機械制造技術基礎第13講(2015)

三、鏜孔鏜孔是在預制孔上用切削刀具使之擴大的一種加工方法，其加工范圍很廣，可以對不同直徑的孔進行粗加工、半精加工和精加工。鏜孔工作既可以在鏜床上進行，也可以在車床、銑床、數控加工中心及自動機床上進行。第三節(jié)孔加工1．鏜孔方式（1）工件旋轉，刀具作進給運動這種鏜孔方式適于加工與外圓表面有同軸度要求的孔。圖3-37工件旋轉、刀具進給的鏜孔方式刀具進給方向與工件回轉軸線平行刀具進給方向與工件回轉軸線不平行（2）刀具旋轉，工件作進給運動這種鏜孔方式鏜桿的懸伸長度一定，鏜桿變形對孔的軸向形狀精度無影響。但工作臺進給方向的偏斜會使工件孔中心線產生位置誤差。圖3-38a）刀具旋轉、工件進給的鏜孔方式1-鏜桿2-鏜刀3-工件4-工作臺5-主軸6-拖板7-鏜模圖3-38b為專用鏜模鏜孔，鏜桿與機床主軸浮動聯接，鏜桿支承在鏜模的兩個導套中，剛性較圖3-38b）刀具旋轉、工件進給的鏜孔方式1-鏜桿2-鏜刀3-工件4-工作臺5-主軸6-拖板7-鏜模好。此時對所加工孔的位置精度由鏜模精度直接保證。在專用鏜模上用普通鏜刀鏜孔時，鏜桿變形量的大小將隨著鏜模的移動而發(fā)生變化，致使工件孔產生縱向形狀誤差。可改用雙刃浮動鏜刀解決此類問題。圖3-38b）刀具旋轉、工件進給的鏜孔方式1-鏜桿2-鏜刀3-工件4-工作臺5-主軸6-拖板7-鏜模普通鏜刀浮動鏜刀（3）刀具即旋轉又進給這種鏜孔方式因鏜桿圖3-38刀具既旋轉又進給的鏜孔方式1-鏜桿2-鏜刀3-工件4-工作臺5-主軸的懸伸長度是變化的，所以鏜桿的受力變形也是變化的，鏜出來的孔必然會產生形狀誤差。此外，鏜桿的懸伸長度增大，主軸因自重引起的彎曲變形也增大，孔軸線將產生相應的彎曲。這種鏜孔方式只適于加工較短的孔。圖3-38刀具既旋轉又進給的鏜孔方式1-鏜桿2-鏜刀3-工件4-工作臺5-主軸2．金剛鏜由于金剛鏜最初是用金剛石鏜刀加工，故稱金剛鏜?，F在普遍采用硬質合金、CBN和人造金剛石刀具材料。金剛鏜的特點是背吃刀量和進給量小，切削速度高，它可以獲得很高的加工精度（IT7~IT6級）和很光潔的表面（Ra為0.4~0.05μm）。金剛鏜最初用于加工有色金屬工件，現在也廣泛用于加工鑄鐵件和鋼件。但需注意的是，在加工鑄鐵件和鋼件時，只能使用硬質合金或CBN制作的鏜刀。金剛鏜的加工質量好，生產效率高，在大批大量生產中它被廣泛用于精密孔的最終加工。3．鏜刀鏜刀可分為單刃鏜刀和雙刃鏜刀。圖3-40單刃鏜刀通孔單刃鏜刀盲孔單刃鏜刀圖3-41所示的浮動的雙刃鏜刀，可消除因鏜刀安圖3-41浮動鏜刀裝誤差或鏜桿偏擺引起的誤差；但它與鉸孔相似，只能保證尺寸精度，不能校正鉸孔前孔軸線的位置誤差。4．鏜孔的工藝特點及應用范圍鏜孔和鉆—擴—鉸工藝相比，孔徑尺寸不受刀具尺寸的限制，且鏜孔具有較強的誤差修正能力，可通過多次走刀來修正原孔軸線偏斜誤差，而且能使所鏜孔與定位表面保持較高的位置精度。鏜孔時，由于刀桿系統的剛性差、變形大，散熱排屑條件不好，工件和刀具的熱變形較大。綜上分析可知，鏜孔工藝范圍廣，可加工各種不同尺寸和不同精度等級的孔，對于孔徑較大、尺寸和位置精度要求較高的孔和孔系，鏜孔幾乎是唯一的加工方法。鏜孔的加工精度為IT9～IT7級，表面粗糙度Ra為3.2~0.8μm。第四節(jié)平面及復雜曲面加工一、概述二、銑平面1.銑削方式銑平面有端銑和周銑兩種方式。按照銑平面時主運動方向與進給運動方向的相對關系，周銑有順銑和逆銑之分。工件進給方向與銑刀的旋轉方向相反稱為逆銑；工件進給方向與銑刀的旋轉方向相同稱為順銑。順銑和逆銑各有特點，應根據加工的具體條件合理選擇。圖3-50順銑與逆銑a）b）逆銑順銑（1）從切屑截面形狀分析逆銑時，刀齒的切削厚度由零逐漸增加，由于切削刃鈍圓半徑的影響，刀齒在已加工表面上滑擦一段距離后才能真正切入工件，因而刀齒磨損快，加工表面質量較差。順銑時則無此現象。順銑時銑刀壽命比逆銑高2~3倍，加工表面質量也比較好，但順銑不宜銑帶硬皮的工件。圖3-50順銑與逆銑逆銑順銑（2）從工件裝夾可靠性分析逆銑時，刀齒對工件的垂直作用力Fv向上，容易使工件的裝夾松動；順銑時，刀齒對工件的垂直作用力Fv向下，使工件壓緊在工作臺上，加工比較平穩(wěn)。圖3-50順銑與逆銑逆銑順銑（3）從工作臺絲杠、螺母間隙分析逆銑時，工件承受的水平銑削力FH與進給速度vf的方向相反，銑床工作臺絲杠始終與螺母接觸。vfvFHFvⅠ圖3-51銑削時絲杠和螺母的間隙a）逆銑螺母固定絲杠移動順銑時，工件承受的水平銑削力FH與進給速度vf

