机械加工铣床

时间：2024-10-07 百科知识版权反馈

【摘要】：为了进一步提高柔性化程度和规模生产能力，在数控机床软硬件的基础上，增加不同容量的刀库和自动换刀机械手，增加第二主轴，增加交换工作台装置，或配以工业机器人和自动运输小车以组成新的加工中心、柔性制造单元或柔性制造系统以及介于传统自动线与FMS之间的柔性自动生产线。但数控机床的高自动化以及向FMC、FMS的系统集成方向发展的总趋势仍然是机械制造业发展的主流。数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。

2.1　金属切削机床基本知识

2.1.1　金属切削机床的发展概况

机床的发展历史与人类社会的进步密切相关，机床是由使用工具演变而来。人类近6000年的文明史，在各种工具的发展和应用上，经历了从手用工具到现代机床的演变过程。

1.石器时代（远古时期）

人类最早发明和使用的工具是经过加工的特殊的石块（石刀、石斧），用来延伸或加强人的双手或牙齿的功能。这个时期我国开始应用弓钻——在石斧、陶器上钻孔。

2.青铜时代（大约公元前3000年开始）

这个时期开始应用金属工具。我国商代（公元前16～11世纪）应用青铜钻头——在卜骨上钻孔。

3.铁器时代（公元前770～476年）

这个时期开始使用铸铁，车削工具开始使用——当时加工对象主要是木料。古埃及国王墓碑上就出现有最古老的车床图案。

4.中古时期（封建社会）

我国西汉（公元前206年～公元23年）使用杆钻和管钻——在“金缕玉衣”上的四千多块玉片上钻了18000多个孔（直径φ1～2mm）。我国古代还发明了舞钻（利用飞轮的惯性）。这个时期出现了原始的钻床和木工车床，如弓弦车床、足踏车床等（人力作为动力源）。

5.近代

17世纪中叶，用畜力代替人力作为机床动力。1668年加工天文仪器上的大铜环——利用（直径2丈约6.67米）镶片铣刀铣削——装上磨石可进行磨削。

18世纪，工场手工业向资本主义机器大工业过渡时期，欧美国家在英国产业革命后进入资本主义社会。这一时期发明了刀架——代替了手持刀具，标志着切削加工中一次质的飞跃。马克思曾指出：“真正的工具一从人手转到一个机构，机器便代替简单的工具出现了。”

随后各种类型的机床陆续创制出来（18世纪末已用蒸汽机为动力源）。各类机床出现的大致年代如下：

● 1751年出现刨床——为了加工水泵泵体。

● 1770年出现卧式镗床——加工蒸汽机汽缸（φ650mm精度1mm）。

● 1818～1855年出现铣床及万能铣床、仿形车床。

● 19世纪末出现近代磨床——加工硬度、精度较高的工件；专用机床及半自动、自动机床——生产军火、自行车、缝纫机；大型机床——生产大型发电机、汽轮机、轧钢机等。当时的传动方式多为：天轴—皮带—塔轮传动，传动效率很低。

● 20世纪初叶出现坐标镗床等高精度机床——加工精度要求更高的工件。天轴—皮带—塔轮传动发展到单独电机、齿轮变速箱传动。

● 20世纪40年代自动生产线开始出现——主要用于汽车轴承工业（美国）。

● 20世纪50年代（1952年）美国研制出世界第一台“NC机床”——三坐标数控铣床（使用电子管元件）。这又是一次切削加工技术的质的飞跃，机床工业的又一次革命，后来又经过三年的改进与自动程序编制的研究，于1955年进入实用阶段，投产了一百台类似的产品。这些数控铣床在复杂的曲面零件加工中，发挥了很大作用。

● 1958年美国研制出第一台加工中心（自动换刀多工位加工数控机床）。

● 1970年美国研制出DNC（群控系统）——直接数字控制。

从这以后，随着微电子技术、计算机技术、信息技术以及激光技术的快速发展，促进机床工业不断向前突飞猛进，机床产品不断推陈出新。当今，数控机床的发展呈现如下发展趋势：

1）高精度化目前数控加工中心的定位精度可达到±0.0015mm／全程；加工中心的加工精度可达到±0.001㎜，甚至更高。

2）高速度化提高生产率是机床技术发展追求的基本目标之一，而实现这个目标最主要、最直接的方法就是提高切削速度和减少辅助时间。

提高主轴转速是提高切削速度最直接、最有效的方法。随着刀具、电机、轴承、数控系统等关键技术的突破及机床本身基础技术的进步，近十几年来，主轴转速已经翻了几番。目前加工中心的主轴转速最高可达50000r／min，甚至100000r／min。另外，进一步提高进给速度，缩短换刀时间和工作台交换时间，也是高速度化的有效措施。

