第二章机械制造技术基础

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1、第二章 机械制造技术基础 机械产品的制造环境主要靠制造装备构成， 制造装备在产品零件的制造中起着不同的作用，从不同的角度支撑和促进机械制造技术的发展，因此，制造装备对制造过程的作用、特点及其应用也成为机械制造技术的基础组成。 第一节 机床运动与传动 第一节 机床运动与传动 机床为制造过程提供必要的静态环境和动态环境， 动态环境由机床运动提供， 它直接决定了刀具与工件的瞬时位置关系， 从而保证工件表面形状的获得， 因此， 零件表面形状不同，机床所提供的运动应不同。 一、机床运动与切削用量 一、机床运动与切削用量 1、机床运动 为获得所需的工件表面形状， 机床需完成表面成型运动， 为提高加工效率和

2、控制工件尺寸等，机床还需提供相应的辅助运动。 （1）表面成形运动 当加工方法和刀具结构不同时， 形成某种加工表面所需的机床成形运动的形式和数目便不同，运动组合形式及表面成形运动对加工的作用亦不同。 按运动的性质或运动组合形式分，机床运动有简单成形运动（简称简单运动）和复合成形运动（简称复合运动） 。 简单运动 指独立的成形运动 （不可分解的单元运动） ， 如单独的旋转运动或直线运动，车床主轴带动工件的旋转运动，刨床上刀具的直线运动均为简单运动。 复合运动 指由两个或两个以上简单运动按一定的运动关系合成的成形运动，车螺纹时的螺旋运动由旋转、直线运动合成而得，齿轮加工中，工件的旋转由分齿运动（旋转

3、）和展成运动（旋转）合成而得，它们均为复合运动。复合运动中分解的单元运动彼此不可独立并必须保持严格运动关系（定传动比） 。 成形运动根据其在加工中所起的作用的不同，又可分为主运动和进给运动。 主运动 指切除工件上切削层，使之转变为切屑最基本的运动。一般主运动的速度最高，消耗功率最大。各常规加工方法中，机床的主运动只有一个。如铣床主轴带动铣刀的旋转，磨床主轴带动砂轮的旋转等。 进给运动 不断将切削层金属投入切削，形成完整加工表面的运动。不同加工方法中进给运动可以有一个或几个，也可以没有。根据运动方向的不同，进给运动有纵向进给、横向进给、径向进给、切向进给等多种。如车床上刀架的移动，铣床上工作台的

4、移动，均为进给运动。孔的珩磨加工中，没有进给运动。 2、辅助运动 为完成机床工作循环，一般有如下辅助运动。 空行程运动 刀架、工作台的快速接近和退出工件等，可缩短辅助时间。 切入运动 为使加工表面获得所需尺寸，刀具相对于工件表面的切入运动。 分度运动 使刀具或工件回转所需角度（或移动所需距离）的运动。一般在加工若干个完全相同沿圆周分布的表面使用。 操纵与控制运动 包括机床的启动、停止、变速、换向，以及部件与工件的夹紧、松开、转位等。 3.切削用量 （1）切削中工件的表面 加工中，随刀具与工件的相对运动，工件上切削层金属被切下而形成切削，同时原工件上表面不断被形成的新表面所取代， 运动中不断变化

5、着的工件表面形成为已加工表面、 待加工表面、过渡表面，如图 2-1 所示。 图 2-1 加工中的工件表面 已加工表面 切削后形成的新工件表面。 待加工表面 工件上将要被切除的表面。 过渡表面 加工中，刀刃正在切削的工件表面，亦是在不断变化的表面。 （2）切削用量 加工的结果为形成合格的已加工表面，已加工表面是否合格，取决于切削运动的适量。切削用量则是表达切削运动大小的量。加工中，随着工件材料、工件结构、加工精度、刀具材料及其它技术、经济要求的不同，围绕形成合格加工表面这一核心，所需的切削运动的大小即切削用量不同。因此，切削用量设置的合理与否将直接影响加工结果。 切削速度 Vc 指主运动的线速度

6、，单位 m/min（磨削为 m/s） 。当主运动为回转运动时，切削速度为回转体（刀具或工件）上某一点的线速度。 计算时取刀具（或工件）最外缘点的线速度，即最大切削速度。车外圆时，计算待加工表面速度，钻孔时计算钻头外径速度。当主运动为直线运动时，切削速度为刀具相对于工件的直线运动速度。 进给量f 指刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，mm/r或mm/行程。对于车外圆，f为工件转一圈，刀具沿工件轴向移动的距离，mm/r；对于刨平面，f为刀具每行程沿工件横向移动的距离，mm/行程；对于铰削、铣削，f为刀具每转一转沿工件进给方向的移动量，mm/r，由于它们为多齿刀具，因此，还应有每齿进给量fz ，

