作的镗刀。,金刚镗的加工质量好，生产效率高，在大批大量生产中它被广泛用于精密孔的最终加工。,第十页，编辑于星期五：十点 五十六分。,3镗刀,镗刀可分为单刃镗刀和双刃镗刀。,图3-40 单刃镗刀,通孔单刃镗刀,盲孔单刃镗刀,第十一页，编辑于星期五：十点 五十六分。,图3-41所示的浮动的双刃镗刀，可消除因镗刀安,图3-41 浮动镗刀,装误差或镗杆偏摆引起的误差；但它与铰孔相似，只能保证尺寸精度，不能校正铰孔前孔轴线的位置误差。,第十二页，编辑于星期五：十点 五十六分。,4镗孔的工艺特点及应用范围,镗孔和钻扩铰工艺相比，孔径尺寸不受刀具尺寸的限制，且镗孔具有较强的误差修正能力，可通过多次走刀来修正原孔轴线偏斜误差，而且能使所镗孔与定位表面保持较高的位置精度。,镗孔时，由于刀杆系统的刚性差、变形大，散热排屑条件不好，工件和刀具的热变形较大,。,第十三页，编辑于星期五：十点 五十六分。,综上分析可知， 镗孔工艺范围广，可加工各种不同尺寸和不同精度等级的孔，对于孔径较大、尺寸和位置精度要求较高的孔和孔系，镗孔几乎是唯一的加工方法。,镗孔的加工精度为IT9IT7级，表面粗糙度,Ra,为3.2 0.8m。,第十四页，编辑于星期五：十点 五十六分。,第十五页，编辑于星期五：十点 五十六分。,第四节 平面及复杂曲面加工,一、概述,二、铣平面,1. 铣削方式,铣平面有端铣和周铣两种方式。,按照铣平面时主运动方向与进给运动方向的相对关系，周铣有顺铣和逆铣之分。,第十六页，编辑于星期五：十点 五十六分。,工件进给方向与铣刀的旋转方向相反称为逆铣；,工件进给方向与铣刀的旋转方向相同称为顺铣。,顺铣和逆铣各有特点，应根据加工的具体条件合理选择。,图3-50 顺铣与逆铣,a,）,b,）,逆铣,顺铣,第十七页，编辑于星期五：十点 五十六分。,（1）从切屑截面形状分析,逆铣时，刀齿的切削厚度由零逐渐增加，由于切削刃钝圆半径的影响，刀齿在已加工表面上滑擦一段距离后才能真正切入工件，因而刀齿磨损快，加工表面质量较差。顺铣时则无此现象。,顺铣时铣刀寿命比逆铣高23倍，加工表面质量也比较好，但顺铣不宜铣带硬皮的工件。,图3-50 顺铣与逆铣,逆铣,顺铣,第十八页，编辑于星期五：十点 五十六分。,（2）从工件装夹可靠性分析,逆铣时，刀齿对工件的垂直作用力,F,v,向上，容易使工件的装夹松动；,顺铣时，刀齿对工件的垂直作用力,F,v,向下，使工件压紧在工作台上，加工比较平稳。,图3-50 顺铣与逆铣,逆铣,顺铣,第十九页，编辑于星期五：十点 五十六分。,（3）从工作台丝杠、螺母间隙分析,逆铣时，工件承受的水平铣削力,F,H,与进给速度,v,f,的方向相反，铣床工作台丝杠始终与螺母接触。,v,f,v,F,H,F,v,图3-51 铣削时丝杠和螺母的间隙,a）逆铣,螺母固定,丝杠移动,第二十页，编辑于星期五：十点 五十六分。,顺铣时，工件承受的水平铣削力,F,H,与进给速度,v,f,相同，由于丝杠螺母间有间隙，铣刀会带动工件和工作台窜动，使铣削进给量不均匀，容易打刀。,采用顺铣法加工时必须采取措施消除丝杠与螺母之间的间隙。,v,f,F,H,F,V,v,图3-51 铣削时丝杠和螺母的间隙,b）顺铣,螺母固定,丝杠移动,第二十一页，编辑于星期五：十点 五十六分。,端铣时，铣刀刀齿切入切出工件阶段会受到很大的冲击。由图3-52可知，从减小刀齿切入工件时,图3-52 对称铣和不对称铣,a）对称铣 b）不对称铣,受到的冲击考虑，图3-52b所示的不对称铣比图3-52a所示的对称铣较为有利。,第二十二页，编辑于星期五：十点 五十六分。,2. 铣刀及其几何角度,铣刀的种类很多，如图3-53所示。