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第八单元
金属切削加工基础
模块一
金属切削机床的分类及型号
一、金属切削机床的分类
●我国金属切削机床的分类方法主要是按加工方式、加工对象、切削刀具及机床的用途进行分类的，共分为12大类，即车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨插床、拉床、电加工机床、切割机床及其它机床。
●最基本的5种金属切削机床是:车床、铣床、钻床、刨床和磨床。
●同一类金属切削机床中，按加工精度不同，可分为普通机床（万能机床）、精密机床和高精度机床三个等级；按机床使用范围不同，可细分为通用机床和专用机床；按机床自动化程度高低分类，可分为手动机床、机动机床、半自动机床、自动化机床及数控机床。
表8-1 各类机床的用途
机床类别 用途 机床类别 用途
车床 用于加工回转体零件 铣床 用于加工平面和成形面
钻床 用于粗加工孔 刨插床 用于加工平面和沟槽
镗床 用于加工尺寸较大的孔和非标准孔 拉床 用于高效率加工零件的平面和孔等
磨床 用于零件表面精加工 电加工机床 用于某些特种零件的成形加工
齿轮加工机床 专门用于加工齿轮 切割机床 用于下料和切割加工
螺纹加工机床 专门用于加工螺纹 其他机床
二、金属切削机床型号的编制方法?
●金属切削机床的型号是用来表示机床的类别、特性代号、组别代号、型别代号、主要性能参数代号、机床重大改进序号等。金属切削机床的型号由大写汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。?
●金属切削机床型号中的第一个字母表示机床的类别，机床的类别代号按机床名称的汉语拼音的第一个大写字母表示。
表8-2 机床的类别和类别代号
类别 车床 钻床 镗床 磨床 齿轮加工机床 螺纹加工机床 铣床 刨插床 拉床 电加工机床 切割机床 其他机床
代号 C Z T M 2M 3M Y S X B L D G Q
读音 车 钻 镗 磨 二磨 三磨 牙 丝 铣 刨 拉 电 割 其
●金属切削机床的特性代号包括通用特性和结构特性，也用汉语拼音字母表示。
▲通用特性代号在类别代号之后加上相应的通用特性代号，如CM6132型号中“M”表示“精密”之意，是指精密普通车床。
表8-3 机床的通用特性代号
通用特性 高精度 精密 自动 半自动 数控 加工中心自动换刀 仿形 轻型 加重型 简式或经济型 柔性加工单元 数显 高速 万能
代号 G M Z B K H F Q C J R X S W
读音 高 密 自 半 控 换 仿 轻 重 简 柔 显 速 万
▲结构特性代号是为了区别主参数相同而结构不同的机床而设置的代号，如CA6140和C6140是结构有区别而主参数相同的普通车床。结构特性代号在型号中用汉语拼音字母区分，这些字母是根据各类机床的情况分别规定的，在不同机床型号中其含义可以不一样。当机床有通用特性代号，也有结构特性代号时，结构特性代号应排在通用特性代号之后，凡通用特性代号已用的字母及字母“I”、“O”不可作为结构特性代号使用。
●金属切削机床的组、型代号——每类机床按其用途、性能、结构相近或有派生关系，分为若干组（如车床分为10组，用阿拉伯数字数字“0～9”表示），每个组又分为若干个型。组别和型别的数字写在机床型号中，跟在机床类别代号字母或特性代号字母之后，第一位数字表示机床的组别，第二位数字表示机床的型别。
例如，CM6132中的“6”表示落地及卧式车床组，“1”表示卧式车床型。
●金属切削机床的主参数表示机床规格的大小和工作能力。在机床型号中，表示机床组和型的两个数字后面的数字表示机床的主参数或主参数的折算值（1/10或1/100的整数值）。
▲主轴数的代号。多轴机床的主轴数目，要以阿拉伯数字表示在型号后面，并用“·”分开，读作“点”。例如，C2140·6是加工最大棒料直径是40mm（主参数不折算）的卧式六轴自动车床的型号表示方法。
▲最大跨距、最大磨削长度、最大工件长度、工作台工作面长度及最大模数等数值的代号。上述数值经过折算后，将其表示在机床型号末段端，并以“×”号分开，读作“乘”。
●规格相同的机床，经改进设计，其性能和结构有了重大改进后，按改进设计的次序，应在原机床型号后面分别用汉语拼音字母“A、B、C…”表示是第几次改进的序号，并写在机床型号的末尾。例如，Y7132A和Z3040A都表明是第一次重大改进。
机床型号举例
模块二
钻床及及其应用
●钻床是孔加工机床，通常用来加工直径＜100mm的孔。