7、即刀具在一转或一次行程中，每个刀齿相对工件在进给方向上的位移量，mm/齿。 有时进给运动的大小还用进给速度Vf来表示。 进给速度Vf指刀具上选定点相对于工件的瞬时进给速度，mm/min。 背吃刀量ap 指工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，mm。 二、机床传动 二、机床传动 1、机床传动的基本概念 为实现加工中所需的运动，机床必须具备三个基本部分：执行件、动力源和传动装置。 （1）执行件 指执行件运动的部件，其作用是带动工件或刀具完成旋转或直线运动，并具备一定的运动速度与精度。如主轴、刀架、工作台等。 （2）动力源 指为执行件提供运动和动力的装置，如直流电动机，步进电机、交流电动机、交流

8、异步电动机等。 （3）传动装置 指传递运动和动力的装置，其作用是将动力源的运动传递给执行件或完成执行件间的运动传递，并使之保持确定的运动关系。通过运动传递，传动装置还可实现运动性质、方向和速度的变换，一般又以变速为主。 传动装置需要由一系列的传动件组成， 传动件之间的连接也就构成传动联系， 最终实现所需运动。这种由传动件构成的传动联系称为传动链。 （4）传动链 围绕一个机床运动，构成传动联系的一系列传动件。传动链中常有两类传动机构：传动比与传动方向均不变的定比传动机构，如定比齿轮副、蜗轮蜗杆副、丝杠螺母副等；传动比与传动方向随加工要求变换的换置机构，如滑移齿轮变速机构、离合器变速机构及挂轮机构

9、等。 传动链可分为内、外联系传动链两种。 （5）外联系传动链 指联系动力源和执行件的传动链，一般实现简单运动。它只使得执行件获得一定的速度和动力，且不要求与动力源间保持严格运动关系。因此，其传动精度不影响表面形状的成型。 （6）内联系传动链 指联系执行件间的传动链（一般实现复合运动） 。执行件之间需保持严格的运动关系，传动比不变，其传动精度将直接影响零件表面形成的精度。因此，内联系传动链中不允许有传动比不定或由摩擦传动的传动件（如带传动等） 。卧式车床的车螺纹传动链便是内联系传动链，它联系主轴与刀架间运动关系，若传动比不准，将直接导致所加工螺纹的螺距误差。 机床上所有的传动关系构成机床的传动部

10、分，称为传动系统。 （7） 传动系统 指机床内所有传动链和它们之间的相互联系。 它是机床的重要组成之一，也是选择机床时需要认识、了解的内容之一。 2、机床变速传动机构 机床变速传动机构是构成机床传动系统使其实现变速的主要组成，普通机床传动系统中有多种基本变速传动机构。 （1）塔轮变速传动机构（塔轮变速传动机构动画塔轮变速传动机构动画） 图 2-2 为三对不同直径的皮带轮构成的塔轮变速传动机构。 当皮带在塔轮上移换三个不同位置时，可获得三种不同的传动比。该机构结构简单，传动平稳，可过载保护，但尺寸大，变速时操作不便。它的变速级数一般为 23 级，目前主要用于高速机床、小型机床等。 图 2-2 塔

11、轮变速传动机构 1，3带轮；2皮带 （2）滑移齿轮变速传动机构（滑移齿轮变速传动机构动画滑移齿轮变速传动机构动画） 通过变换与轴为键连接的齿轮位置，与不同齿数的齿轮啮合，便可得到不同传动比，达到变速目的。图 2-3 中，a 为双联滑移齿轮变速机构，两轴间得到两个不同的传动比；b 为三联滑移齿轮变速机构，获得三个传动比。滑移齿轮块有整体式结构（数个齿轮构成一体）和拼装式结构（单独的齿轮拼装成块）两种。一般滑移齿轮变速机构实现 23 级变速，若想获得四个传动比，为方便于滑移齿轮的制造，往往将齿轮块分为两组实现，如图 2-3c 所示。但要注意保证两组齿轮块不能同时进入啮合状态，故同时还应有相应的互锁