相同，由于絲杠螺母間有間隙，銑刀會帶動工件和工作臺竄動，使銑削進給量不均勻，容易打刀。采用順銑法加工時必須采取措施消除絲杠與螺母之間的間隙。vfFHFVv圖3-51銑削時絲杠和螺母的間隙b）順銑螺母固定絲杠移動端銑時，銑刀刀齒切入切出工件階段會受到很大的沖擊。由圖3-52可知，從減小刀齒切入工件時圖3-52對稱銑和不對稱銑a）對稱銑b）不對稱銑受到的沖擊考慮，圖3-52b所示的不對稱銑比圖3-52a所示的對稱銑較為有利。2.銑刀及其幾何角度銑刀的種類很多，如圖3-53所示。圖3-53銑刀的類型圓柱銑刀面銑刀三面刃銑刀圖3-53銑刀的類型鋸片銑刀立銑刀鍵槽銑刀圖3-53銑刀的類型模具銑刀角度銑刀成形銑刀下面主要介紹圓柱銑刀和面銑刀。（1）圓柱形銑刀的結構刀齒排列在刀體圓周上的銑刀稱為圓柱形銑刀。整體圓柱銑刀它的結構形式分為由高速鋼制造的整體圓柱形銑刀（圖3-53a）和鑲焊硬質合金刀片的鑲齒圓柱形銑刀（圖3-54）。圖3-54鑲齒圓柱形銑刀圓柱形銑刀一般采用螺旋刀齒，以提高切削工作的平穩(wěn)性。（2）面銑刀的結構面銑刀的刀齒排列在刀體端面上，硬質合金面銑刀是加工平面的最主要刀具。焊接夾固式面銑刀的結構如圖3-55所示。這種銑刀有兩種重磨方式：一種是體內刃磨；另一種是體外刃磨。圖3-55焊接夾固式面銑刀將刀片用機械夾固方式固定在刀體上的面銑刀叫做機夾可轉位面銑刀。圖3-56錐柄機夾可轉位面銑刀（3）銑刀的幾何角度圖3-57銑刀的幾何角度a）圓柱形銑刀β圓柱銑刀和面銑刀是銑刀的基本形式，圖3-57給出了這兩種刀具的幾何角度。圖3-57銑刀的幾何角度b）面銑刀3.銑削的工藝特點及應用范圍由于銑刀是多刃刀具，刀齒能連續(xù)地依次進行切削，且主運動為回轉運動，可實現高速切削，故銑平面的生產效率一般都比刨平面高。其加工質量與刨平面相當，經粗銑—精銑后，尺寸精度可達IT9~IT7級，表面粗糙度Ra可達6.3~1.6μm。由于銑平面的生產率高，故在大批大量生產中銑平面已逐漸取代了刨平面。在成批生產中，中小件加工大多采用銑削，大件加工則銑、刨加工兼用，一般都是先粗銑后精刨。而在單件小批生產中，特別是在一些重型機器制造廠中，刨平面仍被廣泛采用。另外，因刨平面不能獲得足夠的切削速度，故有色金屬材料的平面加工幾乎全部都用銑削。三、復雜曲面加工曲面加工在機械制造中也占一定比例。從表面成形的觀點分析，有些曲面在形成原理上與平面相同。但另外還有一類曲面，如螺旋槳的表面，渦輪葉片表面，復雜模具型腔面等，其表面形狀比較復雜，不能用基本立體幾何要素（例如棱柱、棱錐、球等）描述，通常稱之為復雜曲面。復雜曲面的切削加工方法有仿形銑和數控銑兩種，使用的刀具一般為頭部為圓形的球頭銑刀。目前數控銑削已成為復雜曲面切削加工最主要的方法。大型的復雜曲面需要在多軸聯動加工中心上加工，加工中心上設有刀庫，一般都配備十幾把、幾十把甚至上百把刀具用來完成不同曲率半徑曲面的粗、精加工。第五節(jié)數控機床與數控加工一、數控機床的加工原理1.數控機床及其坐標系用數字化信息進行控制的技術稱為數字控制技術；裝備了數控系統，能應用數字控制技術進行加工的機床稱為數控機床。數控機床按用途分為普通數控機床和加工中心兩大類。數控機床的加工原理如3-58圖所示。輸入裝置數控裝置伺服系統機床本體反饋裝置加工程序輸入裝置、數控裝置、伺服系統和機床本體是數控機床的四個基本組成部分。