●钻孔过程中，钻头（或主轴）高速旋转是主运动，钻头（或主轴）轴向移动是进给运动。
一、钻床的分类
●钻床主要有坐标镗钻床、深孔钻床、摇臂钻床、台式钻床、立式钻床、卧式钻床、铣钻床、中心孔钻床和其他钻床等。其中台式钻床、立式钻床和摇臂钻床是最常用的钻床。
图8-1 台式钻床
图8-2 立式钻床图
图8-3 摇臂钻床
●台式钻床主要由主轴架、主轴、立柱、转盘、工作台和机座等组成。
台式钻床功率小，适用于单件和小批生产，主要用于加工小型零件上的小孔（孔径＜13mm）。
●立式钻床主要由主轴、主轴变速箱、进给箱、立柱、工作台和机座等组成。
立式钻床刚性好、功率大，适用于单件和小批生产，主要用于加工孔径＜50mm的中小型工件上的孔。
●摇臂钻床有一个能绕立柱旋转的摇臂，其上装有主轴箱，主轴箱可沿摇臂导轨作水平运动，调整其径向位置；摇臂又可绕立柱转动和沿着立柱上下移动。
摇臂钻床适合于加工大中型工件上孔径＜80mm的孔。
二、钻床的组成和应用范围
●钻头的结构一般由柄部、颈部、导向部分和切削部分组成。
三、钻削刀具及工具
图8-5 麻花钻
●钻头的主要几何角度有顶角（2 ）、横刃斜角（Ψ）、螺旋角（β）、前角和后角等。使用时仅刃磨后面，通过控制顶角（2 ）和横刃斜角（Ψ）便可获得其他相应的角度。标准钻头的顶角2 =118°±2°，横刃斜角Ψ=50°～55°。
●钻头通常采用高速钢制造。小直径的钻头一般是整体均采用高速钢制造，大直径的钻头一般是工作部分采用高速钢制造，柄部采用45钢制造。有时也采用硬质合金焊接或采用可转位硬质合金刀片制造切削部分。
●钻削常用的工具有钻夹头、过渡套筒、机床用平口虎钳、手虎钳、螺栓压板、V形架、钻模板与钻套、样冲等工具。
图8-6 钻夹头
图8-7 过渡套
a）机床用平口虎钳
b）手虎钳
c）螺栓压板
d）V形架
（1）加工表面容易被切屑划伤，加工质量较差，加工精度一般在IT10以下，表面粗糙度值Ra≥12.5μm。
（2）由于钻头的直径较小及钻头的结构特点，钻头在刚性和导向性方面较低，在钻孔时易产生“引偏”现象，使孔产生一定程度的形状和位置误差。
（3）钻削过程中，由于冷却、润滑和排屑困难，钻头吸热较多，容易磨损。
钻孔属于孔的粗加工阶段。扩孔是指钻孔后使用扩孔钻进一步加大孔径的过程。扩孔的工作条件比钻孔好，其加工质量也较高，属于孔的半精加工阶段。铰孔属于孔的精加工阶段。
四、钻孔工艺特点
模块三
车床及其应用
●车床是用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床，它是车削加工的主要设备。
●车削时工件旋转是主运动，车刀的纵向移动、横向移动和斜向移动为进给运动。
一、车床分类
●车床可分为卧式车床、立式车床、转塔车床、单轴自动车床、多轴自动和半自动车床、仿形车床及多刀车床和各种专门化车床（如曲轴车床、车轮车床等）。
●卧式车床加工尺寸公差等级可达IT8～IT7，表面粗糙度Ra值可达1.6μm。
●卧式车床主要由左右床脚、床身、主轴箱、交换齿轮箱、进给箱、光杠、丝杠、溜板箱、刀架和尾座等部分构成。
●卧式车床传动系统主要由主运动传动系统和进给运动传动系统两部分组成。
二、卧式车床组成
图8-10 卧式车床传动系统路线图
▲左右床脚。它们的作用是用来安装机床、支承床身及安放电气设备等。
▲床身。它的作用是用来支承和连接其它部件。刀架和尾座可沿床身上的导轨移动。
▲主轴箱。主轴箱的作用是将电动机传来的旋转运动经过变速机构使主轴得到需要的转速。同时主轴箱分出一部分动力，将运动传给进给箱。
▲进给箱。其中装有进给运动的变速机构，调整（改变进给箱外面手柄的位置）变速机构，可得到需要的进给量（或螺距），并通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。
▲丝杠与光杠。它们是用以联接进给箱与溜板箱，并把进给箱的运动和动力传给溜板箱，使溜板箱获得纵向直线进给运动。丝杠是专门用来车削各种螺纹而设置的，在进行工件的其他表面车削时，仅用光杠，不用丝杠。
▲溜板箱。它是纵向进给运动和横向进给运动的分配机构。溜板箱内装有可将光杠和丝杠的旋转运动变成刀架直线运动的机构，可通过光杠的传动实现刀架的纵向进给运动、横向进给运动和快速移动，通过丝杠带动刀架可作纵向直线运动，以便车削螺纹。
▲刀架。它是用来安装和夹持刀具的部件，通过刀架可使刀具作纵向、横向或斜向移动。
▲尾座。它安装在床身导轨的右端，用来支承工件或装夹钻头、铰刀、丝锥等进行外圆及孔加工。?
