機械製造及工藝教程-第三章 典型機床工作運動分析

tags: 機械製造    時間:2014-03-07 14:19:58
機械製造及工藝教程-第三章 典型機床工作運動分析簡介
第一節    金屬切削機床基礎知識 一、機床的分類與型號編製 (一)機床的分類 機床主要是按加工性質和所用刀具進行分類的,根據我國制定的機床型號編製方法……
機械製造及工藝教程-第三章 典型機床工作運動分析正文

第一節    金屬切削機床基礎知識

一、機床的分類與型號編製

(一)機床的分類

機床主要是按加工性質和所用刀具進行分類的,根據我國制定的機床型號編製方法,目前將機床分為12大類:車床、鑽床、鏜床、磨床、齒輪加工機床、螺紋加工機床、銑床、刨插床、拉床、特種加工機床、鋸床及其他機床。

每一類又按工藝範圍、布局型式和結構等,分為若干組,每一組又分為若干系。

在上述基本分類方法的基礎上,還可根據機床的其他特徵進一步加以區分。

同類型機床,按照它們的通用性程度,可分為

1)通用機床   2)專門化機床   3)專用機床

同類型機床按工作精度不同,可分為:普通精度機床、精密機床和高精度機床。

機床還可以按自動化程度不同,分為手動的、機動的、半自動的和自動的機床。

機床還可以按質量與尺寸分為:儀錶機床、中型機床、大型機床、重型機床和超重型機床。

按照機床主要工作部件的數目,還可分為:單軸的、多軸的或單刀的、多刀的機床。

通常機床是按照加工性質進行分類,再根據某些特點進一步描述,例如多軸自動車床就是以車床為基本類型,再加上“多軸”、“自動”等特徵,以區別於其他種類車床。

現代機床正向數控化方向發展,數控機床的功能越來越多,工序更加集中,一台數控機床集中了多台傳統機床的功能。機床的數控化引起了機床傳統分類方法發變化,這種變化趨向於綜合性描述。

(二)機床型號的編製方法

機床的型號必須反映機床的類型、主要參數、使用和結構特性等。

標準JB1838-85:金屬切削機床型號編製方法,適用於各類通用機床和專用機床,由漢語拼音字母和數字按一定規律組合而成。

1、通用機床型號

通用機床型號表示方法如下:

1)機床類、組、系的劃分及其代號 

機床按其產品的工作原理、結構特性及使用範圍劃分為十二類,每類機床劃分為十個組,每組又劃分為十個系。

當需要時,機床的類代號又分為若干分類。分類代號在類代號之前,且第一分類不予表示。

 

2)機床的特性代號

某類機床除具有普通型式外,還具有一些通用特性和結構特性。

通用特性代號具有統一的固定意義。

結構特性代號用於區分主參數相同而結構、性能不同的機床,排在類代號和通用特性代號之後,無統一含義,且不能使用與通用特性相同的代號。

3)機床的主參數、第二主參數和設計順序號

機床的主參數表示機床規格大小,用折算值表示,位於組系代號之後。

為更加清晰具體,部分機床還有第二主參數。

某些通用機床,當無法採用一個主參數表示時,則以設計順序號表示。設計順序號由1起始,當少於十位數時前加“0”。

4)機床的重大改進順序號和同一型號機床的變型代號

當機床的結構、性能有重大改進和提高,並按產品重新設計、試製和鑒定時,在原機床型號尾部加以字母ABC等表示的重大改進順序號,以區別於原機床。

某些機床,根據不同需要,在基本型號基礎上僅改變部分性能結構時,則在原機床型號之後加以數字123等表示的變型代號,並以“/”(讀“之”)分開,以區別於原機床。

 

2、專用機床型號

二、機床的運動

1、機床的運動分析

任何形狀的工件,不論其複雜程度如何,都可以分解為幾個基本表面的組合,而且這些表面都是由一條母線沿著一條導線運動的軌跡而形成的。

2、機床上的運動

機床上的運動按組成情況不同,可分為簡單運動和複合運動。

按功用不同,可分為成形運動和輔助運動。

  

第二節        卧式車床的工藝範圍及其組成

 