,图3-53 铣刀的类型,圆柱铣刀,面铣刀,三面刃铣刀,第二十三页，编辑于星期五：十点 五十六分。,图3-53 铣刀的类型,锯片铣刀,立铣刀,键槽铣刀,第二十四页，编辑于星期五：十点 五十六分。,图3-53 铣刀的类型,模具铣刀,角度铣刀,成形铣刀,第二十五页，编辑于星期五：十点 五十六分。,下面主要介绍圆柱铣刀和面铣刀。,（1） 圆柱形铣刀的结构 刀齿排列在刀体圆周上的铣刀称为圆柱形铣刀。,整体圆柱铣刀,它的结构形式分为由高速钢制造的整体圆柱形铣刀（图3-53a）和镶焊硬质合金刀片的镶齿圆柱形铣刀（图3-54）。,图3-54 镶齿圆柱形铣刀,圆柱形铣刀一般采用螺旋刀齿，以提高切削工作的平稳性。,第二十六页，编辑于星期五：十点 五十六分。,（2） 面铣刀的结构 面铣刀的刀齿排列在刀体端面上，硬质合金面铣刀是加工平面的最主要刀具。,焊接夹固式面铣刀的结构如图3-55所示。这种铣刀有两种重磨方式：一种是体内刃磨；另一种是体外刃磨。,图3-55 焊接夹固式面铣刀,第二十七页，编辑于星期五：十点 五十六分。,将刀片用机械夹固方式固定在刀体上的面铣刀叫做机夹可转位面铣刀。,图3-56 锥柄机夹可转位面铣刀,第二十八页，编辑于星期五：十点 五十六分。,（3） 铣刀的几何角度,图3-57 铣刀的几何角度,a）圆柱形铣刀,圆柱铣刀和面铣刀是铣刀的基本形式，图3 -57给出了这两种刀具的几何角度。,第二十九页，编辑于星期五：十点 五十六分。,图3-57 铣刀的几何角度,b）面铣刀,第三十页，编辑于星期五：十点 五十六分。,3. 铣削的工艺特点及应用范围,由于铣刀是多刃刀具，刀齿能连续地依次进行切削，且主运动为回转运动，可实现高速切削，故铣平面的生产效率一般都比刨平面高。,其加工质量与刨平面相当，经粗铣 精铣后，尺寸精度可达 IT9 IT7 级，表面粗糙度,R,a可达6.3 1.6m。,第三十一页，编辑于星期五：十点 五十六分。,由于铣平面的生产率高，故在大批大量生产中铣平面已逐渐取代了刨平面。在成批生产中，中小件加工大多采用铣削，大件加工则铣、刨加工兼用，一般都是先粗铣后精刨。而在单件小批生产中，特别是在一些重型机器制造厂中，刨平面仍被广泛采用。,另外，因刨平面不能获得足够的切削速度，故有色金属材料的平面加工几乎全部都用铣削。,第三十二页，编辑于星期五：十点 五十六分。,第三十三页，编辑于星期五：十点 五十六分。,三、复杂曲面加工,曲面加工在机械制造中也占一定比例。从表面成形的观点分析，有些曲面在形成原理上与平面相同。但另外还有一类曲面，如螺旋桨的表面，涡轮叶片表面，复杂模具型腔面等，其表面形状比较复杂，不能用基本立体几何要素（例如棱柱、棱锥、球等）描述，通常称之为复杂曲面。,第三十四页，编辑于星期五：十点 五十六分。,复杂曲面的切削加工方法有仿形铣和数控铣两种，使用的刀具一般为头部为圆形的球头铣刀。,目前数控铣削已成为复杂曲面切削加工最主要的方法。大型的复杂曲面需要在多轴联动加工中心上加工，加工中心上设有刀库，一般都配备十几把、几十把甚至上百把刀具用来完成不同曲率半径曲面的粗、精加工。,第三十五页，编辑于星期五：十点 五十六分。,第五节 数控机床与数控加工,一、数控机床的加工原理,1. 数控机床及其坐标系,用数字化信息进行控制的技术称为数字控制技术；装备了数控系统，能应用数字控制技术进行加工的机床称为数控机床。数控机床按用途分为普通数控机床和加工中心两大类。,第三十六页，编辑于星期五：十点 五十六分。,数控机床的加工原理如3-58图所示。,输入装置,数控装置,伺服系统,机床本体,反馈装置,加工程序,输入装置、数控装置、伺服系统和机床本体是数控机床的四个基本组成部分。,图3-58 数控机床的加工原理框图,第三十七页，编辑于星期五：十点 五十六分。