●常用车刀有整体式车刀、焊接式车刀、机械夹固式车刀等。
●车刀按用途分类，可分为外圆刀、偏刀、车孔刀（镗孔刀）、切断刀（包括切槽刀）、螺纹刀、成形刀等。
三、常用车刀
四、车床的应用范围
●车床主要用于加工各种回转体表面，如加工各类轴、圆盘类工件、套筒类工件、沟槽、螺纹及成形面等。
五、车床常用夹具
●车床上常用的专用夹具有卡盘（三爪自定心卡盘和四爪单动卡盘）、花盘、顶尖（死顶尖和活顶尖）、拨盘、鸡心夹头、中心架、跟刀架和心轴等。
▲卡盘包括三爪自定心卡盘和四爪单动卡盘两种。它是利用其背面法兰盘上的螺纹直接安装在车床主轴上。
图8-16 三爪自定心卡盘
图8-17 四爪单动卡盘
三爪自定心卡盘适合于装夹截面形状对称的工件，但不适合于装夹截面形状不规则的工件。
四爪单动卡盘适合于装夹截面形状不规则的工件（如椭圆工件、偏心工件等）。
▲花盘也是安装在主轴前端的夹具。
花盘适用于形状不规则的工件，或不能用三爪自定心卡盘和四爪单动卡盘装夹的工件。
图8-18 花盘装夹工件与找正操作
▲加工较长的工件时，为了保证工件各部分的同轴度，一般需要使用顶尖安装工件。
顶尖按结构分类，可分为死顶尖和回转顶尖。
顶尖按安装位置分类，可分为前顶尖（安装在主轴锥孔内）和后顶尖（安装在尾座锥孔内）。
▲拨盘和鸡心夹头适用于车削较长的轴类工件，一般采用前顶尖和后顶尖方式安装工件，并借助拨盘和鸡心夹头来带动工件旋转。
图8-20 拨盘和鸡心夹头的使用方法
▲中心架适用于夹持一般长轴、阶梯轴以及端面和孔都需要加工的长轴类工件（此时无法使用后顶尖）。
▲跟刀架适用于夹持不带台阶的细长轴类工件。
图8-21 利用中心架车端面
图8-22 利用跟刀架车削细长轴
▲常用的心轴有圆柱心轴、圆锥心轴和胀套心轴等。
心轴适用于精加工盘套类工件，要求工件的内圆表面与外圆表面具有较高的同轴度，要求工件的端面与孔的轴心线具有较高的垂直度。
图8-23 圆柱心轴夹持多个工件
图8-24 圆锥心轴夹持工件
六、车削工艺特点
●车削是利用工件的旋转和刀具相对于工件的移动来加工工件的一种切削加工方法。
●车削加工的特点是：
（1）容易保证工件各个加工表面的位置精度；
（2）所用刀具简单，制造、刃磨和安装很方便，也可以根据具体需要灵活选择刀具角度；
（3）车削加工一般为连续切削，没有刀齿切入和切出的冲击，而且可以采用较高的切削速度，因此，切削过程平稳，生产率高；
（4）适用于切削非铁金属、塑料、复合材料以及经过退火、正火、调质的钢铁材料等。
●车削一般分为粗车、半精车、精车和精细车四个精度级别。
【车削加工案例】 在车床上经常加工轴套类零件，形状简单的零件可通过车削加工全部完成表面加工，如图8-25所示的销套零件，就可以在车床上进行全部表面的车削加工，其具体车削加工过程见表8-6所示。
模块四
铣床及其应用
●铣床是用铣刀加工工件的机床，它的主要功能是铣削平面和沟槽。
●铣削是指以铣刀旋转作主运动，工件或铣刀作进给运动的切削加工方法。
●铣削加工时，一般铣刀的旋转运动是主运动，工件缓慢的直线移动是进给运动。
一、铣床分类
铣床主要有卧式升降台铣床、立式升降台铣床、仿形铣床、工具铣床、龙门铣床及数控铣床等，其中最常用的是卧式升降台铣床和立式升降台铣床。
二、铣床的组成
铣床一般由床身、悬梁（横梁）、主轴、挂架（吊架）、工作台、升降台、回转盘、底座等组成。
图8-26 X6132型卧式万能升降台铣床结构简图
图8-27 立式升降台铣床结构简图
三、铣刀种类
●铣刀是一种多齿刀具，结构比较复杂，它的刀齿一般分布在圆柱铣刀的外圆表面上或端面铣刀的端面上。
●按安装方法分类，铣刀可分为带孔铣刀和带柄铣刀两大类。带孔铣刀一般用于卧式铣床，带柄铣刀一般用于立式铣床。
●不同形状的铣刀具有不同的用途。圆柱铣刀、端铣刀、立铣刀等主要用于加工平面；立铣刀、三面刃铣刀、锯片铣刀、键槽铣刀等主要用于加工沟槽；角度铣刀、T形槽铣刀、燕尾槽铣刀、铣齿刀等主要用于加工成形面。
四、铣床常用工具
●铣床常用工具有机床用平口虎钳、螺栓压板、回转工作台、万能分度头和万能铣头等。
▲机床用平口虎钳分为普通型机床用平口虎钳和可倾斜型机床用平口虎钳。机床用平口虎钳一般安装在铣床工作台上面的T形槽中，用于装夹形状简单的中小型工件。
▲铣削较大尺寸的工件时，可用螺栓压板及垫铁将工件直接安装在铣床工作台上，并采用合理的找正方法，对工件进行准确找正，然后对工件进行铣削加工。
a）安装
b）铣削