車床是機械製造中使用最廣泛的一類機床,主要用於加工各種迴轉表面(內外圓柱面、圓錐面、環槽、迴轉體成型面等)和迴轉體的端面,有些車床還能加工螺紋。

這類機床的共同特徵是:以車刀為主要切削工具,進行各種車削加工。車床的主運動通常是工件的旋轉運動,進給運動通常是由刀具的直線移動來實現的。

在一般機器製造廠中,由於大多數零件都具有迴轉表面,同時車床本身的萬能性強,使用的刀具簡單,所以車床在金屬切削機床中所佔的比重較大,約佔機床擁有量總台數的2550%

 

車床的種類繁多,按其用途和結構的不同,主要分為以下幾類:

·              卧式車床和落地車床;

·              立式車床;

·              轉塔車床;

·              多刀半自動車床;

·              仿形車床及仿形半自動車床;

·              單軸自動車床;

·              多軸自動車床及多軸半自動車床;

·              專門化車床,例如凸輪軸車床、曲軸車床、鏟齒車床、高精度絲杠車床等。

此外,在大批大量生產中還使用各種專用車床。而在所有的車床類機床中,以卧式車床的應用最為廣泛。

 

一、卧式車床的工藝範圍與運動

卧式車床的工藝範圍相當廣泛,可以車削內外圓柱面、圓錐面、環形槽、迴轉體成型面,車削端面和各種常用的公制、英制、模數制、徑節制螺紋,還可以進行鑽中心孔、鑽孔、擴孔、鉸孔、攻螺紋、套螺紋和滾花等工作。

但卧式車床的自動化程度較低,加工形狀複雜的工件時,換刀比較麻煩,加工中輔助時間較長,生產率較低,所以適用於單件、小批生產及修理車間等。

 

為完成各種加工工序,車床必須具備下列成形運動:

工件的旋轉運動——主運動;

刀具的直線移動——進給運動。分為三種形式:縱向進給運動、橫向進給運動、斜向進給運動。

在多數加工情況下,工件的旋轉運動與刀具的直線移動為兩個相互獨立的簡單成形運動,而在加工螺紋時,由於工件的旋轉與刀具的移動之間必須保持嚴格的運動關係,因此它們組合成一個複合成形運動——螺紋軌跡運動,習慣上常稱之為螺紋進給運動。另外,加工迴轉體成型面時,縱向和橫向進給運動也組合成一個複合成形運動,因為刀具的曲線軌跡運動是依靠縱向和橫向兩個直線運動之間保持嚴格的運動關係而實現的。

 

  

二、卧式車床的組成部件

 

    三、主要技術參數

    機床的主要技術參數包括機床的主參數和基本參數。

    卧式車床的主參數是床身上最大工件迴轉直徑D。主參數值相同的卧式車床,往往有幾種不同的第二主參數,卧式車床的第二主參數是最大工件長度。例如CA6140型卧式車床的主參數為400mm,第二主參數有750mm1000mm1500mm2000mm等四種。

機床的基本參數包括尺寸參數、運動參數和動力參數。

 

第三節  卧式車床的傳動與結構

一、卧式車床的傳動系統圖

為了實現加工過程中機床的各種運動,機床必須具備三個基本部分:執行件、動力源和傳動裝置。

執行件是執行機床運動的部件,如主軸、刀架、工作台等,其任務是帶動工件或刀具完成所要求的各種運動,並保證其運動軌跡的準確性。

動力源是為執行件提供動力的裝置,如交流電動機、伺服電動機等。

傳動裝置是把動力源的動力和運動傳給執行件的裝置,完成變速、變向、改變運動形式等功能。

使動力源和執行件以及兩個有關的執行件之間保持運動聯繫,並按一定順序排列的一系列傳動件就構成了傳動鏈。

一台機床可以有多條傳動鏈。

從性質上講,傳動鏈可分為外聯繫和內聯繫傳動鏈兩種。

    1)外聯繫傳動鏈  它是聯繫動力源與執行件之間的傳動鏈,使執行件獲得一定的速度和動力,但不要求動力源和執行件之間有嚴格的傳動比關係。

外聯繫傳動鏈隻影響被加工零件的表面質量和生產率,但不影響被加工零件表面形狀的性質。

2)內聯繫傳動鏈  它是聯繫構成複合運動的各個分運動執行件的傳動鏈。因此傳動鏈所聯繫的執行件之間的相對運動有嚴格的要求。

內聯繫傳動鏈能影響被加工零件表面形狀的性質。為了保證嚴格的傳動比,在內聯繫傳動鏈中不能有傳動比不確定或瞬時傳動比變化的傳動機構(如帶傳動、鏈傳動和摩擦傳動等)。

通常傳動鏈中的各種傳動機構可分為兩類:

傳動比不變的“定比機構”(如定比齒輪副、齒輪齒條、蝸輪蝸桿等)和變換傳動比的“換置機構”(如滑移齒輪變速機構、掛輪以及數控機床中的數控系統等)。

    為了簡單明確地反映機床的傳動聯繫,常用一些簡單的符號來表示傳動原理和傳動路線,這就是傳動原理圖。

傳動系統圖是表示機床運動傳動關係的綜合簡圖,是傳動原理圖的具體體現。在圖中用簡單的符號代表各種傳動元件(GB4406-84《機構運動簡圖符號》),並按照運動傳遞的先後順序,以展開圖的形式來表達。圖中,通常須註明齒輪及蝸輪的齒數、蝸桿頭數、帶輪直徑、絲杠的螺距和頭數、電動機的功率和轉速、傳動軸的編號等。傳動系統圖只表示傳動關係,不表示各元件的實際尺寸和空間位置,如教材圖4-3所示為CA6140型卧式車床的傳動系統圖。

二、CA6140型卧式車床傳動系統分析

     機床的加工過程中,需要有多少個運動就應該有多少條傳動鏈。所有這些傳動鏈和它們之間的相互聯繫就組成了一台機床的傳動系統。分析傳動系統也就是分析各傳動鏈,分析各傳動鏈時,應按下述步驟進行:

 

1)根據機床所具有的運動,確定各傳動鏈兩端件。

2)根據傳動鏈兩端件的運動關係,確定計算位移量。

3)根據計算位移量及傳動鏈中各傳動副的傳動比,列出運動平衡式。

4)根據運動平衡式,推導出傳動鏈的換置公式。

傳動鏈中換置機構的傳動比一經確定,就可根據運動平衡式計算出機床執行件的運動速度或位移量。

要實現機床所需的運動,CA6140型卧式車床的傳動系統需具備以下傳動鏈:實現主運動的主傳動鏈;

實現螺紋進給運動的螺紋進給傳動鏈;

實現縱向進給運動的縱向進給傳動鏈;

實現橫向進給運動的橫向進給傳動鏈;

實現刀架快速退離或趨近工件的快速空行程傳動鏈。

(一)主運動傳動鏈

    1、傳動路線

    CA6140型卧式車床主運動,是由主電動機經三角皮帶傳至主軸箱中的軸I,軸I上裝有一個雙向多片式摩擦離合器M1,用以控制主軸的啟動停止和換向。軸I的運動經離合器M1II--III間變速齒輪傳至軸III,然後分兩路傳遞給主軸。

    1)高速傳動路線  主軸VI上的滑移齒輪Z50處於左邊位置,運動經齒輪副直接傳給主軸。

   

2)中低速傳動路線  主軸VI上的滑移齒輪Z50處於右邊位置,且使齒式離合器M2接合,運動經軸III-IV-V間的背輪機構和齒輪副傳給主軸。

  傳動路線是分析和認識機床的基礎,常用的方法是“抓兩端,連中間”:首先找到傳動鏈的兩端件,然後按照運動傳遞或聯繫順序,從一個端件到另一個端件,依次分析各傳動軸之間的傳動結構和運動傳遞關係。

    2、主軸的轉速級數與轉速計算

根據傳動系統圖和傳動路線表達式,主軸正轉可獲得2´3´(2´2-1)+2´3=24級不同轉速。同理,主軸反轉12級。

    主軸的轉速可按下列運動平衡式計算:

主軸反轉一般用來進行車削,而是為了在車螺紋時,使刀架在主軸與刀架之間的傳動鏈脫開的情況下退回至起始位置,以免下次走刀發生“亂扣”現象.同時為了節省退刀時間,主軸反轉轉速高於正轉轉速。

