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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文
機(jī)床基礎(chǔ)
許多情況下，初步成型加工出來的工件必須在尺寸和表面光潔度進(jìn)一步精整，以滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。為了滿足公差的精度要求，需要從工件上去掉少量材料。通常機(jī)床就是用于這種加工的設(shè)備。
在美國，材料切削是一個(gè)很大的產(chǎn)業(yè)，其費(fèi)用每年超過36×109美元，包括材料、勞動(dòng)力、管理費(fèi)、機(jī)床裝運(yùn)費(fèi)等費(fèi)用。通過銷售、設(shè)計(jì)、在車間中操作機(jī)器以及在相關(guān)企業(yè)中工作，60%的機(jī)械和工業(yè)工程技術(shù)的大學(xué)畢業(yè)生都跟機(jī)械加工工業(yè)有某些關(guān)系。因此，工科學(xué)學(xué)生在他的學(xué)習(xí)課程中花時(shí)間投身材料切削和機(jī)床的學(xué)習(xí)研究是很明智的。
機(jī)床為切削刀具提供把工件工件加工成所需尺寸的方法，通過其基本部件的功能，控制刀具和工件的支承關(guān)系。這些基本部件是：
（1） 床身和機(jī)架。這是機(jī)床的主要部件，它支撐主軸和拖板箱并把它們連接在一起。在負(fù)載時(shí)，床身和機(jī)架的變形和振動(dòng)必須保持最小。
（2） 拖板箱和導(dǎo)軌。機(jī)床部件（如拖板箱）的移動(dòng)，通常是在精確的導(dǎo)軌面上的直線運(yùn)動(dòng)。
（3） 主軸和軸承。軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生角位移，軸的位置在機(jī)床中必須極其精確、穩(wěn)定，一般通過主軸和軸承的精度來提供保征。
（4） 動(dòng)力裝置。機(jī)床普遍采用的動(dòng)力裝置是電動(dòng)機(jī)。合理布置各個(gè)電機(jī)可以使皮帶和齒輪傳動(dòng)裝置減至最少。
（5） 傳動(dòng)連接機(jī)構(gòu)。連接機(jī)構(gòu)是一般術(shù)語，用來代表機(jī)械、液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)的機(jī)構(gòu)，這些機(jī)構(gòu)和確定的角位移和線性位移相關(guān)聯(lián)。
機(jī)加工可以分成兩大類：
（1） 粗加工，其金屬切除率高，因?yàn)榍邢髁Υ?，但尺寸精度較低。
（2） 精加工，其金屬切除率低，因?yàn)榍邢髁π?，但尺寸精度和表面光潔度較高。
因此，與粗加工相比，精加工更應(yīng)該重視靜載荷和動(dòng)載荷（例如由不平衡的砂輪引起的動(dòng)載荷）的影響。此外，加工精度通常不會(huì)受到由于作用力而引起的變形程度的影響。
有是也用鑄鋼或碳鋼制造機(jī)床床身，但一般都用鑄鐵制造機(jī)床床身。因?yàn)殍T鐵便宜，剛性好，耐壓強(qiáng)度高，并且能減弱機(jī)床操作中的振動(dòng)。為了避免床身鑄件截面過大，可以精心設(shè)計(jì)筋條來提高床身的抗彎曲應(yīng)力和抗扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。筋條的兩種基本類型是箱型和片狀斜支承型。箱型結(jié)構(gòu)便于生產(chǎn)，箱壁上的孔口便于型芯的定位和取出。片狀斜支撐筋條有較大的抗扭剛度并能使截面間的碎屑掉落，它常常用于車床床身。
