-
车床及其结构
车床是主要用于生成旋转表面和平整边缘的机床。
根据它们的使用目的、
结构、
能同时被安装刀具的
数量和自动化的程度，
车床
—
或更确切
地
说是车床类的机床，可以被分成以下几类：
(1)
普通车床
(2)
万能车床
(3)
转塔车床
(4)
立式
车床
(5)
自动车床
(
6)
特殊车床
虽然车床类的机床多种多样，
但它们在结构和操作原理上具有共同特性。
这些特性可
以通过普通车床这一最常用的代表性类型来最好地说
明。
下面是关于图
11.1
所示普通车
床的
主要部分的描述。
车床床身：车床床身是包含了在两个垂直支柱上水平横梁的主骨架。为减振它一般
由灰铸铁或球墨铸铁铸造而成。
它上面有能
让大拖板轻易纵向滑动的导轨。
车床床身的高度应适当以让技师容易而舒适地工
作。
主轴箱：主轴箱固定在车床床身的左侧，它包括轴线平行于导轨的主轴。主轴通过
装在主
轴箱内的齿轮箱驱动。
齿轮箱的功能是给主轴提供若干不同的
速度
(
通常是
6
到
18
速
)
。
有些现代车床具有采用摩擦、
电力或液压驱动的无级调速主轴
箱。
主轴往往是中空
的，即纵向有一通孔。如果采取连续生产，棒料能通过此孔进给。
同时，
此孔为锥形表面可以安装普通车床顶尖。
主轴外表面
是螺纹可以安装卡盘、
花盘或类
似的装置。
尾架：尾架总成基本包括三部分，底座、
尾架体和套筒轴。底座是能在车床床身上
沿导轨滑动的铸件，它有一定位装置能让整个尾
架根据工件长度锁定在任何需要位置。
尾架体为一能横向运动
的铸件，
它可以调整尾架轴线与主轴箱轴线成一直线。
第三部分
，
套
筒轴是一淬硬钢管，它能根据需要在尾架体中纵向进出移动
。
这通过使用手轮和螺杆来达到，
与
螺杆啮合的是一固接在套筒轴上的螺母。
套筒轴开口端的
孔是锥
形的，
能安装车床顶尖或诸如麻花钻和镗杆之类的工具。
套筒轴
通过定位装置能沿着
它的移动路径被锁定在任何点。
大拖板：
大拖板的主要
功能是安装刀具和产生纵向和
/
或横向进给。
< br>它实际上是一由
车床床身
V
形导
轨引导的、能在车床床身主轴箱和尾架之间滑动的
H
形滑块。<
/p>
大拖板能手动或者通过溜板箱和光杆
(
进给杆
)
或丝杆
(
引导螺杆
)
机动。
在切削螺旋时，动力通过丝杆提供给
溜板箱上的齿轮箱。在其余车削作业中，都由
光杆驱动大拖板。丝杆穿过一对固定在溜板
箱后部的剖分螺母。
当开动特定操作杆时，
< br>剖分螺母夹在一起作为单个螺母与旋转的丝杆啮合，
并带动拖板沿着
床身提供进给。当操作杆脱离时，剖分螺母释放同时大拖板停止运动。
另一方面，当使用光杆时则通过蜗轮给溜板箱提供动力。
蜗轮用键连接在光杆上，并与溜
板箱一起沿光杆运动，光杆全长范围
开有键槽。
现代车床一般在主轴箱下装备快速变换齿轮箱，<
/p>
通过一系列齿轮由主轴驱动。
它与光杆和丝
杆连接，能容易并快速地通过简单转换适当的操作杆选择各种进给。
快速变换齿轮箱可用于普通车削、
端面切削和螺旋切削作业中。
由于这种齿轮箱与主轴相连，
主轴每转一圈溜板箱
(<
/p>
和切削刀具
)
运动的距离能被控制，这距
离就可以被认为是进给。
?