    (二)螺紋進給運動傳動鏈

CA6140型卧式車床螺紋進給運動傳動鏈,可以保證機床車削公制、英制、模數制和徑節制四種標準螺紋。

此外,還可以車削大導程、非標準和較精密的螺紋。這些螺紋可以是右旋的,也可以是左旋的。不同標準的螺紋用不同的參數表示其螺距。

    無論車削哪一種螺紋,都必須在加工中保證主軸每轉一轉,刀具準確地移動被加工螺紋一個導程的距離。由此可列出螺紋進給傳動鏈的運動平衡式:

1(主軸)×u0×ux×L=L

    由上式可知,被加工螺紋的導程正比於傳動鏈中換置機構的可變傳動比。為此,車削不同標準和不同導程的各種螺紋時,必須對螺紋進給傳動鏈進行適當調整,使其傳動比根據不同種類螺紋的標準數列作相應改變。

    公制螺紋是我國常用的螺紋,在國家標準中已規定了其標準螺距值。公制螺紋的標準螺距是按分段等差數列的規律排列的(參見表4-6),為此,螺紋進給傳動鏈的變速機構也應按分段等差數列的規律變換其傳動比。這一要求是通過適當調整進給箱中的變速機構來實現的。

 

車削公制螺紋時,進給箱中的離合器M3M4脫開,M5接合。其運動由主軸VI經齒輪副,軸IX至軸XI間的左右螺紋換向機構,掛輪,傳至進給箱的軸XII,然後再經齒輪副,軸XIII--XIV間的滑移齒輪變速機構(基本螺距機構),齒輪副傳至軸XV,接下去再經軸XVXVII間的兩組滑移齒輪變速機構(增倍機構)和離合器M5傳動絲杠XVIII旋轉。合上溜板箱中的開合螺母,使其與絲杠嚙合,便帶動了刀架縱向移動。其傳動路線表達式如下:

     其中,u基為軸XIIIXIV間變速機構的可變傳動比,共8種:26/2828/2832/2836/2819/1420/1433/2136/21,即6.5/77/78/79/79.5/710/711/712/7。它們近似按等差數列的規律排列,是獲得各種螺紋導程的基本機構,故通常稱之為基本螺距機構,或基本組。

     u為軸XVXVII間變速機構的可變傳動比,共4種:28/35×(35/28)、28/35×(15/48)、18/45×(35/28)、18/45×(15/48),即11/21/41/8。它們按倍數關係排列,用於擴大機床車削螺紋導程的種數,一般稱之為增倍機構,或增倍組。

    根據傳動系統圖或傳動鏈的傳動路線表達式,可列出車削公制螺紋的運動平衡式:

L=kP=1(主軸)uu´12

化簡得:

L=7uu

由此可得8´4=32種導程值,其中符合標準的只有20種(見表4-6

    由上述可知,利用基本組中各傳動副傳動,可以車削出按等差數列規律排列的基本導程值;經過增倍組后,又可把由基本組得到8種基本導程值按1:2:4:8的關係增大或縮小,兩種變速機構的不同組合,便可得到常用的、按分段等差數列的規律排列的標準導程(或螺距)的公制螺紋。

加工其它不同種類和標準的螺紋時,只要通過離合器不同的離合狀態和掛輪適當組合即可。

    (三)機動進給傳動鏈

    實現一般車削時刀架機動進給的縱向和橫向進給傳動鏈,由主軸至進給箱中軸XVII的傳動路線與車公制或英制常用螺紋的傳動路線相同,其後運動經齒輪副傳至光杠XIX(此時離合器M5脫開,齒輪Z28與軸XIX 齒輪Z56 嚙合),再由光杠經溜板箱中的傳動機構,分別傳至光杠齒輪齒條機構和橫向進給絲杠XXVII,使刀架作縱向或橫向機動進給,其縱向機動進給傳動路線表達式如下:

    溜板箱中的雙向牙嵌式離合器M8M9和齒輪傳副組成的兩個換向機構,分別用於變換縱向和橫向進給運動的方向。利用進給箱中的基本螺距機構和增倍機構,以及進給傳動鏈的不同傳動路線,可獲得縱向和橫向進給量各64種。

    縱向和橫向進給傳動鏈的兩端件的計算位移為:

     縱向進給:主軸轉一轉——刀架縱向移動f 縱(單位:mm

     橫向進給:主軸轉一轉——刀架橫向移動f 橫(單位:mm

     由傳動分析可知,橫向機動進給在其與縱向機動進給傳路線一致時,所得的橫向進給量是縱向進給量的一半。

    (四)刀架的快速移動傳動路線

 

