沙市大學機械工程學院蘇朱勇金屬切削機床概論金屬切削機床

金屬切削機床：是一種以切削的方法加工金屬零件的機器，是制造機器的機器，故又稱“工作母機”或“工具機”。金屬切削機床課由兩部分組成：一、金屬切削機床概論部分：機床基礎知識；車床；磨床；齒輪加工機床；鉆、鏜、銑、刨、拉及螺紋加工機床。二、金屬切削機床設計部分：機床的總體設計；傳動設計；主軸部件；支承件及導軌等。第一章機床的基礎知識

機床在國民經濟中的地位及其發展簡史機床的分類和型號對機床的一般要求機床上工件表面成形方法和所需運動機床的傳動原理機床的傳動系統與運動計算機床的精度第一節機床在國民經濟中的地位及其發展簡史

一、金屬切削機床定義金屬切削機床（Metal-cuttingmachinetool）是用切削的方法將金屬毛坯加工成機器零件的機器，它是制造機器的機器，所以又稱為“工作母機”或“工具機”（m-achinetool），習慣上簡稱為機床。二、機床的地位1.機床是現代機械制造業中最重要的加工設備機床的技術性能直接影響機械產品的質量及其制造的經濟性,決定著國民經濟的發展水平。

2.一個國家要繁榮富強,必須實現工業、農業、國防和科學技術的現代化,這就需要一個強大的機械制造業為國民經濟各部門提供現代化的先進技術設備與裝備,即各種機器、儀器和工具等。然而,一個現代化的機械制造業必須要有一個現代化的機床制造業作后盾。3.機床工業是機械制造業的“裝備部”、“總工藝師”，對國民經濟的發展起著重大作用。三、機床的發展簡史1.國外機床的發展史

公元前二千多年出現的樹木車床是機床最早的雛形。工作時，腳踏繩索下端的套圈，利用樹枝的彈性使工件由繩索帶動旋轉，手拿貝殼或石片等作為刀具，沿板條移動工具切削工件。中世紀的彈性桿棒車床運用的仍是這一原理。十五世紀由于制造鐘表和武器的需要，出現了鐘表匠用的螺紋車床和齒輪加工機床，以及水力驅動的炮筒鏜床。1500年左右，意大利人列奧納多?達芬奇曾繪制過車床、鏜床、螺紋加工機床和內圓磨床的構想草圖，其中已有曲柄、飛輪、項尖和軸承等新機構。中國明朝出版的《天工開物》中也載有磨床的結構，用腳踏的方法使鐵盤旋轉，加上沙子和水剖切玉石。

十八世紀的工業革命推動了機床的發展。1774年，英國人威爾金森發明了較精密的炮筒鏜床。次年，他用這臺炮筒鏜床鏜出的汽缸，滿足了瓦特蒸汽機的要求。為了鏜制更大的汽缸，他又于1776年制造了一臺水輪驅動的汽缸鏜床，促進了蒸汽機的發展。從此，機床開始用蒸汽機通過天軸驅動。

1797年，英國人莫茲利創制成的車床由絲杠傳動刀架，能實現機動進給和車削螺紋，這是機床結構的一次重大變革。莫茲利也因此被稱為“英國機床工業之父”。19世紀，由于紡織、動力、交通運輸機械和軍火生產的推動，各種類型的機床相繼出現。1817年，英國人羅伯茨創制龍門刨床；1818年美國人惠特尼制成臥式銑床；1876年，美國制成萬能外圓磨床；1835和1897年又先后發明滾齒機和插齒機。