车床切削刀具
车床刀具的形状和几何参数取决于它们的使用目的。
车削刀具可以分为两个主要组别，
即外部切削刀具和内部切削刀具。
这两组中的每一组都包
括以下类型刀具：
车削刀具：车削刀具可以是精车刀具或粗车刀具
。粗车刀具刀尖半径较小，用于深
切削。
而精车刀具刀尖半径较大，
用于通过微量进刀深度来获得具有较好表面光洁度的最终
所需尺
寸。
粗车刀具按其进给方向可以是右手型的或是左手型的
。
它们可以有直的、
弯的或偏置的
刀杆
。
端面刀具：端面刀
具用在端面作业中加工平板侧面或端部表面，也有加工左右侧表
面之分。与一般采用纵向
进给的车削作业相反，那些侧表面通过采用横向进给产生。
切断刀具：
切断刀具，
有时也称为分割
刀具，
用于将工件分割成若干部分和
/
或加工
外部环形槽。
螺纹切削刀具：螺纹切削刀具根据所需螺纹的横截面，有三角形的、矩形的或梯形
的切削刃。同时，这些刀具的平面角必须始终与螺纹形状的平面角保持一致。
< br>
车外螺纹的螺纹切削刀具为直刀杆，而车内螺纹的螺纹切削刀具则是弯刀杆。<
/p>
成形刀具：成形刀具有
专门制成特定形状的刀刃，这种刀刃形状与被加工工件所需
外形正好相反。
高速钢刀具通常以单件形式制造，
而硬质合金或陶
瓷刀具则以刀尖形式制造。
后者用铜焊或
机械方法固定于钢质刀
杆上。
图
11.2
< br>所示为机械式固定布置方式，它包括了硬质合金刀尖、断屑槽、衬垫、卡装螺杆
(
带
有垫圈和螺母
)
及刀杆。
顾名思义，
断屑槽的功
能就是不时地折断长切屑，
以防形成很长的可能会在机加工操作中引
起问题的缠绕切屑条。
硬质合金刀尖
(
或陶瓷刀尖
)
根据采用它们的机
加工操作，
可以有不同的形状。
根据将刀尖装
< br>配在刀杆上是通过用铜焊还是机械卡装，刀尖可以是实心的或是带有中心通孔的。
?
车床操作
在下面这节中，要讨论的是能在传统普通车床上
进行的各种机加工作业。
然而，
必须
记住现代计算机数控车床具有更多的功能并且可以进行其它操作，
例如仿型。
下
面是传统车床的操作。
圆柱面车削：圆柱面车削是所有车床操作中最简
单也是最普通的。工件旋转一整圈
产生一个圆心落在车床主轴上的圆；由于刀具的轴向进
给运动这种动作重复许多次。
所以，
由此产生的机加工痕迹是一条具有很小节距的螺旋线，
该节距等于进给。
因此机加工
表面始终是圆柱形的。
轴向进给通过大拖板或复式刀架手动或自动提供
，
然而切削深度则由横向滑板控制。
粗车中，推荐使用较大切削深度
(
根据工件材料可达
0.25
英寸或
6
毫米<
/p>
)
和较小进给。另一方
面，精车则最好采
用很小的进给、较小的切削深度
(
小于
0.05
英寸或
0.4
毫米
)
和较高的切削
速度。
端面车削：端面车削操作的结果是将工件整个端
部表面或者像轴肩之类的中间环形
表面加工平整。
在端面车削操
作中，
进给由横向滑板提供，
而切削深度则通过大拖板或复式<
/p>
刀架控制。
端面车削既可以从外表面向
内切削也可以从工件中心往外切削。
很明显在这两种情况下机加
工痕迹都是螺线形式。
通常在端面车削作业时习惯于采用夹住
大拖板，这是因为切削力倾向于将刀具
(
当然包括整
个大拖板
)
推离工件。在大多数端面车削作业中，
工件被支撑在卡盘或花盘上。
开槽：在切断和开槽操作中，刀具只有横向进给。要采用前面已经讨论过的切断和
开槽刀具。
镗孔和
内部车削：镗孔和内部车削通过镗杆或合适的内部切削刀具在内表面进行。
如果初始工件
是实心的，
则必须首先进行钻孔作业。
钻孔刀具安装在尾架上，
然后对着工件
进给。
锥面车削：锥面车削通过沿着与车床主轴不平行
而倾斜成一个等于锥面所需角度的
方向进刀来实现。下面是在实际锥面车削中采用的不同
方法：
(1)
将复式刀架盘旋转一
个等于圆锥体顶角一半的角度。
通过摇动复式刀架操纵柄手动提供
进给。当锥角相对较大时切削外锥面和内锥面推荐使用这种方法。
(2)
对很短的外锥面采用特殊的成型刀具。
工件的宽度必须略小于刀具的宽度，
并且工件通
常由卡
盘支撑或夹紧在花盘上。
在这种情况下，
机加工作业时只有横向
进给而大拖板则夹紧
在床身上。
(3
)
偏移尾架顶尖。
对需要较小锥角
(<
/p>
小于
8
°
) <
/p>
的较长工件外锥面车削采用这种方法。
工件安
装于两顶尖之间；然后将尾架顶尖朝垂直于车床主轴方向移动一距离
S
。
(4)
采用锥面车削
附加装置。