機(jī)床的拖板箱和導(dǎo)軌可以定位和引導(dǎo)彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件，通常是改變刀具相對(duì)于工件的位置。運(yùn)動(dòng)一般是直線平移，但也有時(shí)是旋轉(zhuǎn)，例如沿著工件的螺旋角方向把萬能螺紋磨床上的砂輪頭轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。拖板箱的基本幾何結(jié)構(gòu)形狀是平的、V形的、燕尾槽形的和圓柱形的。根據(jù)用途，這些構(gòu)件可以分別使用或以各種方法組合使用。導(dǎo)軌的特性如下：
（1） 運(yùn)動(dòng)精度。當(dāng)拖板沿直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，這條直線必須位于兩個(gè)相互垂直的平面內(nèi)，必須沒有滑動(dòng)旋轉(zhuǎn)。機(jī)床導(dǎo)軌的直線度公差一般是0-0.02毫米每米，在水平面上這個(gè)公差可以使滑軌凸起，以補(bǔ)償滑軌的下陷。
（2） 調(diào)節(jié)方式。為了便于裝配、維持精度和限制由于磨損而引起的滑動(dòng)構(gòu)件之間的“竄動(dòng)”，有時(shí)在拖板內(nèi)裝入扁條，這個(gè)扁條被叫做“鑲條”。通常該鑲條用穿過長孔的沉頭螺釘支柱，用平頭螺釘調(diào)整好后再用鎖緊螺母上緊。
（3） 潤滑。導(dǎo)軌的潤滑方式有以下兩種：（i）間歇潤滑，通過潤滑油脂或油壺進(jìn)行，適用于運(yùn)動(dòng)速度低而不頻繁使用的場(chǎng)合。（ii）連續(xù)潤滑，例如通過計(jì)量閥和管道將潤滑油送到潤滑點(diǎn)，用這種方法形成的油膜應(yīng)該很薄，以避免使拖板“浮起”。如果滑移表面是鏡平面，油就會(huì)被擠出而導(dǎo)致表面粘滯。因而在實(shí)際使用中，拖板滑移表面要經(jīng)過凹面砂輪的磨削和刮研。這兩種方法產(chǎn)生微小的表面下陷，可以存油，這樣在所有點(diǎn)都不會(huì)發(fā)生零件的完全分離，保持拖板的正確位置。
（4） 防護(hù)。為了維持導(dǎo)軌的良好狀態(tài)，必須滿足以下條件：（i）防止外面的物質(zhì)（如碎屑）的進(jìn)入。如果難以做到，就應(yīng)該選用形狀符合要求的導(dǎo)軌以避免碎屑在導(dǎo)軌上存留，例如倒V形導(dǎo)軌。（ii）潤滑油的保持。在垂直或傾斜的導(dǎo)軌面上使用的油應(yīng)該能粘在導(dǎo)軌面上。市場(chǎng)上到處都有這種專用潤滑油。油的粘度應(yīng)該足夠高，以避免被切削液沖走。（iii）用防護(hù)罩來防止意外的損壞。
車床
一臺(tái)車床實(shí)現(xiàn)三個(gè)主要功能：（i）牢固地支持工件或刀架和刀具；（ii）提供工件和刀具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；（iii）提供一定范圍的走刀和切削速度。
以去除切屑形式來加工金屬的機(jī)床分類如下：
主要使用單點(diǎn)切削刀具的機(jī)床包括：普通車床，塔式車床，仿型車床，單軸自動(dòng)車床，多軸自動(dòng)車床，牛頭刨床和龍門刨床，鏜床。
使用多點(diǎn)切削刀具的機(jī)床包括：鉆床，銑床，拉床，鋸床，齒輪切割機(jī)床。
使用隨機(jī)點(diǎn)切削刀具的機(jī)床包括：化學(xué)蝕刻銑削，電火花加工，超聲波加工。
車床借助于轉(zhuǎn)動(dòng)的工件對(duì)著刀具來切去金屬材料，以產(chǎn)生外圓柱面、內(nèi)圓柱面或錐形表面。車床普遍靠端面切削來加工工件表面。在端面切削加工中，工件旋轉(zhuǎn)，而刀具作垂直于回轉(zhuǎn)軸線方向的移動(dòng)。
普通車床（見圖1，略）是最基本的車床，是研制其他車床的基礎(chǔ)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝在床身的基礎(chǔ)上并通過齒輪、皮帶來驅(qū)動(dòng)主軸。主軸是一根堅(jiān)固的空心軸，裝在重型軸承之間，其前端用來安裝驅(qū)動(dòng)盤（花盤），以便把確定的運(yùn)動(dòng)傳到工件上。該驅(qū)動(dòng)盤可以借助螺紋、凸輪鎖緊機(jī)構(gòu)或借助一個(gè)螺紋墊圈和鍵固定在主軸上。