隨著電動機的發明，機床開始先采用電動機集中驅動，后又廣泛使用單獨電動機驅動。二十世紀初，為了加工精度更高的工件、夾具和螺紋加工工具，相繼創制出坐標鏜床和螺紋磨床。同時為了適應汽車和軸承等工業大量生產的需要，又研制出各種自動機床、仿形機床、組合機床和自動生產線。隨著電子技術的發展，美國于1952年研制成第一臺數字控制機床；1958年研制成能自動更換刀具，以進行多工序加工的加工中心。從此，隨著電子技術和計算機技術的發展和應用，使機床在驅動方式、控制系統和結構功能等方面都發生顯著的變革。2.我國機床的發展史公元前我國有原始的鉆床、木工車床。17世紀中葉，利用畜力代替人力作機床的動力。解放前夕，規模小、制造少、簡單的皮帶車床、牛頭刨床和砂輪機等。1949年，擁有機床6萬臺左右，機床僅1000多臺，品種不到10個。1953～1957年，新建、擴建機床廠，并開始自行設計和開展試驗研究工作。1956年成立了綜合性的機床研究所和組合研究所。至1988年機床的產量達20萬臺，品種日趨齊全，機床的性能已經接近和達到了世界先進水平。四、機床的發展趨勢機床的發展趨勢朝著提高生產效率、加工精度、自動化程度和擴大品種。模塊化設計將是貫穿產品設計全過程的一條主線，無論是機床技術發展的潮流還是市場競爭的要求；無論是降低成本的需要，還是提高產品質量的需要，都要求我們在今后產品的開發設計中，切實做好模塊化設計、創新設計工作。加工中心、車削中心、磨削中心、數控車、數控銑、數控鏜等金切機床，構成了龐大的展品群，這些由傳統的切削原理結合現代設計理念和先進的控制技術相融合而成的金切機床，代表了世界機床的發展方向和趨勢。

高速、復合、高精度、高剛性仍是金切機床的發展主調，但又有新的變化。復合，已從原來的為復合而復合轉為從實用高效考慮為主，如車、銑復合，車、銑、鉆的復合，銑床和電火花的復合；從功能上看，復合型機床的針對性很強，針對某類零件考慮；從精度上看，定位精度＜2μm，重復定位精度≤±1μm的機床已比比皆是；從主軸轉速來看，8.2kW主軸達60000r/min，13kW達42000r/min，高速已不是小功率主軸的專有特征；從剛性上看，已出現可加工60HRC硬度材料的加工中心。模塊化的設計在機床制造中已應用得爐火純青。橫向系列、縱向系列、全系列、跨系列的模塊化設計，在展品中體現得淋漓盡致，無論是大隈、牧野等為代表的日本機床，還是Haas、Cincinnati等為代表的美國機床，同樣兩臺展品，外形上看，好象完全一樣，但功能則完全不同，所構成的模塊很多則是通用的。

全自動的概念已發生變化。傳統的全自動機床是用一只氣動或液動的機械手實現工件的自動上、下料，但展覽上有超過10臺以上的加工中心和車削中心，采用真正意義的多關節串聯式機器人，來實現工件的上、下料，包括完工零件的堆放。控制的范圍加大，組線的靈活性加強，同時輔助配套的機械大大減少。

環保要求越來越高。在展出的展品中，絕大部分的機床產品都采用全封閉的罩殼，絕對沒有切屑或切削液外濺的現象。另一方面，大量的工業清洗機和切削液處理機系統的展出，亦同時反映現代制造業對環保越來越高的要求。

（一）機床的結構創新

1．串并聯結合

并聯機床不僅用于切削加工，還可當作試驗平臺、工業機器人、機械裝配等來使用。然而當今并聯機床的另一個發展趨向，所謂串并聯相結合，就是在并聯機床上串聯傳統機床的若干部件，以擴大并聯機床的工作范圍，增加靈活性以及提高加工精度。機床能耗低，刀具在空間自由運動使復雜工件的加工變得簡單。

2．銑頭傾斜的加工中心

當今，加工中心的一種創新設計就是立柱傾斜，其目的是為了更好地排屑及排放冷卻液。這種結構是將立柱設計成和鉛垂直線成一定角度，往往是主軸軸線向操作者傾斜。剛性及抗振性強，進給采用直線電機，機床精度高。