这种方法用于车削很长的工件，
其长度大于复式刀架
的整个行
程。
在这种场合下要遵循的步骤是将横向滑板完全脱离
大拖板，
然后通过锥面车削附加装置
进行引导。
在此作业中，能照常使用自动轴向进给。对具有较小锥角
(
即
8
°
到
10
°
)
的
很长工件推荐采用
这种方法。
螺纹切削：在螺纹切削作业时，轴向进给必须保持恒定速率，这取决于工件的转速
(rpm)
。两者之间的关系基本上由被切削螺纹所需的节距决定。<
/p>
如前所述，当依靠驱动
大拖板的丝杆切削螺纹时轴向进给是自动产生的。丝杆旋转
一圈，大拖板就行进等于丝杆
节距的一段距离。
因此如果丝杆的旋转速度等于心轴的转速<
/p>
(
即工件的转速
)
，
生成切削螺纹的节距就正好等于
丝杆的节距。
所以被切削生成螺纹的节距总是取决于丝杆和心轴的转速比：丝杆的节距<
/p>
/
工件所需节距
=
工件转速
/
丝杆转速
=
心轴到大拖板的传动比。
这公式在决定车床心轴和丝杆之间的运动学关系时很有用，并且提供了正确挑选它
们之间轮系的方法。
在螺纹切削作业中，工件既能支撑于卡盘中，对相对较长的工件也能安装在两个车
床顶尖之间。
使用的刀具外形必须正好与要切削螺纹的轮廓一致，
即三角形刀具必须用于三
角形螺纹等等。
滚花：滚花主要是一种不产生切屑的成型操作。
它使用两个带有粗锉式表面的淬火
滚轮压在旋转的工件上使工件金属产生塑性变形。
滚花用于生成粗糙的圆柱
(
或圆锥
)
面
，通常用来作手柄。有时表面滚花只为装饰之
故；有不同的滚花图案类型可供选择。
?
Cutting Speeds
and Feed
切削速度和进给
切削速度，通常用每分钟表面英尺给出，就是一分钟内工件
(<
/p>
被切削
)
表面给定点在
< br>圆周方向上行进的英尺数。
表面速度与转速之间的关系可以用下式给出：
SFM=
π
DN
式中
D=
用英尺表示的工件直径
N=
转速
表面切削速度主要由被切削材料和切削刀具材料决定，可以从手册、切削刀具生产
商提供的资料及类似的东西上查取。
一般而
言，
SFM
当机加工冷轧或低碳钢时取
100
，
机加工较坚韧的金属时取
50
，
而机加工较软
材料时取
200
。对铝而言，
SFM
通常可取
400
以上。也还存在其它一些变量影响表面切削速度
的最佳值。
其中包括刀具形状、
润滑剂或冷却液的类型、
进给和切削深度。
切削速度一旦确定，
心轴转
速
(rpm
)
就能按下式得到：
N=SFM/(
π
D)
合适进给的选择取决于许多因素，例如所需表面光洁度、切削深度和所用刀具的几
何形状。
进给越小生成的光洁度越好，
而在刀
具与工件直接接触时进给越大则可以减少机加
工时间。
所以对粗车一般推荐使用较大进给，
而精车则用较小进给。
再者，
作为指导方针的进给推荐
值可以从手册和
切削刀具生产商提供的资料小册子上找到。
Unit 1
1
中央控制单元
（
CPU
）
的功能是
控制所有系统部件的运行和对数据进行数字的或是逻辑的操
作。为了完成上述功能，
CPU
由以下两个单元组成
2
．
控制单元
．
数字逻辑单元
3
控制单元通过程序指令来协调大量的特种操作，这些操作包括接受输入计算机的数据，并
决定和是以何种方法来处理这些数据。
控制单元能指挥数字逻辑单元的操作，
他把数据发送
给
ALU
来告诉
ALU
根据这些数据该运行什么功能，
并且在哪里把结果存储下来。
控制单元完成
上述操作的
能力基于其安装了一个具有储存与记忆功能的总控程序机构。
4
数字逻辑单元运行诸如加减比较之类的操作。这些操作是根据数据以二进制的形式表现
出
来的。
在指示了确定的条件下，
逻辑
部也可以用来改变命令执行的次序。
此外，
逻辑部分还
具有编辑或清除数据等功能。
5
控制单元和数字逻辑单元都是得用寄存器来完成他们的功能的，计算机寄存器是一个可以
接收短暂存储，
转移数据的小记忆装置。
根据计算机
能力的不同，
寄存器能建立出相应的字
节数的字长。每个词的字
节数从
4
到
64
不等！
Unit 2
生产设备的数字控制
（
1
）数控是程序控制的自动化，在数字控制系统中，设备通过数字，字母和符
号来编码，
以一种合适的格式为每一个特定的零件
或工件定义一个程序指令集。
当工件变化时，
程序
也变化，
改变程序的能力也就是适合中小
批量生产。写一个新程
序比改变大量生
产设备要容易的多。
（
2
）基本结构：数控系统由下面三部
分组成：
1.