車床的床身是鑄鐵件，它提供精確磨削過的滑動(dòng)表面（導(dǎo)軌），上面放有拖板。車床拖板是H型的鑄件，刀具安裝在拖板的刀架上。溜板箱裝在托板前面，內(nèi)裝有驅(qū)動(dòng)齒輪，可以順著導(dǎo)軌或橫過導(dǎo)軌移動(dòng)刀具和拖板以提供所希望的刀具運(yùn)動(dòng)。
拖板上面的小刀架能使刀的夾具旋轉(zhuǎn)任意角度。小刀架上的手輪和絲桿可以使刀具做線性運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)手輪和進(jìn)給螺紋提供橫向進(jìn)給使小刀架垂直于導(dǎo)軌移動(dòng)。溜板箱中的齒輪可以在拖板沿著導(dǎo)軌和橫跨導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí)提供動(dòng)力進(jìn)給。進(jìn)給箱齒輪將運(yùn)動(dòng)傳給拖板并控制刀具相對(duì)與工件的運(yùn)動(dòng)速度。由于進(jìn)給箱的移動(dòng)運(yùn)動(dòng)是由主軸齒輪驅(qū)動(dòng)的，因此進(jìn)給直接與主軸速度有關(guān)。進(jìn)給箱齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也用于加工螺紋并能加工4扣到224扣每英寸的螺紋。
進(jìn)給箱和車床溜板箱之間的連接軸是光桿和絲桿。許多車床制造商把這兩種桿合并成一種桿，這樣雖然降低了成本但同時(shí)也降低了精度。進(jìn)給桿（光桿）提供道具的運(yùn)動(dòng)，以便提高工件的精度和表面光潔度。螺紋導(dǎo)桿（絲桿）提供精確的（螺紋）導(dǎo)程，是螺紋切削所必須的。光桿通過摩擦離合器驅(qū)動(dòng)，在刀具切削超載時(shí)可以進(jìn)行打滑保護(hù)。但絲桿里沒有這種安全裝置，因?yàn)槁菁y加工不允許打滑。由于螺紋全深很難一次走刀加工完成，因此裝設(shè)一個(gè)螺紋指示盤以便于下次走刀時(shí)用以重新對(duì)刀。
車床的尾座裝有一根很精確的軸，軸上的錐孔用來安裝鉆頭、鉆夾、鉸刀和車床頂尖。尾座可以沿著車床導(dǎo)軌移動(dòng)以適應(yīng)工件的不同長度，也可以把刀具推向工件。尾座可以相對(duì)導(dǎo)軌偏移以加工錐體或錐形表面。
轉(zhuǎn)塔車床基本上具有某種附加特性的普通車床，用于半自動(dòng)加工和減少人工操作誤差。轉(zhuǎn)塔車床的拖板設(shè)有T形槽以便在車床導(dǎo)軌兩側(cè)安裝夾刀裝置。這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)入到合適的位置，可以正確地安裝刀具以便進(jìn)行切削。拖板裝有自動(dòng)擋鉄以便控制刀具行程，提供良好的重復(fù)切削。轉(zhuǎn)塔車床的尾座是六角形結(jié)構(gòu)，可以安裝六把刀具。雖然操作前刀具和擋鉄的安裝要花大量時(shí)間，但一旦裝刀完成，稍微熟練的工人就可以連續(xù)地重復(fù)操作，直到刀具變鈍需要更換為止。這樣，為加工所做的準(zhǔn)備時(shí)間相對(duì)于所制造的零件數(shù)量是合理的時(shí)候，使用轉(zhuǎn)塔車床在經(jīng)濟(jì)上才算可行的。
多軸自動(dòng)車床裝有四、五、六或八根主軸，在每根主軸中裝一個(gè)工件。各主軸可以圍繞著一根中心主軸來轉(zhuǎn)換位置，而主刀具溜板可以接近所有的主軸。每根軸位上都裝有一側(cè)向可以獨(dú)立操作的刀具滑板。由于各刀具滑板都是靠凸輪操作的，因此加工準(zhǔn)備可能要花幾天時(shí)間，因而至少需要5000件的批量生產(chǎn)，它的使用才是合理的。這種機(jī)床的主要優(yōu)點(diǎn)是所有的刀具能同時(shí)工作，因而一個(gè)工人可以看管幾部機(jī)床。對(duì)于相對(duì)簡單的零件，多軸自動(dòng)車床可以在五秒鐘內(nèi)生產(chǎn)加工出一件產(chǎn)品。