3．超聲振動加工技術

當今，在醫療器械、光學工業以及汽車工業等領域內，對高硬度的零件需求日益增加，因為諸如陶瓷、玻璃、硬質合金等材料具有良好的抗磨損、耐高溫、抗腐蝕性能。但此類材料的高硬度及脆性，使傳統的工藝方法難以加工，然而成功研制的超聲振動加工技術，使硬脆材料的加工技術獲得了新的突破。振動切削理論是在切削過程中加入了超聲振動。由工業金剛石顆粒制成的銑刀、鉆頭或砂輪，在加工過程中對零件表面進行20，000次/秒的連續敲擊，即使是高硬材料，在如此高頻的振動敲擊下，一個很小的切削力也可將其瓦解。機床的進給力還是很大的，因此在振幅的最高點，附在刀具上的金剛石顆粒以撞擊方式將零件表面材料以微小顆粒形式分離出來。這種加工方式的效率要比傳統方式提高5倍；零件表面光潔度Ra<0.2μm；可加工φ0.3mm的精密小孔；切削溫升低，故可保護刀具及延長壽命。采用超聲技術的機床。ADR為控制沖擊力，將刀具的進給量設定到最佳范圍，而ACC是通過聲音進行控制的，即以加工過程中發出的聲音信號來進行控制，若需要取得較好的表面質量，ACC方式為更好。超聲加工機床（二）高速加工機床

隨著電主軸及直線電機技術的日益成熟，當今數控機床的高速化發展越來越快，金切機床高速化不僅對機床的抗振性、抗熱變形能力要求很高，而且對裝配時的清潔度要求也非常嚴格，還注重防塵處理。如對光柵、導軌、主軸箱等重要部位嚴加密封。采用直線電機提高機床的進給速度以外，也省略了傳統的易磨損機械零件，而且還能達到無反向間隙的高動態性能的良好效果。

（三）多軸聯動加工

多軸聯動加工中心是一種很好的機床產品。如銑頭立臥轉換式、銑頭擺轉式、工作臺雙軸擺轉式等，均是我們航天航空、造船、兵器及模具行業等的招標清單中最常見的。多軸聯動加工中心，銑頭能繞軸回轉，因此對某些復雜零件的背面也能加工。銑頭能立臥轉換，如配上回轉工作臺，就能對箱體類零件進行五面加工，由于銑頭立臥回轉是連續控制的，因此對復雜型面的零件也能加工。

（四）激光加工

激光加工近年致力發展的新技術，一般有兩種形式。第一是用激光直接對工件進行加工的，以取代傳統的電腐蝕加工工藝，尤其適合對陶瓷、石墨及其他超硬材料的加工。它的優越性不僅是能節省工時，更體現在能去除工件的某些因刀具干涉而不能切削部分，甚至對盲孔也能加工。當然，對環保也起到積極作用。操作很方便，將三維CAD圖紙直接輸入就能加工。激光光束直徑在φ0.04mm-φ0.1mm范圍之內，切除率可達到25mm3/min。另一種激光加工機的型式是高速銑削與激光加工相結合。能自動換刀進行高速銑削以外，還帶有激光雕刻功能，以去除銑刀難以加工區域，為加工復雜模具的型腔及雕刻細紋圖案等拓展了新的空間。激光加工系統激光雕刻機激光加工視屏1激光加工視屏2我國機床工業發展現狀與方向改革開放以來，國民經濟飛速發展，給機床制造業帶來了新的發展機遇，同時也提出了更高的要求。然而由于長期在計劃經濟的條件下組織生產，不能很快適應市場經濟的要求，使國內很多機床廠家陷入困境。借鑒國外的經驗，明確我們的發展方向，迅速適應市場需求，是我國機床制造業面臨的重要課題。