控制程序；
2.
机器控制单元；
3.
加工设备。
三部分的基本关系，
由图
2.1
所示。
程序输入到控制单元由送入的程序来引导加工设备控制。
（
3
）指导程序
是一步步详细的指导加工设备的指令。通常指令把主轴上刀具相对于安装工
具的工作台定
位。更多先进的说明包括
主轴的转速，加工工具的选择及其功
能。程序刻在合适的介质中，提交到机器控制单元中，
在过去几十年中，最常用的介质是
一英
寸宽的打孔纸带。由于打孔纸带的广泛使用，
NC
有时也叫纸带控制，然而这是现代数控使
用的误称。现在进入使用更多的是
磁带
和软盘。
（
4
）
机器控制单元
（
MUC
）
由电子和控制硬
件组成，
机器控制单元可以读出和执行指令程序，
可以自动改变
加工工具和其他加工
设备。
（
5
）执行单元是数控系统的第三基础部分，
执行原件是有效执行工作的原件，最常见的数
控例子其中的一个加工操作，加工设备
由工作台和主轴组成，
就像用电动机来驱
动一样。
加工设备由控制单元来驱动控制系统的类
型。
控制系统的类型
（
6
）数控有
2
种基本类型，点对点式和轮廓式控制，点对点式控制也称定位控制，每个轴
都是通过丝
杠单独驱动，根据加工类型
不同，
加
工速度也不一样。
机器开始以最大速度运行来减少非加工时间，
但当他达到数据定
义的位置时，机器开始减速。因此在一
个操作中，
如钻或冲孔操作先定位在加工。
在钻或冲孔之后，
迅速收起工具移动到另一个位
置重复此操作。
从一个位置移到另一个
位置是非常重要的，
< br>要遵循一个原则，
从效率上考虑只要时间最短即可。
点对
点系统主要用
于钻，冲孔，直铣操作中。
（
7
）轮廓式也就是连续路径式系统，定位和切削同时按不
同速度来控制，由于刀具在指定
路线运动同时切削，因此速度和运动的
< br>
同步控制是非常重要的。轮廓式系统常用于车床铣床磨床焊接设备和加工中心。
（
8
）沿着
路径的运动或以增量差补是几个基本方式的一个，在所有的差补中，要控制刀具
的回转中
心定位，补偿可以以不同直径
及刀具磨损，在数控程序中进行改写。
（
9
）有一些已形成差补方案来处理数控系统中连续路径和加
工系统产生的问题包括：
1.
线性差
补；
2.
圆弧差补；
3.
螺旋线差补；
4.
抛物线差补；
5.