▲回转工作台分为机动回转工作台和手动回转工作台。回转工作台适用于加工中小型工件的圆弧表面以及进行分度加工等。
▲万能分度头由底座、回转体、主轴（可安装卡盘）、分度盘等组成。
万能分度头是铣床的重要工具，主要用于铣削多边形、花键、齿轮、螺旋槽等工件。
▲万能铣头可以扩大卧式铣床的工艺范围，它可以通过万能铣头内部的两对圆锥齿轮可将铣床主轴的旋转运动传给万能铣头的主轴。另外，万能铣头的壳体能在两个互相垂直的平面内回转360°，因此，万能铣头的主轴与铣床工作台面可形成任意角度，从而使立式铣床适应多种加工需要。
五、铣削方法
●铣削平面的方法主要有圆周铣削（或称周铣）和端面铣削（或称端铣）。
▲圆周铣削是用圆柱铣刀上的刀齿进行铣削的方法。圆周铣削又分为逆铣和顺铣。
▲端面铣削是用端铣刀上的刀齿进行铣削的方法。
a）周铣
b）端铣
b）逆铣
a）顺铣
六、铣床的应用范围
铣床主要用于加工平面、斜面、沟槽、键槽、台阶面、齿形、螺旋槽及其他特形面等，此外，铣床还可以进行钻孔、铰孔、铣球面等。
七、铣床工艺特点
（1）铣削应用广泛，生产率较高。
（2）铣刀散热条件较好。铣。
（3）铣削加工质量不如车削加工质量高。
（4）铣床结构比较复杂，铣刀制造和刃磨较困难，铣削加工成本较高。
模块五
数控机床及其应用
一、数控技术简介
●数控技术是指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。它不仅可以控制机床上某些部件的位移、角度、速度等机械量，而且还可以控制温度、压力、流量、颜色等其他量。
●数控设备是指采用了数控技术的机械设备，是用数字信号控制设备的工作过程。
▲数控设备有数控机床、数控绘图机、数控测量仪、数控绣花机、数控编织机、焊接机器人等。
▲数控机床是一种装有程序控制系统的机床，机床的运动和动作按照这种程序控制系统发出的由特定代码和符号编码组成的指令进行控制。
●数控系统是用数字控制技术实现自动控制的系统，它能阅读输入载体上事先设定的数字值，并将其译码，从而实现机床自动加工零件的一种控制系统。数控系统与机床本体有机结合，就形成了各种数控设备（或数控机床）。
数控系统对机床的控制包括顺序控制和数字控制两个方面。
▲顺序控制是指对刀具交换、主轴调速、冷却液开关、工作台的极限位置等此类开关量的控制。
▲数字控制是指机床进给运动的控制，用于实现对工作台或刀架的位移、速度等此类数字量的控制。
●数控加工是操作者根据零件图样和工艺要求，编制成以数码表示的数控程序输入到机床的数控装置或控制计算机中，以控制工件和工具的相对运动，使机床加工出合格零件的方法。
●数控程序由一系列指令代码组成，每一指令对应于工艺系统的一个动作状态。
●数控编程包括零件分析到形成数控加工程序的全部过程，如零件的加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数（主轴转速、进给量、背吃刀量等）以及辅助功能（换刀、主轴正转与反转、切削液开与关等）。
▲数控程序的编制方法一般有手工编程和自动编程两种。
二、数控机床的组成
●数控机床一般由输入/输出装置、数控装置、伺服驱动控制装置、机床电器逻辑控制装置和机床等组成。
图8-40 数控机床组成简图
▲输入/输出装置的主要作用是输入加工程序和数据、打印和显示。
常用的输入/输出装置有光电阅读机、磁带录放机、磁盘驱动器、键盘和显示器等。
▲数控装置是数控系统的核心，它的主要作用是根据输入的程序和数据，完成数值计算、逻辑判断、轨迹插补、输出相应的指令脉冲信号等任务，以控制机床的运动。
数控装置一般由输入/输出接口、存储器、控制器和运算器等组成。
▲伺服驱动控制装置介于数控装置和机床之间。它的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。
▲机床电器逻辑控制装置介于数控装置和机床机械、液压部件之间。它主要完成机床主轴的变速和变向，刀具的选择交换，工件的装夹、冷却、液压、气动、润滑系统的控制功能及其他辅助功能。
▲机床主要包括主运动系统、进给运动系统、辅助部分（如液压、气动、冷却和润滑部分等）以及一些特殊部件，如储备刀具的刀库，自动换刀装置，自动托盘交换装置等。
三、数控机床的坐标系及与坐标系有关的点
●为了确定数控机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上某些运动部件的运动方向和运动距离，这就需要建立一个坐标系作为参考，这个坐标系就称为数控机床的坐标系。