圖3-58數控機床的加工原理框圖在數控機床中，機床直線運動的坐標軸按照ISO841和我國的JB/T3051-1999標準，規(guī)定為右手直角笛卡爾坐標系。

圖3-59數控機床的坐標系機床數控系統能夠控制的運動數目通常稱為坐標（軸）數。數控機床在加工過程中不同坐標軸之間可以聯動，所謂聯動是指機床可在各坐標軸方向按一定的速度和軌跡同時獨立運動，它們的合成運動速度及軌跡符合預先規(guī)定的加工要求。

2.數控機床的數控裝置數控機床早期的數控裝置使用專用計算機，稱為（普通）數控（NC）。而目前數控裝置采用的是通用計算機，稱為計算機數控（CNC）。CNC裝置是數控機床的控制中心，由它接收和處理輸入信息，并將處理結果通過接口輸出，對機床進行控制。數控機床數控系統的組成如圖3-60所示，圖中點劃線框內的部分構成CNC裝置。圖3-60數控機床數控系統的組成CNC裝置的主要功能為：（1）功能控制控制機床冷卻液供給、主軸電機開停、調速以及換刀等功能。（2）位置控制控制刀具與工件的相對運動位置或軌跡。（3）信號處理對系統運行過程中得到的機床狀態(tài)信號進行分析處理，使系統作出相應的反應。3.數控機床的進給伺服系統數控機床的進給伺服系統由伺服驅動電路、伺服驅動裝置，機械傳動機構及執(zhí)行部件組成。其作用是接受數控裝置發(fā)出的進給速度和位移指令信號，由伺服驅動電路作數模轉換和功率放大后，經伺服驅動裝置和機械傳動機構驅動機床的執(zhí)行機構，以某一確定的速度、方向和位移量，沿機床坐標軸移動，實現加工過程的自動循環(huán)。數控機床的進給伺服系統按位置檢測和反饋方式的不同分為以下兩類：（1）開環(huán)伺服系統（圖3-61）圖3-61開環(huán)伺服系統（2）閉環(huán)伺服系統（圖3-62）圖3-62閉環(huán)伺服系統數控機床的檢測反饋信號不是取自機床終端運動部件的閉環(huán)系統稱為半閉環(huán)系統（圖3-62中虛線部分）。圖3-62閉環(huán)伺服系統二、數控銑床及加工中心的主運動及進給運動系統1.主運動系統數控銑床的主運動系統應比普通銑床有更寬的調速范圍，以保證加工時能選用合理的切削速度，充分發(fā)揮機床性能。而加工中心為適應各種不同類型刀具和各種材料的切削要求，對主軸的調速范圍要求更高。為保證數控機床總是能在最有利的切削速度下進行加工，數控機床的主軸轉速在其調速范圍內通常都是無級調速的。

在數控機床中，由于機床主軸的變速功能主要是通過主軸電動機的無級調速來實現的，故其主運動傳動系統的結構相對比較簡單。數控機床和加工中心的主傳動系統有以下三種不同形式：（1）電動機直接帶動主軸旋轉其優(yōu)點是結構緊湊，缺點是主軸的轉速—轉矩輸出特性和電動機輸出特性相同，使用上受到一定限制。圖3-63數控機床主傳動系統的三種形式（2）電動機經V帶或同步齒形帶傳動主軸其優(yōu)點是結構簡單，安裝調試方便，機床主軸的圖3-63數控機床主傳動系統的三種形式轉速—轉矩輸出特性可得到改善。這種傳動方式主要用于轉速較高、變速范圍不大、扭矩特性要求低的主軸傳動。（3）電動機經1~4對變速齒輪傳動主軸其優(yōu)點是機床主軸的轉速—轉矩輸出特性好，缺圖3-63數控機床主傳動系統的三種形式點是結構復雜。圖3-63c所示帶有變速齒輪的主傳動是大中型數控機床經常采用的傳動形式。在帶有變速齒輪的主軸箱中，齒輪變速大多采用液壓撥叉或直接由液壓缸帶動齒輪來實現。圖3-64是三位液壓撥叉的原理圖。