1.產品開發與技術引進

應用數字控制等先進技術，不斷開發新產品，滿足高質量、高效率和高靈活性的要求是現代機床的發展特征，并成為世界各機床廠家正在為之努力的目標。因此，國內很多廠家也在引進數控技術和產品，生產了各種類型的數控機床，從歷屆機床展覽會可見一斑，可以說中國的機床制造業的技術水平有了很大提高。但是，不能不看到，大多數廠家在日趨激烈的市場競爭中，特別是在國際市場的競爭中仍顯得能力不足。

應當指出，新產品開發不是引進或仿制其他廠家的機型。引進或仿制的產品對制造廠家是新產品，對市場卻不是新產品。引進或仿制在一定時期是必要的，正如在建國初期我們通過仿制前蘇聯的產品建立了中國的機床制造業體系一樣，在改革開放初期引進技術可以使我們的機床制造業快速跟上世界先進水平。但是，這不應是我們的唯一發展方向和最終目標新產品開發應該是指全新機型或現有產品的改進型。目前，在新產品開發方面，美國的機床公司處在世界前列。為了適市場需求，G&L公司不惜重金開發出RAM系列高速加工中心。采用整體床身，提高機床的剛性；選用滾動導軌，適應高速要求。換刀速度(切屑到切屑)為4.5～5s，運行速度達38m/min，贏得了大量用戶。INGERSOLL公司開發的HVM800型加工中心用直線電動機代替傳統的伺服電動機驅動滾珠絲杠的傳動系統，簡化機床的結構，運行速度76m/min，現已投放市場。新產品的開發往往對控制系統提出更高的要求，通用控制系統不能滿足要求時，還要進行控制系統的開發。美國的G&L公司、CINCINNATI公司和德國的HELLER公司等均針對自己的系列產品，開發專用控制系統，并相繼建立起相當規模的控制系統研制中心，生產專用控制系統，為各自的系列產品配套。而不直接采用專業電氣公司的通用控制系統，避免功能浪費，彌補功能不足。這些才是新產品開發。我們應當在引進技術的基礎上開發自己的新產品，或開發某些領先技術改進我們的產品。當然，開發新產品需要大量資金投入，只有將現有產品以高質量的品位占領市場才可能積累資金，用于產品開發工作，即人們常說的“以老養新”。

2.通用機床與專用機床

隨著經濟的發展，特別是改革開放以來，專用組合機床的需求量增加，通用機床的需求量相對減少。于是，各通用機床廠紛紛建立專機車間或專機分廠，生產組合機床。由于設計、制造、組裝和調試經驗不足，使之在市場特別是國際市場中缺乏競爭力。組合機床作為一種現代機床，它不是通用部件、各種元件、刀夾輔具和控制系統的簡單組合，從設計制造到組裝調試都有其專業特征。通用機床是成熟產品，即使是改進型也是經過一輪或幾輪試制后，方能投產。通用機床的整機和零部件可以有少量庫存，生產時間充裕。而組合機床一般是單機一次性生產，不可能進行試制，而且要求在一定的時間內完成制造。這就要求機床廠家有一支經驗豐富的設計隊伍，特別是資深的方案工程師。在訂購組合機床時，用戶往往將技術方案作為前提之一，因為一個好的方案可以為用戶帶來很大的經濟效益。同時，也使機床制造廠家便于組織生產。好的技術方案是用最簡捷的形式，滿足工藝要求，并且易于操作、調整和維修。這就要求通用部件的選擇，刀具的設計和選擇，夾具的設計，控制系統的設計及液壓和氣動系統的設計等都要相對合理。專用組合機床一般用于大量生產，需要加工精度長期穩定，因此，對其質量的要求與通用機床有很大不同，通常要求工序能力系數CPK≥1.33。國內一知名機床廠為用戶設計制造一條殼體生產線，用戶要求在技術協議中將工序能力系數CPK≥1.33作為一項驗收標準，廠家明確表示達不到這一要求。他們只能同意按被加工零件圖紙給定公差的75%作為驗收標準，這一驗收標準與工序能力系數CPK≥1.33的要求相差甚遠。有的廠家甚至不了解工序能力系數這一概念。應當指出，CPK=1.33是最低要求，有的國外用戶將CPK≥4.0作為驗收標準。提高機床的質量是一項復雜的系統工程，它要求制造廠家建立一套完整的質量控制體系。從方案論證到產品設計，從原料進貨到元件采購，從工藝編制到加工制造，從安裝調試到售后服務，都必須嚴格控制。才能有效保證整機的產品質量，得到市場的認可。為了占領市場，世界各廠家爭相提高產品質量和服務質量。美國的一家機床公司向用戶承諾，訂購該公司設備時，他們“不是在拿到訂單之后就一走了之，再見面時設備已經制造完畢并請你付款，這時你所看到的只是設備的外表，而看不到內在質量。例如，你知道主軸的精度和硬度嗎？”他們的做法是：向你報告從方案設計、元件采購、加工制造到裝配調試的全過程并接受你的檢查。他們之所以能夠做到這一點是因為像大多數機床制造廠家一樣，機床在投入制造后，每個零件都備有一張卡片，將每道工序檢驗結果填寫在卡片上并輸入計算機，使制造的全過程處于受控狀態，從而保證了機床的出廠質量。這些都是值得我們借鑒的質量管理方法。