,在数控机床中，机床直线运动的坐标轴按照ISO 841和我国的JB/T3051-1999标准，规定为右手直角笛卡尔坐标系。,图3-59 数控机床的坐标系,第三十八页，编辑于星期五：十点 五十六分。,机床数控系统能够控制的运动数目通常称为坐标（轴）数。,数控机床在加工过程中不同坐标轴之间可以联动，所谓联动是指机床可在各坐标轴方向按一定的速度和轨迹同时独立运动，它们的合成运动速度及轨迹符合预先规定的加工要求。,第三十九页，编辑于星期五：十点 五十六分。,2. 数控机床的数控装置,数控机床早期的数控装置使用专用计算机，称为（普通）数控（NC）。而目前数控装置采用的是通用计算机，称为计算机数控（CNC）。,CNC装置是数控机床的控制中心，由它接收和处理输入信息，并将处理结果通过接口输出，对机床进行控制。,第四十页，编辑于星期五：十点 五十六分。,数控机床数控系统的组成如图3-60所示，图中点划线框内的部分构成CNC装置。,图3-60 数控机床数控系统的组成,第四十一页，编辑于星期五：十点 五十六分。,CNC装置的主要功能为：,（1）功能控制 控制机床冷却液供给、主轴电机开停、调速以及换刀等功能。,（2）位置控制 控制刀具与工件的相对运动位置或轨迹。,（3）信号处理 对系统运行过程中得到的机床状态信号进行分析处理，使系统作出相应的反应。,第四十二页，编辑于星期五：十点 五十六分。,3. 数控机床的进给伺服系统,数控机床的进给伺服系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置，机械传动机构及执行部件组成。,其作用是接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作数模转换和功率放大后，经伺服驱动装置和机械传动机构驱动机床的执行机构，以某一确定的速度、方向和位移量，沿机床坐标轴移动，实现加工过程的自动循环。,第四十三页，编辑于星期五：十点 五十六分。,数控机床的进给伺服系统按位置检测和反馈方式的不同分为以下两类：,（1）开环伺服系统（图3-61）,图3-61 开环伺服系统,第四十四页，编辑于星期五：十点 五十六分。,（2）闭环伺服系统（图3-62）,图3-62 闭环伺服系统,第四十五页，编辑于星期五：十点 五十六分。,数控机床的检测反馈信号不是取自机床终端运动部件的闭环系统称为半闭环系统（图3-62中虚线部分）。,图3-62 闭环伺服系统,第四十六页，编辑于星期五：十点 五十六分。,二、数控铣床及加工中心的主运动及进给运动系统,1. 主运动系统,数控铣床的主运动系统应比普通铣床有更宽的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削速度，充分发挥机床性能。,而加工中心为适应各种不同类型刀具和各种材料的切削要求，对主轴的调速范围要求更高。,第四十七页，编辑于星期五：十点 五十六分。,为保证数控机床总是能在最有利的切削速度下进行加工，数控机床的主轴转速在其调速范围内通常都是无级调速的。,在数控机床中，由于机床主轴的变速功能主要是通过主轴电动机的无级调速来实现的，故其主运动传动系统的结构相对比较简单。,第四十八页，编辑于星期五：十点 五十六分。,数控机床和加工中心的主传动系统有以下三种不同形式：,（1）电动机直接带动主轴旋转,其优点是结构紧凑，缺点是主轴的转速转矩输出特性和电动机输出特性相同，使用上受到一定限制。,图3-63 数控机床主传动系统的三种形式,第四十九页，编辑于星期五：十点 五十六分。