建立数控机床坐标系需要以下统一原则：
▲刀具相对于静止的工件而运动的原则。
▲数控机床坐标系的规定。标准的数控机床坐标系是采用右手直角笛卡儿坐标系，即大拇指的指向是X轴的正方向；食指的指向是Y轴的正方向；中指的指向是Z轴的正方向。
图8-41 右手直角笛卡儿坐标系
▲旋转运动坐标。A、B、C分别表示轴线平行于X、Y、Z各轴的旋转运动。右手直角笛卡儿坐标系规定了直角坐标X、Y、Z三轴的正方向，同时根据右手螺旋法则，我们很容易确定围绕X、Y、Z各轴的旋转运动的正方向+A、+B、+C。
图8-42 卧式数控车床坐标系
图8-43 立式数控铣床坐标系
▲数控机床坐标系的原点。标准坐标系的原点位置是任意选择的。
▲附加坐标。一般我们称X、Y、Z为主坐标或第一坐标。如果在X、Y、Z主要直线运动之外另有第二组平行于它们的坐标运动，就称为附加坐标。第二组坐标则被指定为U、V、W坐标系，相应于U、V、W坐标系的回转运动则被指定为D、E、F。如果还有第三组运动坐标，则该坐标被指定为P、Q、R坐标系。
▲工件的运动。为了反映数控机床的移动部件是工件而不是刀具，通常在图中用加“′”的字母表示运动的正方向，即“′”的字母表示工件的运动，不带“′”字母表示刀具运动，两者所表示的运动方向正好相反。
2．与数控机床坐标系有关的点
●数控机床上的有关点主要包括机床原点、机床参考点、刀具安装基准点、工件原点等。
▲机床原点是由机床制造厂家设置在机床上的一个基准位置，其作用是使机床与控制系统同步，是建立测量机床运动坐标的起始点，又称为机床零点或机床绝对原点。在数控车床上，机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处。
▲机床参考点是由机床制造厂家在机床上的每一个进给轴上用挡铁和限位开关精确地预先确定好后，设置的一个物理位置（测量起点）。
数控系统将每一个进给轴在参考点位置的坐标值均设定为零，因此，参考点也称为“机械零点”。所谓“回零”操作，也就是回参考点。
图8-44 数控车床上的有关点
▲刀位点（刀具安装基准点）是指刀具的定位基准点，它是编制加工程序过程中用以表示刀具特征的点也是对刀和加工的基准。
▲工件原点就是工件坐标系的原点。在数控车床上加工工件时，工件原点一般设在主轴中心线与工件的右端面或左端面的交点上。
▲对刀点是指工件加工程序的起始点（也称为起刀点）。对刀的目的是确定程序原点在机床坐标系中的位置，也就是使刀位点与对刀点重合的操作
▲换刀点是指加工过程中需要换刀时刀具的相对位置点。
四、数控加工程序的组成与格式
●一个数控加工程序由程序名、程序内容和程序结束指令三部分组成。
▲程序名位于程序主体之前，是程序的开始部分，独占一行。程序名的作用是为了便于存储和查找。所以任何一个程序都必须有程序名。
▲程序内容部分是程序的主体，它由若干个程序段组成。每一个程序段又由若干个信息字组成。例如，
N10 G90 G00 X0 Y0 Z30.0；
N20 M03 S1200 T0101；
N30 G94 G01 Z10.0 F200；
N40 X20.0 Y30.0；
N50；
M02；
▲程序结束指令位于程序主体的后面，可用M02（程序结束）或M30（程序结束并返回起始段）来结束整个程序，子程序结束指令是M99。程序结束指令最好单独列为一个程序段。
●程序段格式——目前使用最多的是一种字地址程序段格式，这种字地址程序段格式的程序段中，每一个信息字之前都标有地址码用以识别地址。
字地址程序段格式程序段的一般形式如下：
N120 G01 X-60.0 Y40.0 F120 S1500 T0101 M03；
五、数控机床的工作原理
在数控机床上加工零件时，需要操作者把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小的单位量，即最小位移量（脉冲当量数），由数控系统按照零件加工程序的要求，使坐标移动若干个最小位移量，实现刀具与工件的相对运动，从而完成对工件的加工。
数控加工的一般工艺过程是：分析零件图样→确定加工方案→刀具与夹具选择→确定加工路线→确定切削用量→刀具运动轨迹计算→编写加工程序单→程序输入→程序校验→首件试切→检验→调整程序→正式切削。
六、数控机床的分类
●数控机床按刀具（或工件）进给运动的轨迹分类，可分为点位控制数控机床、直线控制数控机床和轮廓控制数控机床三类。