通用機床一般不需要制造廠家到用戶安裝調試，即使需要也很簡單。而組合機床則需要制造廠家到用戶安裝調試，且過程復雜，周期較長。要求廠家培養和建立一支有經驗的安裝調試隊伍。此外，因為組合機床均用于大量生產，如果機床故障不能及時排除，其他設備很難替代，勢必造成停產，將給用戶帶來重大損失。因此，售后服務也是組合機床生產的一項重要內容。鑒于這種情況，通用機床廠家應當揚長避短，利用自己的專業特點開發和生產專用機床。例如，車床廠家可以生產制造曲軸專用車床，磨床廠家可以生產制造曲軸和凸輪軸專用磨床等。3.自動生產線與加工中心

大家知道，由組合機床組成的自動生產線因為具有高效的特點廣泛用于大批量生產。但是，隨著機床技術的發展，目前自動生產線有被加工中心取代的趨勢，這是由自動生產線和加工中心兩方面原因所致。自動線所加工的零件品種單一，若改變加工品種需要對自動線進行改造；自動線中有一臺機床發生故障時，將造成全線停產，這對企業的發展和組織生產都是不利的。近年來，加工中心發展很快，新型的加工中心已具備了用于大量生產的能力，而且克服了自動線的缺點。在加工中心上只需更換夾具和程序，即可改變加工品種；在加工中心上一般采用工序集中的方式加工零件，由多臺加工中心完成同一工作，某一臺機床出現故障時，對生產影響不大。現在，由加工中心組成的柔性生產線集中了自動生產線和加工中心的優點，倍受一些大型用戶青睞。在美國CINCINNATI公司為一家用戶設計制造的柔性生產線上，同時生產21種不同的箱體。這條生產線主要由數臺加工中心(加工中心的數量可以根據需要增減)和一條用于輸送各品種夾具的主輸送道組成。工人只需將某一工件裝夾到該工件的夾具上，輸送道即可自動將夾具送入第一臺加工中心，加工中心根據夾具的型號，調出相應的程序進行加工，加工完成后，夾具自動退回輸送道，輸送道將其送至下一臺加工中心，隨后，下一夾具進入第一臺加工中心，以此類推，加工完成后，由工人卸下工件。全線由中央計算機控制，中央計算機除與各加工中心和輸送道的控制系統相聯外，還與刀具測量間相聯，將測量數據輸入各加工中心，加工中心則根據刀具參數調整切削參數，以保證加工精度。只要輸送道上有足夠裝有工件的夾具，生產線可在無人看管的情況下工作，直至輸送道上所有工件全部加工完畢，生產線自動停止工作，工時利用率在90%以上。可以說加工中心和柔性生產線將主導下一世紀的機械制造業，我國機床廠