牛頭刨、龍門刨、鉆床和銑床
牛頭刨床使用的是裝在滑枕一端的夾具上的單點(diǎn)刀具。切削加工通常在向前的行程中進(jìn)行。刀具被抬刀架稍稍抬舉，以避免工件表面被嚴(yán)重拖刮。在返回行程中，刀具下面的工作進(jìn)給，為下一次切削做準(zhǔn)備。立式床身內(nèi)裝有牛頭刨的操作機(jī)構(gòu)，床身上裝有支持工件的工作臺(tái)。工作臺(tái)可在滑枕互相垂直的兩個(gè)方向上移動(dòng)。刀具滑塊用來控制切割深度并依靠手動(dòng)進(jìn)給。它可以在其法向垂直位置的兩側(cè)回轉(zhuǎn)900角，這樣可以相對(duì)于工作臺(tái)表面成一個(gè)角度進(jìn)給刀具。
牛頭刨床有兩種類型的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：改進(jìn)的惠氏快回機(jī)構(gòu)和液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。對(duì)于惠氏機(jī)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)大齒輪，大齒輪驅(qū)動(dòng)曲柄，行程長度通過可調(diào)節(jié)的曲柄銷來控制。當(dāng)大齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，搖臂受力而往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并把運(yùn)動(dòng)傳遞給牛頭刨滑枕。
液壓牛頭刨的電動(dòng)機(jī)僅僅用來驅(qū)動(dòng)液壓泵。牛頭刨的運(yùn)動(dòng)靠液壓油的流向控制。機(jī)械驅(qū)動(dòng)的牛頭刨的切削行程只利用了大齒輪旋轉(zhuǎn)的2200，而返回行程則用了1400.這樣切削行程與返回行程之速度比為1.6比1。液壓牛頭刨有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即切削速度可無級(jí)變速。這類機(jī)床的主要缺點(diǎn)是在滑枕沖程的終端缺乏確定的限制，可能有千分之幾英寸的行程程度誤差。
龍門刨非常類似于牛頭刨，因?yàn)檫@兩種刨床都主要加工平面和斜面，然而龍門刨更適合于加工大型工件。龍門刨的加工場(chǎng)所在工作臺(tái)上，能夠在水平面上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，提供直線的切削和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。刨刀裝在橫向懸梁上，并受到垂直方向的立柱的支承。刨刀可以在水平和垂直方向進(jìn)刀和退刀，提供四個(gè)方向的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
由于使用的刀具的類型和加工場(chǎng)所的尺寸，龍門刨的切削速度較低。為了提高龍門刨床的生產(chǎn)能力，可以使用多刀切削加工中心。另一個(gè)增加產(chǎn)量的方法是同時(shí)在工作臺(tái)上安放多個(gè)工件。龍門刨的大小取決于加工場(chǎng)所的最大尺寸，也就是說加工場(chǎng)所的長度、寬度和高度要適應(yīng)各種龍門刨的工作臺(tái)的類型。
立式鉆床或手搖鉆床有各種規(guī)格和類型，主軸的調(diào)速范圍大并能根據(jù)多數(shù)行業(yè)的要求自動(dòng)進(jìn)給。搖臂鉆床用來鉆削那種很笨重、不便搬動(dòng)的工作。搖臂上安裝的主軸能夠進(jìn)行速度調(diào)節(jié)并裝有進(jìn)給調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。通過轉(zhuǎn)臂繞立柱的轉(zhuǎn)動(dòng)和主軸組件沿?fù)u臂的移動(dòng)，可以把主軸和鉆頭移到機(jī)器所能達(dá)到的任何位置。