12、机构。 图 23 滑移齿轮变速机构 （3）离合器变速传动机构（离合器动画离合器动画 1） （离合器动画离合器动画 2） （离合器动画离合器动画 3） 离合器是使同轴线的两轴或轴与该轴上空套传动件（如齿轮、皮带轮等）按工作需要随时接通或分离，实现机床启动、变速、换向及过载保护的构件。离合器有很多种，机床传动中常用的有啮合式、摩擦式、超越式离合器和安全离合器。 图 2-4 为啮合式离合器，它由两个半离合器组成，利用两个半离合器的齿爪啮合传递运动和扭矩。 其中 a 图为牙嵌式离合器， 与齿轮一体的左半离合器空套于轴上， 右端的齿爪 （结构如图 b）与和轴用花键（或滑键）连接着的右半离合器左端的齿爪相

13、啮合，接通运动。图c、d 为内齿式离合器，当和轴用键连接着的外齿轮移入右边空套于轴上的内齿轮与之啮合时，运动接通。啮合式离合器结构简单、紧凑、结合可靠、传动比准确；但不易在运动时啮合。 图 2-4 啮合式离合器 1左半离合器；2右半离合器；3滑链；4，5轴 图 2-5 为多片式摩擦离合器。它利用相互压紧的摩擦片所产生的摩擦力传递运动和扭矩。摩擦片分外片（图 c）和内片（图 d） ，外片上凸齿插入空套于轴上传动件的槽中，与之相连；内片以花键孔与轴向花键配合，与轴相连。内、外片被压紧，轴向传动件运动接通。离合器中的摩擦件还可采用锥式或单片式。 图 25 多片摩檫式离合器 1 轴；2齿轮套筒；3垫片

14、；4外摩檫片；5内摩檫片；6螺母套； 7压套套；8钢球；9滑套；10楔块；11弹簧销 离合器变速传动机构由离合器和齿轮组成，利用离合器的离、合而获得不同的传动比，如图 2-6 所示。a 图可获得两个传动比；b 图获得四个传动比；c 图获得两个传动比。离合器变速机构可在运动中实现变速，变速方便；但齿轮始终处于啮合状态、易磨损、传动效率不高、结构也较复杂、尺寸大。 图 26 离合器变速传动机构 （4）配换齿轮变速机构 通过传动齿轮对的更换获得不同传动比，达到变速目的（亦称挂轮机构） 。图 2-7 为配换齿轮（挂轮）变速机构。其中 a 图为一对配换齿轮变速机构，更换齿 A 和 B，便有不同的 A/B

15、；b 图采用了两对配换齿轮，又称复式挂轮机构，通过更换 a、b、c、d（比更换一对齿轮更易获得较多且较准确的传动比）达到变速目的。配换齿轮变速机构结构简单、紧凑，采用较少齿轮可获得较多的传动比（主从齿轮位置还可对调） 。但变速麻烦，调整费时。 图 27 配换齿轮变速机构 1螺钉；2垫片；3、4衬套；5轴；6螺钉；7挂轮架 3、机床换向机构 机床的运动部件工作时，经常需要改变运动方向（如主轴正、反转，刀架和工作台的进与退等） 。因此，在机床传动系统中应有换向机构。机床的换向机构有机械、液压、电气三种。图 2-8 为常用的机械式换向机构，其实现换向的方式一般有如下三种： （1）皮带式换向机构 通过

16、皮带的交叉安装获得相应的运动方向，如图 a 所示。 （2）圆柱齿轮换向机构 通过改变齿轮啮合次数或对数改变运动方向，如图 b、c、d 所示。 （3）锥齿轮换向机构 通过锥齿轮相对安装，使两侧获得不同的运动方向，如图 e、f 所示。 图 28 机械式换向机构 1转臂；2手柄 液压换向一般利用换向阀切换油缸或油马达的油路来实现换向；电气换向则是利用电气线路直接改变电动机的运动方向来实现换向。 4、机床传动系统 机床传动系统的主要任务是负责机床所需运动、 动力的传递， 并在传递中实现运动速度、方向及性质的变换，且以变速为主。机床变速有有级变速和无级变速两种，对精密机床及数控机床则会采用无级变速（即一