立体差补
（
10
）
每一种差补程序都允许程序源产生加工指令，<
/p>
适用于相对少的输入参数的直线或曲线
路径。储存在数控单元中的
模块预算指
引工具沿计算出的路径运动。
（
11
）
线性差补是最基本的差补方法，
用于连续路径的数控系统中。
两轴和三轴线性差补路
线在实际中有时会分辨出的，但在概念
上他们是一样
的，
程序源要明确指定直线的起点和缺点及沿直线的进给率。
差
补需计算两轴
或三轴的进给速率以达到设定的进给速
度。
（
12
）
线性差补用来差补圆是不合适的因为程序源需要明确指定线段
部分
（线段数量）
和各
自的终点来大约
模拟圆弧。圆弧差补法
已形成他允许程序编程的路径，
使用圆弧只要给定以下参数，
圆弧终点坐标，
圆心坐标，
半
径和刀具沿圆弧路径的走刀方向。圆弧
差补也是由许多小的直线段来实现的，
但这些小
线段的参数由差补模块来计算出来的，
而不
是程序员设定的。切
削是沿着每一小线
段一个一个的进行以产生光滑曲线路径。<
/p>
圆弧差补的局限性是圆弧路径所在平面是由数控系
统中两轴所决定
的平面。
（
13
）螺旋线差补结合了环形差补两轴在第三轴上做线性运动这样来定义空间三维螺旋路
径。
（
14
）
抛物线差补和立方差补法通过高次高程来实现自由曲线。
这通
常需要有强的计算能力，
正因如此，他不如直线差补和环形差
补常见。
他们主要用于汽车工业中具有自由风格的车身面，
而这是线性差补和圆弧差补不能
精确容易得到的。
< br>
（
15
）
数控技术运用于数控机床，
这是数控的主要应用。
现在主要
用于商业。
我们仍讨论数
控系统特别是金属数控车床。
数控车床技术
（<
/p>
16
）
种加工过程都可以在设计的专门车
床上来实现加工。
在车床上车削，
在钻床上钻，
在
铣床上加工。有几种类型的磨削方法也
要有相应种类的磨床。
被设计的数控磨床可以进行下列加工包括：
1.
钻加工；
2.
铣床
立式和
卧式主轴；
3.
车床卧式主轴和
立式主轴；
4.
卧式和立式镗床；<
/p>
5.
仿形铣床；
6.
平面磨和圆柱磨
（
17
）
除了上述几种机械加工方法，
数控机床可用于
其他金属加工过程包括：
用于薄片板的
金属板上冲孔的冲压机，
用于薄片金属
弯曲的折弯机。
（
18
）
数控技术
的介入到机加工对机床的设计和运用有着显著的影响。
数控影响之一在程序
控制下切削金属的时间与传统手动机床
__
大得多
。
所以对于一些零件如主轴驱动主轴丝杠磨损更快，
这些零件要
设计成持续时间长的。
第二，增加电子控制单元后设备成本
<
/p>
也随之增加，
因此需要更高的利用率。
取
代传统手工操作的一班制，
数控机床通常采用两班
或三班制来获
得更多的回报。数控机床
的设计中减少了非操作过程的时间如
装卸工件和换刀时间。
第三，
增加的劳动成本由人工成
本变为设备成本。考虑到人工操作的角
色，<
/p>
角色由技术熟练的工人控制，
工件生产的每一个过程变为只控制装
卸换刀和清除碎屑和
类似的操作，这样一个工人可以同时操
<
/p>
作两台或三台车床，
机床的角色和功能也改变了。
数控需要设计成高度自动化具有需要在不
同车床加工几种操作联合在一起一定加
工的能力，
这些变化是通过一种新型
车床在数控技术存在之前是不存在的，
他丰富了数控加
工中心<
/p>
（
19
）
加工中心是在
20
世纪
50
年代发展起来的具有在程序
控制下在一个工件上一次裝夹完
成几种不同的加工能力的机床。加工中
< br>
心能完成铣，钻，铰屑，攻丝，镗，车端面及一些类似机加工工作。另外数控加
工中心的典
型特征包括以下方面：
（
20
）
(1)
自动换刀能力
:
多种机加工工作一位着需要多种刀具。刀具贝
安装在刀库或多刀
刀库中。当一把刀需要被调换时，多刀
刀座自动旋转到相应的位置上。
自动化的换刀机构。
在程序控制下进行，
把主轴上需换下的
刀和多刀刀座上
的刀调换。
（
21
< br>）
(2)
工件的自动定位
: <
/p>
大多数加工中心都可以使工件沿着主轴旋转因此允许刀具达到
工件
的四个表面。
（
22
）
(3)
托架滑动装置（平板架）
:
加工中心另一个特点是有两个或多个独立拖板每个拖
板
都可以调整在刀具上。在加工过程中，
一个拖板在刀具的前部
，
另一个拖板在远离主轴的安全位置。
这样当机床正在加工当前
的零
件时。操作人员就可以从上一个工作循
< br>环中卸下最终加工好的零件，同时加紧毛坯用于下一个工作循环。
（
23
）
加工中心可以分为
立式和卧式。
这是参照机床主轴方向来划分的。
立式加工中心具
有
轴线相对工作台垂直的主轴，卧式车床
的主轴轴线是水平方向的。
这种区别通常会导致在这些加工中心加工的零件类型不同
。
立式
加工中心用于以上进刀的平面工作。卧
< br>
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