●数控机床按可同时控制的坐标轴数分类，分为两坐标、两轴半、三坐标及多坐标数控机床等。
●数控机床按工艺用途分类，可分为普通数控机床和加工中心等。
▲采取点位控制的数控机床的特点是：只要求控制刀具或机床工作台从一点移动到另一点的准确定位，至于点与点之间移动的轨迹原则上不加控制，并且在移动过程中刀具不进行切削。采用点位控制的数控机床主要有：数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床等。
▲采取直线控制的数控机床的特点是：除了控制点与点之间的准确定位外，还要保证被控制的两个坐标点间移动的轨迹是一条直线，且在移动的过程中，刀具能按指定的进给速度进行切削。采用直线控制的数控机床主要有：数控车床、数控镗铣床和数控磨床等。
▲采取轮廓控制的数控机床的特点是：能够同时控制两个或两个以上的轴同时按要求移动，并且在移动过程中，刀具对工件表面进行连续切削。采用轮廓控制的数控机床主要有：数控铣床、数控车床、数控磨床、数控齿轮加工机床和加工中心等。
a）点位控制
b）直线控制
c）轮廓控制
▲普通数控机床一般是指在加工过程中的某个工序上实现数字控制的自动化机床，在自动化程度上还不够完善，刀具的更换及零件的装夹等工序仍需由人工来完成，如数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床和数控齿轮加工机床等。
▲加工中心是指带有刀库和自动换刀装置的数控机床。加工中心配有自动换刀装置，工件经一次装夹后，可以几乎完成所有加工工序，因此，在加工中心上加工工件能有效地避免多次装夹产生的误差。目前，加工中心主要用于加工箱体类零件和复杂形状的零件。
七、数控加工的工艺特点及应用
●数控加工的特点
（1）在加工方面具有高度柔性，适应性较强。
（2）零件加工精度高，加工质量稳定。
（3）自动化程度高，工序高度集中，生产效率高，技术含量高。
（4）减轻操作人员的劳动强度，改善劳动条件和环境，便于实现现代化管理。
（5）数控机床的不足之处是初期设备投入较大，要求管理人员和操作人员的素质较高。
●数控机床特别适合于加工小批量而又多次生产的零件；适合于加工精度要求高和形状复杂的零件；适合于加工需要进行多种工序加工的零件；适合于加工必须严格控制公差的零件；适合于加工需要频繁改型的零件；适合于加工价格贵、不容许报废的关键零件；适合于加工生产周期短的急需零件等。
模块六
其他机床及其应用
一、刨床及其应用
●刨床是平面加工机床，刨床类机床主要有牛头刨床、龙门刨床和悬臂刨床等。
▲牛头刨床主要由床身、滑枕、刀架、横梁、工作台、进刀机构、变速机构、摆杆机构等组成。
滑枕带动刀架作直线往复主运动；工作台带动工件作间歇进给运动。
刨削是指用刨刀对工件作水平往复直线运动的切削加工方法。
图8-51 B6065型牛头刨床
刨削加工常用的刨刀主要有平面刨刀、偏刀、角度刨刀、切刀、弯切刀、成形刀等。
刨床的主要功能是用刨刀加工平面、沟槽及成形面。
刨床主要用于单件小批量生产和修配。但刨削加工生产率低，刀具磨损较大。
二、插床及其应用
●插床主要有普通插床、键槽插床、龙门插床和移动式插床等。
●插床主要由床身、滑枕、刀架、圆工作台、上滑座、下滑座、进给箱、分度装置、底座等组成。
●插床实际上是立式牛头刨床，主运动是插刀沿垂直方向作直线往复运动，工件可以沿纵向、横向、圆周三个方向作间歇进给运动。
图8-58 插床简图
●插床适用于加工单件或小批量零件的内表面，如加工孔内的键槽及零件上的方孔、多边形孔和花键孔等。与刨削相比，插刀刚性较低，生产率低。
三、镗床及其应用
●镗床主要有卧式镗床、坐标镗床、精镗床等。
●镗削加工时主运动是镗刀的回转运动，工件或镗刀移动是进给运动。
●卧式镗床主要由床身、前立柱、主轴箱、镗轴、刀具溜板、平旋盘、后立柱、后支承架、工作台等组成。?
图8-59 卧式镗床
●镗刀按结构不同，一般分为整体式单刃镗刀、镗刀头和镗刀块。
镗床的主要功能是用来加工尺寸较大、位置精度要求较高的孔。
镗削是镗刀回转作主运动，工件或镗刀移动做进给运动的切削加工方法。
镗削加工成本低，应用范围广，能较好地修正前道加工工序所造成的几何形状误差和相互位置误差。
四、磨床及其应用
●磨床是用砂轮或其它磨具（如砂带、油石等）对工件表面进行磨削加工的机床。
●磨床主要有：外圆磨床、内圆磨床、座标磨床、平面磨床、无心磨床、工具磨床及专用磨床等。
▲平面磨床主要有卧轴矩台平面磨床及立轴圆台平面磨床。?