17、定范围内速度变化连续并可调至所需任意速度） ，而生产中大多数的通用机床则采用有级变速（只获得有限级数运动，且速度变换不连续方式） 。因此，通用机床的传动系统内有较多的变速机构、 换向机构及可变换运动性质的传动机构 （常用的有齿轮、齿条传动机构和丝杆螺母传动机构） 。为清楚表达这些机构间的传动关系，了解机床运动的传递，生产中一般用机床传动系统图加以描述。 机床传动系统图是由规定的图形符号代表真实机床传动系统中各传动件而绘成的机床各传动链的综合简图。它是一张展开于机床对应轮廓内的平面图，并按传动先后排序。对因展开而失去联系的传动用大括号、 点划线或虚线连接以表达传动联系。 图中各传动件不代表实际尺

18、寸和空间位置，只代表传动关系。 读懂机床传动系统图，对了解机床性能、适应范围、进行各种调整计算非常有利，是用好机床的关键。读图时可注意下列问题： （1）实现机床运动共有几条传动链； （2）对传动链逐条认识； （3）每条传动链均采用“抓两头、连中间”的方法进行分析。 “抓两头”是指确认传动链的首末件； “连中间”则是通过：所具有的变速组数，各变速组性质及所获运动级数，传动链的变速级数等步骤加以联系； （4）传动链的运动传递过程。 三、机床典型构件 三、机床典型构件 1、机床操纵机构 （1）操纵机构的作用及要求 机床操纵机构是用于控制机床的运动部件， 执行某种运动或动作的机构， 一般包括机床各部件

19、的启停、制动、变速、换向等动作以及送料、夹紧、定位等辅助动作。它不直接参于机床工作过程，故对机床的精度、刚度、寿命等性能不直接影响，但对机床操作方便程度、工人劳动条件等有直接的关系， 会影响机床工作参数。 一般对操纵机构会有操纵方便、 省力、安全等要求。 （2）操纵机构的组成 操纵机构一般由操纵件、控制件、执行件及定位件四部分组成。操纵件为直接接受操纵者的操纵力和动作的零件，如手轮、手柄、按钮等；传动件是将操纵件的运动或动作传给执行件的装置，如杠杆、凸轮、齿轮、齿条、丝杆、螺母等；执行件指直接带动被操纵件动作的零件，如拔叉、滑块等；定位件则是保证被操纵件有准确位置的零件，如钢球、圆柱销、锥销等

20、。图 2-9 为几种常用的操纵机构。 （摆动操纵机构动画摆动操纵机构动画） （齿轮齿条操纵机构动画齿轮齿条操纵机构动画） （凸轮操纵机构动画凸轮操纵机构动画） 图 29 常用操纵机构 （a）1滑移齿轮；2滑块；3摆杆；4轴 （b）1滑移齿轮； 2拨叉；3齿条轴套；4齿轮；5轴； （c）1滑移齿轮； 2滑块；3杠杆；4凸轮 （3）操纵机构的种类 操纵机构有很多种。 采用一个操纵件只控制一个被操纵件的机构称单独操纵机构， 它结构简单、制造容易，但被操纵件数目较多时，操纵机构相应增多会给操纵带来不便；采用一个操纵件控制多个被操纵件的机构称集中操纵机构，它操作方便省时、但结构复杂、设计、制造不易。 图

21、 2-10a 为一个摆动式操纵机构。手柄 4 用销子与轴 5 相连并一起转动，通过键使摆杆 3 以及在齿轮 1 的环槽中的滑块 2 摆动，推动齿轮轴向移动。为保证机构工作可靠，摆杆长度及安装应有一定要求，如图 2-10b 所示。图 2-10c、d 分别为表示 3 摆杆安装和长度对工作带来的影响。 图 2-11 为一个移动式操纵机构。转动手柄 2，通过齿轮 3 齿条 4 传动带动拔叉 1 沿导向杆 5 移动，移动位置由 5 上的弹簧钢球 6 确定。 图 2-12 为一个凸轮操纵机构。操纵操纵原理如图 a，滑移齿轮块位移的实现通过插于凸轮的滚子带动完成，滚子处于凸轮槽内不同直径时，齿轮块位于凸轮不

22、同的啮合位置。结构示意图见 b，滚子在槽内位置的变化通过转动手轮实现。 图 210 摆动式操纵机构 （a）1滑移齿轮；2滑块；3摆杆；4手柄； 5转轴 （b）1拨叉；2导向杆；3滑块 图 211 移动式操纵机构 1 拨叉；2手柄；3小齿轮；4齿条； 5导向杆；6定位钢球 图 212 圆盘凸轮操纵机构及原理图 1、3滑移齿轮；2拨叉；4滑块；5杠杆； 6、8滚子；7圆盘凸轮；9手轮；10轴 2、机床保险机构 为防止机床工作中因误操作或其它原因可能引发的事故，确保生产、操作者安全和机床构件不受损坏，机床上必须设有保险装置和互锁机构。 （1）保险装置 机床上的保险装置有过载保险装置和事故保险装置两类