    刀架的快速移動是使刀具機動地快速退離或接近加工部位,以減輕工人的勞動強度和縮短輔助時間。當需要快速移動時,可按下快速移動按鈕,裝在溜板箱中的快速電動機(0.25kW2800r/min)的運動便經齒輪副傳至軸XX,然後再經溜板箱中與機動進給相同的傳動路線傳至刀架,使其實現縱向和橫向的快速移動。

    為了節省輔助時間及簡化操作,在刀架快速移動過程中光杠仍可繼續傳動,不必脫開進給傳動鏈。這時,為了避免光杠和快速電動機同時傳動軸XX而導致其損壞,在齒輪Z56 及軸XX之間裝有超越離合器,即可避免二者發生的矛盾。

     超越離合器結構原理如教材圖4-4所示。

 

第四節     機床主要附件

    機床附件的作用在於擴大機床的工藝範圍,車床上常用的附件有以下幾種:

    一、卡盤和頂尖

(一)三爪自定心卡盤

    (二)頂尖

    頂尖主要應用於車床上,其作用是定中心,承受工件的重量和切削時的切削力。頂尖分前頂尖和后頂尖兩種。

    二、花盤和角鐵

當工件的形狀複雜或不規則,無法用三爪自定心卡盤、四爪單動卡盤或兩頂尖進行裝夾時,可採用花盤和角鐵裝夾。花盤和角鐵是常使用在車床上。

    三、中心架和跟刀架

     車床上在加工剛性較差的細長軸、不能穿過主軸孔的粗長工件以及孔與外圓同軸度要求較高的較長工件時,往往採用中心架和跟刀架來增強剛性和提高加工精度。

中心架的種類一般有兩種:普通中心架、帶滾動軸承中心架。

跟刀架  常用跟刀架有兩種:兩爪跟刀架三爪跟刀架

    四、圓形工作台

圓形工作台是銑床的常用附件,其主要功用在於圓周進給、周向進給,可銑削圓弧、加工曲線形工件,有手動、自動之分。

    五、分度頭

分度頭是銑床,特別是萬能銑床的重要附件。分度頭安裝在銑床工作台上,

被加工工件支承在分度頭主軸頂尖與尾座頂尖之間或夾持在卡盤上,可以完成下列工作:

    1)使工件周期地繞自身軸線迴轉一定角度,完成等分或等分的圓周分度工作,如加工方頭、六角頭、齒輪、花鍵以及刀具的等分或等分刀齒等;

2)通過配換掛輪,由分度頭使工件連續轉動,並工作台的縱向進給運動相配合,以加工螺旋齒輪、螺旋槽和阿基米德螺旋線凸輪等;

3)用卡盤加持工件,使工件軸線相對於銑床工作台傾斜一定角度,以加工與工件軸線相交成一定角度的平面、溝槽等。

因此,分度頭在單件、小批生產中得到了普遍應用。

分度頭有直接分度頭、萬能分度頭和光學分度頭等類型,其中以萬能分度頭最為常用。

常見的萬能分度頭有FW125FW200FW250FW300等幾種,代號中F代表分度頭,W代表萬能型,後面的數字代表最大迴轉直徑,其單位為mm

FW125型萬能分度頭:

分度頭主軸2安裝在殼體3內。殼體用兩側的軸頸支承在底座5上,並可繞其軸線迴轉,使主軸在水平線以下至水平線以上範圍內任意調整角度。主軸前端有一莫氏錐孔,用於安裝頂尖1;主軸前端還有一定位錐面,作為三爪定心卡盤定位之用。分度盤4在若干不同圓周上均勻分佈著數目不同的孔圈。

 

分度時,拔出插銷J,轉動分度手柄K,經傳動比為1:1的齒輪和1:40的蝸桿蝸輪副,可使主軸迴轉到所需位置,然後再把插銷J插入所對的孔圈中。分度手柄K轉過的轉數,由插銷J所對的孔圈的孔數來計算。插銷J可在分度手柄K長槽中沿分度盤徑向調整位置,以使插銷J能插入不同孔數的孔圈中。

     使用分度頭時,常用分度方法有直接分度法、簡單分度法和差動分度法三種。

 

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