圖3-64三位液壓撥叉的工作原理1、5-液壓缸2-活塞桿3-撥叉4-套筒2.刀具自動夾緊裝置和主軸周向定向裝置加工中心為了實現刀具在主軸上的自動裝卸，要求配置刀具自動夾緊裝置，其作用是自動地將刀具夾緊或松開，以便機械手能在主軸上安放或取走刀具。圖3-71為JCS—018型立式加工中心的主軸結構圖，刀具自動夾緊裝置裝在主軸內孔中。圖3-71主軸結構1-刀柄2-主軸3-拉釘4-鋼球5-蝶形彈簧6-拉桿7-螺旋彈簧8-活塞9、10-行程開關圖3-72是一種使用彈性卡爪的刀具自動夾緊機構圖3-72使用彈性卡爪的刀具自動夾緊機構1-主軸2-刀柄3-拉釘4-彈性卡爪

5-蝶形彈簧6-拉桿在刀具切削時，通常在主軸前端設置兩個端面鍵來傳遞切削轉矩。換刀時，刀柄上的鍵槽必須對準端面鍵。為此，主軸在停止轉動時，要求主軸必須準確地停在某一指定的周向位置上，主軸定向裝置就是為保證換刀時主軸能準確停止在換刀位置而設置的。圖3-73主軸周向定向裝置示意圖1-塔輪2-磁感應器3-發(fā)磁體4-墊片3.進給運動系統數控機床進給運動系統與普通機床不同。伺服電動機在接收到控制系統發(fā)出的指令信號后產生相應的角位移運動，再通過減速齒輪傳動或直接帶動絲杠螺母副運動轉換成縱向、橫向或垂直向的直線運動。因此，數控機床進給系統的機械傳動機構變得十分很簡單。在數控機床的進給系統中普遍采用滾珠絲杠副。圖3-65為滾珠絲杠的結構示意圖。圖3-65滾珠絲杠的結構示意圖1-絲杠2-螺母3-滾珠4-插管為了提高滾珠絲杠的軸向剛度，滾珠絲杠常用推力軸承來支承。滾珠絲杠常用的支承方式見圖3-66。

圖3-66滾珠絲杠常用的支承方式為了提高傳動精度的穩(wěn)定性及進給系統的剛度，應消除絲杠螺母間隙和對絲杠螺母預加載荷。圖3-67絲杠螺母的預緊三、JCS-018型立式加工中心1.機床布局JCS-018型立式加工中心是一種具有自動換刀裝置的數控立式鏜銑床。在工件的一次裝夾中，機床可連續(xù)自動地對其上平面進行銑削和對垂直孔進行鉆、擴、鉸、鏜、锪、攻絲等多種加工。JCS-018型立式加工中心外形及布局見圖3-68。圖3-68JCS-018型立式加工中心1-床身2-滑座3-工作臺4-立柱5-數控柜6-刀庫

7-機械手8-主軸箱9-操作面板10-驅動電柜2.傳動系統如圖3-68所示為JCS-018型立式加工中心的傳動系統簡圖。圖3-69JCS-018型立式加工中心傳動系統簡圖3.伺服進給系統JCS-018型立式加工中心工作臺縱向（X軸）伺服進給裝置如圖3-70所示。圖3-70工作臺縱向（X軸）伺服進給裝置1-電動機2-錐環(huán)無鍵聯軸器3-十字滑塊聯軸器4-絲杠5、8-螺母6-墊圈7-聯接鍵9-螺母座4.主要部件結構（1）主軸部件（2）自動換刀裝置JCS-018型立式加工中心設有刀庫式自動換刀裝置，它安裝在立柱左側上部，由刀庫和機械手兩部分組成，刀庫可容納16把刀具。圖3-74給出了刀庫及刀座的主要結構。圖3-74刀庫及刀座1-撥叉2-刀座頂部滾子3-支承板4-刀座5-滾子6-固定導盤

7-刀庫圓盤8-蝸輪9-蝸桿10-彈簧球頭銷11-彈簧12-銷JCS-018機床上使用的換刀機械手為回轉式單臂雙手機械手。在換刀過程中（參見圖3-75），機械手要完成抓