普通搖臂鉆床只能使主軸垂直運(yùn)動(dòng)，而萬能搖臂鉆床允許主軸圍繞垂直于搖臂的軸線旋轉(zhuǎn)，搖臂繞著水平軸線旋轉(zhuǎn)，這樣可以在任何角度下鉆削。
多軸鉆床具有一個(gè)或多個(gè)通過萬向接頭和可伸縮的花鍵軸來驅(qū)動(dòng)主軸的裝置。所有的主軸通常都由同一部電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并同時(shí)進(jìn)給以便鉆削出所要求的孔數(shù)。
銑削工藝用旋轉(zhuǎn)的刀具來切去金屬。它包括從工件表面切去金屬、擴(kuò)孔和成型切削。例如螺紋加工和齒輪加工。
升降臺(tái)式的的銑床內(nèi)，立柱是其它零件的主要支承構(gòu)件，其基座包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主軸和刀具。刀具裝于主軸的刀桿上，并且通過懸臂內(nèi)的軸承支承在其外端上。升降臺(tái)裝在立柱的燕尾槽里，鞍座在燕尾槽里與升降臺(tái)固定在一起，工作臺(tái)被連接在鞍座上。這樣，升降臺(tái)和立柱可以提供相對(duì)于刀具的三個(gè)運(yùn)動(dòng)。借助工作臺(tái)繞著鞍座上的垂直軸線旋轉(zhuǎn)，可以提供第四個(gè)運(yùn)動(dòng)。
床身固定的銑床比升降式和立柱式的剛性更好。工作臺(tái)被直接安裝在機(jī)床基座上，提供了吸收重大切削載荷所需要的剛性，而且僅允許相對(duì)于工作臺(tái)的縱向運(yùn)動(dòng)。垂直運(yùn)動(dòng)靠移動(dòng)整個(gè)刀頭獲得。
仿型銑床的特點(diǎn)或者是刀具與仿型元件的運(yùn)動(dòng)軌跡同步，垂直運(yùn)動(dòng)靠移動(dòng)整個(gè)刀頭獲得。仿型模型的形狀輪廓運(yùn)動(dòng)，而刀頭重復(fù)仿型運(yùn)動(dòng)。
銑削工藝設(shè)計(jì)所考慮的一般原則是：
（1） 只要有可能，將零件設(shè)計(jì)成安裝一次能銑削表面的數(shù)量最多：
（2） 為了能夠使多刀銑削，將零件設(shè)計(jì)成能同時(shí)銑削幾個(gè)表面；
（3） 應(yīng)當(dāng)首先銑最大的平面，這樣，所有尺寸都能同時(shí)銑削幾個(gè)平面為基準(zhǔn)；
（4） 由于銑刀是回轉(zhuǎn)的，所以不可能銑削方形內(nèi)角。
磨床
磨床把磨料粘接成各種形狀和大小的輪子和帶子作為切削介質(zhì)。磨削工藝可以加工出表面光潔度質(zhì)量很高的零件，并提高零件的尺寸精度，因?yàn)槟ハ鞯墓羁梢赃_(dá)到0.00025mm。磨床根據(jù)加工出的表面的形狀分類。根據(jù)加工一般表面分類，磨床有表面磨床、外圓磨床和專用磨床。
磨削加工在工件生產(chǎn)中顯得極為重要，有如下幾個(gè)原因：
（1） 磨削加工是切削淬硬過的工具鋼或其它熱處理過的鋼的最通用的方法。零件可以先加工再熱處理，最后磨削到所要求的尺寸和表面光潔度。
（2） 磨削加工能磨出的表面光潔度為0.5微米，而費(fèi)用并不昂貴。
（3） 磨削加工可在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)保證尺寸精度，因?yàn)槟ゴ材芴峁┰隽繛槿f分之一英寸的進(jìn)刀運(yùn)動(dòng)，而不是像其它機(jī)床那樣僅有千分之幾英寸。
（4） 可加工極小而薄的零件。由于施加的磨削壓力很小，減小了工件偏離刀具的趨勢(shì)。
在外圓磨床上，吃刀深度靠移動(dòng)砂輪頭來控制，包括控制砂輪及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)。冷卻劑用來減少熱變形，帶走切屑和磨削粉塵。
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