,（2）电动机经V带或同步齿形带传动主轴,其优点是结构简单，安装调试方便，机床主轴的,图3-63 数控机床主传动系统的三种形式,转速转矩输出特性可得到改善。这种传动方式主要用于转速较高、变速范围不大、扭矩特性要求低的主轴传动。,第五十页，编辑于星期五：十点 五十六分。,（3）电动机经14对变速齿轮传动主轴,其优点是机床主轴的转速转矩输出特性好，缺,图3-63 数控机床主传动系统的三种形式,点是结构复杂。,图3-63c所示带有变速齿轮的主传动是大中型数控机床经常采用的传动形式。,第五十一页，编辑于星期五：十点 五十六分。,在带有变速齿轮的主轴箱中，齿轮变速大多采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。,图3-64是三位液压拨叉的原理图。,图3-64 三位液压拨叉的工作原理,1、5-液压缸 2-活塞杆 3-拨叉 4-套筒,第五十二页，编辑于星期五：十点 五十六分。,2. 刀具自动夹紧装置和主轴周向定向装置,加工中心为了实现刀具在主轴上的自动装卸，要求配置刀具自动夹紧装置，其作用是自动地将刀具夹紧或松开，以便机械手能在主轴上安放或取走刀具。图3-71为JCS018型立式加工中心的主轴结构图，刀具自动夹紧装置装在主轴内孔中。,图3-71 主轴结构,1-刀柄 2-主轴 3-拉钉 4-钢球 5-蝶形弹簧 6-拉杆 7-螺旋弹簧 8-活塞 9、10-行程开关,第五十三页，编辑于星期五：十点 五十六分。,图3-72是一种使用弹性卡爪的刀具自动夹紧机构,图3-72 使用,弹性卡爪的刀具自动夹紧机构,1-主轴 2-刀柄 3-拉钉 4-弹性卡爪,5-蝶形弹簧 6-拉杆,第五十四页，编辑于星期五：十点 五十六分。,在刀具切削时，通常在主轴前端设置两个端面键来传递切削转矩。换刀时，刀柄上的键槽必须对准端面键。为此，主轴在停止转动时，要求主轴必须准确地停在某一指定的周向位置上，主轴定向装置就是为保证换刀时主轴能准确停止在换刀位置而设置的。,图3-73 主轴周向定向装置示意图,1-塔轮 2-磁感应器 3-发磁体 4-垫片,第五十五页，编辑于星期五：十点 五十六分。,3. 进给运动系统,数控机床进给运动系统与普通机床不同。伺服电动机在接收到控制系统发出的指令信号后产生相应的角位移运动，再通过减速齿轮传动或直接带动丝杠螺母副运动转换成纵向、横向或垂直向的直线运动。因此，数控机床进给系统的机械传动机构变得十分很简单。,第五十六页，编辑于星期五：十点 五十六分。,在数控机床的进给系统中普遍采用滚珠丝杠副。,图3-65为滚珠丝杠的结构示意图。,图3-65 滚珠丝杠的结构示意图,1-丝杠 2-螺母 3-滚珠 4-插管,第五十七页，编辑于星期五：十点 五十六分。,为了提高滚珠丝杠的轴向刚度，滚珠丝杠常用推力轴承来支承。,滚珠丝杠常用的支承方式见图3-66。,图3-66 滚珠丝杠常用的支承方式,第五十八页，编辑于星期五：十点 五十六分。,为了提高传动精度的稳定性及进给系统的刚度，应消除丝杠螺母间隙和对丝杠螺母预加载荷。,图3-67 丝杠螺母的预紧,第五十九页，编辑于星期五：十点 五十六分。,三、JCS-018型立式加工中心,1. 机床布局,JCS-018型立式加工中心是一种具有自动换刀装置的数控立式镗铣床。在工件的一次装夹中，机床可连续自动地对其上平面进行铣削和对垂直孔进行钻、扩、铰、镗、锪、攻丝等多种加工。,JCS-018型立式加工中心,外形及布局见,图3-68。,第六十页，编辑于星期五：十点 五十六分。,图3-68 JCS-018型立式加工中心,1-床身 2-滑座 3-工作台 4-立柱 5-数控柜 6-刀库,7-机械手 8-主轴箱 9-操作面板 10-驱动电柜,第六十一页，编辑于星期五：十点 五十六分。