▲砂轮是由一定比例的硬度很高的粒状磨料和结合剂压制烧结而成的多孔性磨具。
图8-66 砂轮及其磨削示意图
▲磨床的主要应用范围是磨削各种内外圆柱面、平面、沟槽、成形面等。
▲磨削是指用磨具以较高的线速度对工件表面进行精加工的方法。
▲磨削可以加工其它机床不能加工或很难加工的高硬度材料；磨削具有较强的适应性，可以获得高精度和低粗糙度值的加工表面，是机械零件精密加工的主要方法之一。
模块七
特种加工与先进加工技术简介
一、特种加工简介
●特种加工是直接把电、磁、声、光等能量或其组合施加在工件的待加工面上，去除多余的材料，使工件成为符合设计要求的零件的加工过程。
●特种加工的主要特点是：它不使用刀具或磨具等直接利用机械能对工件进行切削加工，而是利用电、磁、声、光等能量直接施加在被加工材料上进行加工，并获得需要的零件；它可以完成传统加工方法难以加工的材料以及精密、精细和形状复杂的工件的加工。
●特种加工方法主要有电火花加工、电解加工、超声波加工、激光加工、电子束加工和离子束加工等。
（一）电火花加工
●电火花加工（或电蚀加工）是指加工过程中，使工具电极和工件电极之间不断产生脉冲的火花放电，依靠放电瞬间产生的高温把金属蚀除下来的加工方法。
●电火花加工机床主要有电火花成形加工机床和电火花线切割机床。
▲电火花成形加工机床主要由机床主机（包括床身、立柱、工作台及主轴头等）、控制柜及工作液净化循环系统组成。
▲电火花线切割机床由主要机床部分（包括送丝机构、丝架、工作台和床身等）、脉冲电控制部分和工作液循环系统组成。
a）加工原理图
b）工具与工件
电火花加工主要适合于加工冲模、挤压模、塑料模以及带有小孔、异形小孔、槽和曲线形空腔的工件。
电火花线切割适合于加工极薄或易变形的工件（如样板）、淬硬模具、特殊形状的窄缝等。
（二）电解加工
●电解加工（或电化学加工）是利用金属工件在电解液中产生的阳极溶解的电化学腐蚀原理，对金属工件进行成形加工的方法。
●电解加工机床主要由机床主体、直流电源和电解液系统组成。
电解加工可一次性加工出形状复杂的型面或型孔，如锻模、冲压模、叶片、深孔（如炮管膛线、枪管内的来复线等），用于电解抛光、去毛刺、切割、雕刻和刻印等方面。
（三）超声波加工
●超声波加工是在含有磨料的液体介质中或干磨料中，利用超声波作动力，带动磨料冲击工件表面，以产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及空化作用来去除材料的加工方法。
●超声波加工机床有立式和卧式两种，其组成主要包括超声波发生器、超声波振动系统、机床主体、磨料悬浮液及循环净化系统等。
●超声波加工适合于加工各种硬脆材料，特别是非金属材料和半导体材料（如玻璃、陶瓷、石英、锗、硅、石墨、玛瑙、宝石、金刚石等）；适合于加工薄壁和窄缝零件，适合于加工各种硬脆材料上复杂形状的孔、型腔、成形表面等。
（四）激光加工
●激光是由于原子的受激辐射而产生的，它是一种能量高度集中、亮度高、方向性好、单色性好的相干光。
●激光加工就是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微细加工的工艺方法，它是一种汇集光、电、材料及计算机等技术于一体的现代加工方法。
激光加工特别适合于在极硬、极脆、极薄、极软和熔点极高的难加工材料上加工出各种微孔（直径为0.01mm～1mm）、深孔（深径比50～100）、窄缝等。
（五）电子束加工
●在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚集，形成高能量大密度的细电子束以轰击工件被加工部位，使该部位的材料熔化和蒸发，从而进行加工，或利用电子束照射引起的化学变化而进行加工的方法。
图8-78 电子束加工原理图
电子束加工适应范围广，常用于在不锈钢、耐热钢、合金钢、陶瓷、玻璃和宝石等材料上加工微深孔和窄缝，还用于焊接、切割、热处理、蚀刻等方面。
（六）离子束加工
●离子束加工是利用离子源产生的离子，在真空中经加速聚焦而形成高速、高能的束状离子流，从而对工件进行加工的方法。
●离子束加工主要用于精密、微细及光整加工，特别适用于对亚微米至纳米级精度的加工。
二、先进制造技术简介
●先进制造技术（或现代制造技术）是指制造业不断吸收信息技术、计算机技术和管理技术的成果，并将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务及回收的制造全过程中，以实现优质、高效、节能、清洁及灵活生产，提高企业对动态多变市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。
●先进制造技术主要有：水射流切割、超精密加工技术、成组技术、柔性制造系统（FMS）、虚拟制造技术、绿色制造与绿色加工技术等。
▲水射流切割又称水刀、水射流，是集机械、电子、计算机、自动控制技术于一体的高新技术，是近十年兴起的一项冷态切割新工艺。
图8-80 水射流切割
目前，水射流切割的用途主要有三个方面：第一是切割非可燃性材料，如大理石、磁砖、玻璃、水泥制品等材料，这是热切割无法加工的材料；第二是切割可燃性材料，如钢板、塑料、布料、聚氨酯、木材、皮革、橡胶等，以往的热切割也可以加工这些材料，但容易产生燃烧区和毛刺，但水射流切割则不会产生燃烧区和毛刺，而且被切割材料的物理性能和力学性能不发生改变；第三是切割易燃易爆材料，如弹药（如炮弹切割）和易燃易爆环境内的切割，这是其它加工方法无法取代的。