3）高柔性化 “柔性”是指机床适应加工对象变化的能力（灵活性、通用性）。传统的自动化设备和生产线，由于是机械或刚性连接和控制的，当被加工对象变换时，调整很困难，甚至是不可能的，有时只得全部更换更新。数控机床的出现，开创了柔性自动化加工的新纪元。对加工对象的变换有很强的适应能力，非常适合单件小批量的生产。对零件的变换只需更换ROM中的控制程序，而机床及硬件不需调整。

为了进一步提高柔性化程度和规模生产能力，在数控机床软硬件的基础上，增加不同容量的刀库和自动换刀机械手，增加第二主轴，增加交换工作台装置，或配以工业机器人和自动运输小车以组成新的加工中心、柔性制造单元（FMC）或柔性制造系统（FMS）以及介于传统自动线与FMS之间的柔性自动生产线（FTL）。

4）高自动化是指包括加工，物料流和信息流的柔性自动化。自20世纪80年代中期以来，以数控机床为主体的加工自动化已从“点”（单台数控机床）发展到“线”的自动化（FMS、FTL）和“面”的自动化（柔性制造车间）。结合信息管理系统的自动化，逐步形成整个工厂“体”的自动化。

在国外已出现FA（自动化工厂）和CIM（计算机集成制造）工厂的雏形实体。尽管这种高自动化的技术还不够完备，投资过大，回收期较长。但数控机床的高自动化以及向FMC、FMS的系统集成方向发展的总趋势仍然是机械制造业发展的主流。

（1）复合化。复合化包含工序复合化和功能复合化。数控机床的发展已模糊了粗精加工工序的概念。加工中心（包括车削中心、磨削中心、电加工中心等）的出现。又把车、铣、镗、钻等类的工序集中到一台机床来完成。打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程。例如，一台具有自动换刀装置，自动变换工作台和自动转换立卧主轴头的镗、铣加工中心，不仅一次装夹便可完成镗、铣、钻、铰、攻丝和检验等工序，而且还可以完成箱体五个面粗、精加工的全部工序等。

（2）高可靠性。数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度、高效率，并获得良好的效益，关键取决于可靠性。因而，美、日、德等机床工业大国，已在机床产品中应用了可靠性技术，并取得了明显的进展。衡量可靠性的重要的量化指标是平均无故障工作时间（MTBF）。

（3）宜人化。宜人化是一种新的设计思想和观点。是将功能设计与美学设计有机结合，一台机床就是一件艺术品，是技术与经济、文化、艺术的协调统一，核心是使产品变为更具魅力，更适销对路的商品，引导人们进入一种新的生活方式和工作方式。使用户在操作安全，使用方便，性能可靠的同时，还能体会到一种享受感、舒服感、欣赏感，令人在赏心悦目之中，心情愉快地完成工作。

2.1.2　机床的基本组成和构造

1.机床的基本组成

由于机床运动形式、刀具及工件类型的不同，机床的构造和外形有很大区别。但归纳起来，各种类型的机床都应有以下几个主要部分组成。

（1）主传动部件。用来实现机床主运动的部件，它形成切削速度并消耗大部分动力。例如，带动工件旋转的车床主轴箱；带动刀具旋转的钻床或铣床的主轴箱；带动砂轮旋转的磨床砂轮架；刨床的变速箱等。

（2）进给传动部件。用来实现机床进给运动的部件，它维持切削加工连续不断地进行。例如，车床的进给箱、留板箱；钻床和铣床的进给箱；刨床的进给机构；磨床工作台的液压传动装置等。

（3）工件安装装置。用来安装工件。例如，车床的卡盘和尾座；钻床、刨床、铣床、平面磨床的工作台；外圆磨床的头架和尾座等。

（4）刀具安装装置。用来安装刀具。例如，车床、刨床的刀架；钻床、立式铣床的主轴，卧式铣床的刀杆轴，磨床的砂轮架主轴等。

（5）支承件。机床的基础部件，用于支承机床的其他零部件并保证它们的相互位置精度。例如，各类机床的床身、立柱、底座、横梁等。

（6）动力源。提供运动和动力的装置，是机床的运动来源。普通机床通常采用三相异步电机作动力源（不需对电机调整，连续工作）；数控机床的动力源采用的是直流或交流调速电机、伺服电机和步进电机等（可直接对电机调速，频繁启动）。

2.机床的基本构造

机床的种类繁多，按其加工性质可分为十二大类（下一节介绍），其中最基本的类型有五种，即车床、钻床、铣床、刨床和磨床。以下是这五类机床基本构造的示意图。

1）车床