,2. 传动系统,如图3-68所示为 JCS-018型立式加工中心的传动系统简图。,图3-69 JCS-018型立式加工中心传动系统简图,第六十二页，编辑于星期五：十点 五十六分。,3. 伺服进给系统,JCS-018型立式加工中心工作台纵向（X轴）伺服进给装置如图3-70所示。,图3-70 工作台纵向（X轴）伺服进给装置,1-电动机 2-锥环无键联轴器 3-十字滑块联轴器 4-丝杠 5、8-螺母 6-垫圈 7-联接键 9-螺母座,第六十三页，编辑于星期五：十点 五十六分。,4. 主要部件结构,（1）主轴部件,（2）自动换刀装置,JCS-018型立式加工中心设有刀库式自动换刀装置，它安装在立柱左侧上部，由刀库和机械手两部分组成，刀库可容纳16把刀具。,图3-74给出了刀库及刀座的主要结构。,第六十四页，编辑于星期五：十点 五十六分。,图3-74 刀库及刀座,1-拨叉 2-刀座顶部滚子 3-支承板 4-刀座 5-滚子 6-固定导盘,7-刀库圆盘 8-蜗轮 9-蜗杆 10-弹簧球头销 11-弹簧 12-销,第六十五页，编辑于星期五：十点 五十六分。,JCS-018机床上使用的换刀机械手为回转式单臂双手机械手。,在换刀过程中（参见图3-75），机械手要完成抓刀、拔刀、交换主轴上和刀库上的刀具位置、插刀、机械手复位以及刀座复位等动作。,图3-75 换刀过程示意图,第六十六页，编辑于星期五：十点 五十六分。,图3-76为机械手手臂和手爪结构图，手臂两端各有一个手爪。,图3-76 机械手手臂和手爪,1、2-弹簧 3-锁紧销 4-销 5-活动销 6-固定爪 7-锥销,第六十七页，编辑于星期五：十点 五十六分。,第六节 圆柱齿轮齿面加工,一、概述,1. 齿轮的结构与分类,齿轮是机器中传递运动和转矩的重要零件。齿轮传动的特点是传动准确、传递转矩大、效率高、结构紧凑及可靠耐用，故应用非常广泛。,第六十八页，编辑于星期五：十点 五十六分。,齿轮可按其外形分为圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮、齿条、蜗杆蜗轮等。,圆柱齿轮按其齿线形状分为直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮等；按轮齿所在的表面分为外齿轮、内齿轮；按齿形分为渐开线齿轮、摆线齿轮和圆弧齿轮等。,圆柱齿轮按其结构特点可分为五类，见图3-78。,第六十九页，编辑于星期五：十点 五十六分。,图3-78 圆柱齿轮的结构类型,a）单联齿轮 b）多联齿轮 c）盘形齿轮 d）齿圈 e）轴齿轮,第七十页，编辑于星期五：十点 五十六分。,2. 齿轮的主要技术要求,（1）传递运动的准确性,（2）传递运动的平稳性,（3）载荷分布的均匀性,（4）齿侧具有间隙,为了保证齿轮正常工作，齿轮制造应达到一定的精度标准。,第七十一页，编辑于星期五：十点 五十六分。,相关国家标准将圆柱齿轮的精度规定了13个精度等级，用数字012表示其精度高低。,齿轮的制造精度和齿侧间隙主要根据传动用途、使用条件、传动功率、圆周速度等性能指标来确定。,除了上述各项精度外，还应对齿轮装配基准面的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等提出要求。,第七十二页，编辑于星期五：十点 五十六分。,3. 圆柱齿轮齿面的加工方法,圆柱齿轮齿面加工,齿面的切削加工,齿面无屑加工,成形法,展成法,滚齿,插齿,剃齿,珩齿,磨齿,研齿,预加工,热前精加工,热后精加工,轧齿（热轧、冷轧）,冷挤齿（精轧齿）,精密锻造齿轮,铣齿,拉齿,磨齿,第七十三页，编辑于星期五：十点 五十六分。,