23、。 过载保险装置 过载是指机床在工作中切削力过大或部件相碰导致传递动力超过额定值的 25%。为避免机床构件损坏，保险装置通常通过连接件的分离、切断或打滑来限制或中断动力传递。因为过载定值较低，过载发生可能性概率较大，为便于工作，该种装置不应具有破坏性。安全离合器常被用于该类装置。图 2-13 为安全离合器。 图 213 牙嵌式安全离合器 1锁紧螺母；2调整螺母；3齿轮套；4星形体 ；5、6半离合器； 7弹簧；8拉杆；9圆销；10弹簧座；11蜗杆 事故保险装置 过载额度较大（达到额定载荷的 125%150%）在机床工作中只会偶然发生，为防止事故给机床造成严重伤害， 设置的事故保险装置的脱开为破坏

24、性的， 即一般人为在传动链中设置一处最薄弱的环节，例如剪断销，如图 2-14 所示。这个环节结构简单、易于更换。 图 214 剪断销 （2）互锁装置 对机床上凡有可能产生干涉的运动机构，均必须设置互锁装置。 互锁装置的类型跟多，可用机械、电气、液压及其组合形式，如图 2-15 所示为机械式互锁装置，其中 a、b、c、d、e、f 用于平行轴间的互锁，g、h 用于交错轴间的互锁。 图 215 机床机械互锁装置 3、机床主轴部件 主轴部件是是实现机床旋转的执行元件。 （1）作用及基本要求 主轴部件用于夹持工件或刀具，直接参与工件表面成形运动，并在一定转速下传递扭矩、承受载荷。它的工作性能直接影响加工

25、工件质量和效率。 主轴部件的工作性能除满足一般传动轴组件应有的要求外，对其旋转精度、刚性、抗振性、热变形、耐磨性等均有一定要求。 （2）基本组成 主轴部件由主轴、主轴支承、主轴上的传动件、密封装置等部分组成。 4、支承件及导轨 （1）支承件 机床的床身、主轴、底座、刀架、工作台、箱体等尺寸重量大的基础构件为机床支承件。支承件的不同组合及安排决定了机床的基本布局。 支承件应具备一定的精度及其保持性，以及足够的刚度、好的抗振性及工艺性；另外，对使用、维修、造型、重量等都有一定要求。 （2）导轨 机床上引导运动部件运动的表面。导轨精度、性能直接影响机床加工，因此，要求导轨有高的导向精度、耐磨性，好的

26、刚度及低速运动平稳性，结构应简单，还应有良好的工艺性。 四、机床精度 四、机床精度 机床本身的精度是影响加工工件精度的首要因素。机床精度包括几何精度，传动精度和定位精度，对于不同类型及工艺特点的机床，各精度要求不同。 1、机床的几何精度 机床的几何精度指机床上某些基础零件工作面的几何形状精度，包括床身导轨的直线度、工作台面的平面度、主轴旋转精度、刀架和工作台移动的直线度、车床刀架移动方向与主轴轴线的平行度等方面。 机床的几何精度决定着机床运动部件的运动精度， 零部件间及其运动轨迹间的相对位置精度等，因此，直接影响零件加工精度。 2、机床的传动精度 机床的传动精度主要针对于对内联系传动链，指两端

27、件间运动关系的准确性，它决定复合运动轨迹的精度，直接影响被加工表面的形状精度。 3、机床的定位精度 机床的定位精度指机床运动部件，如工作台、主轴箱、刀架等，从某一起始位置运动到预定位置时实际位置的准确度。 而机床运动部件在某一给定位置上作多次重复定位时实际位置的一致程度称重复定位精度。 机床的定位精度直接影响工件尺寸精度，但对于通过试切保证工件尺寸的机床，影响不大； 而对于依靠机床本身定位装置或自动控制系统实现运动部件准确定位的机床， 定位精度便很重要。 以上所述是指机床在无切削载荷和不运动的情况下检测的精度，一般称静态精度，只能在一定程度上反映机床的加工精度。机床工作中，还会出现不少影响加工精度的因素，如切削力、热及加工环境等的影响。机床在过载、温升及振动等因素作用下的精度为机床的动态精度， 动态精度除取决于静态精度外， 还与机床的刚度、 抗震性及热稳定性因素密切相关。