▲超精密加工技术是指加工误差在0.1～0.01μm，表面粗糙度Ra值小于0.02μm的加工技术。
超精密加工的目的是：提高装配水平，实现自动化装配；提高零部件互换性；采用高精度机床，提高产品质量，降低废品率；提高零件的耐磨性和组装精度。
实现超精密加工的方法主要有超精密切削、超精密磨削与研磨、超精密特种加工三大类。
▲成组技术是遵循事物的相似性，把许多具有相似信息的问题汇归成组（或族），以求用同一的方法解决，达到节省时间，提高效率的技术。
成组技术的核心是成组工艺，成组工艺是将相似的零件组成一个零件（或族），按零件组制订统一的加工方案，以扩大生产批量和提高生产效率的生产方法。
所谓相似零件是指一些几何形状相似，尺寸相近，加工工艺也相似的零件。加工工艺的相似表现为三个方面：第一是采用相同的加工方法进行加工；第二是采用相似的夹具安装；第三是采用相似的测量工具进行测量。
▲柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数控加工设备组成，能够适应加工对象变换的自动化机械制造系统。
柔性制造系统的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备、刀具及物料的储运系统，借助计算机技术，通过编程或对程序稍加调整就能在一定范围内可同时对几种不同的工件进行加工，从而实现“柔性”特点。
图8-81 一种柔性制造系统简图
▲虚拟制造技术就是将制造过程的计算机模型和仿真技术用于产品辅助设计和生产全过程模拟的技术。
虚拟制造技术的实质就是利用计算机进行建模和仿真，使新产品开发过程在计算机上模拟进行，不需要消耗物理资源。
▲绿色制造是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。
绿色制造的目的是使产品从设计、制造、使用及报废整个产品生命周期中不产生环境污染或者是产生的环境污染最小化，符合环境保护要求，对生态环境无害或危害极小，节约资源和能源，使资源利用率最高，能源消耗量最低。
绿色加工技术是指在不牺牲产品的质量、成本、可靠性、功能和能量利用率的前提下，充分利用资源，尽量减轻加工过程对环境造成的有害影响，达到加工过程中优质、低耗、高效及清洁化。
根据采用的加工介质分类，可分为自然绿色加工和辅助绿色加工。
自然绿色加工是指在机械加工时，除自然环境冷却外，不使用任何其他附加的介质（如冷风、水、植物油等），如干式切削（或磨削）、高速干式铣削等。
辅助绿色加工是指把无污染冷却介质（或润滑油）输入到切削区域，起到冷却或润滑等作用，如水射流加工和喷雾加工。
模块八
零件生产过程基础
知识
一、生产过程基础知识
●生产过程是指将原材料转变为成品零件并组装成机器的全过程，包括原材料运输与保存、生产准备工作、毛坯制造、毛坯加工、热处理、检验、装配、调试、表面处理、涂装、包装等。
●生产过程一般包括工艺过程和辅助过程两部分。?
▲工艺过程是利用生产设备、工具及一定的方法改变生产对象的形状（如铸造、锻造成形）、尺寸（如机械加工）、相对位置（装配）和性质（如物理性能、化学性能、力学性能）等，使其变为成品或半成品的过程。
▲辅助过程是指与原材料改变为成品件有间接关系的过程称为辅助过程，如运输、保管、检验、设备维修、购销等都是辅助过程。
●工艺规程是指生产中用一定的文件形式规定产品或零部件制造工艺过程和操作方法等的工艺文件。
▲工艺规程与产品的生产类型和生产条件等密切相关，它主要包括工艺路线拟定、工序的确定、机床和工艺装备的选择、加工余量、切削用量和工时定额等。
▲体现工艺规程的形式是机械加工工艺过程卡和机械加工工序卡。
机械加工工艺过程卡是以工序为单位简要说明零件加工过程的一种工艺文件。可用来进行生产管理，一般用于单件小批生产。
机械加工工序卡是在机械加工工艺过程卡片的基础上，以工序为单位详细地说明每个工步的加工内容、工艺参数、操作要求及所用的设备等内容。机械加工工序卡主要包括毛坯工序卡、机械加工工序卡、热处理工序卡、特种检验工序卡等。
●机械加工工艺过程是由一系列工序组成。一道工序又由若干个安装、工步、工位、走刀等单元组成。
▲工序是指在一个工作地点（或同一设备），对同一个（或同时对几个）工件所连续完成的那一部分工艺过程。工序是工艺过程的基本组成部分，是安排生产计划、生产管理和经济核算的基本单元。
▲安装是指工件在一次装夹中所完成的那部分工序。安装包括定位和夹紧两项内容。工件的安装方式一般有：专用夹具安装、划线找正安装和直接找正安装三种。?
图8-82 V形铁
图8-84 划线找正
图8-83 直接找正法
▲工步是指在一次安装中加工表面和切削刀都不变情况下，所连续完成的那部分工艺过程。工步是构成工序的基本单元，一道工序一般由几道工步组成。
▲工位是指采用转位（或移位）夹具、回转工作台或在多轴机床上加工时，工件在机床上一次安装后，工件需要经过若干个位置依次进行加工，工件在机床上所占的每一个位置上所完成的那一部分工艺过程就称为工位。一般来说，工件每安装一次至少有一个工位。
▲走刀是指在一个工步中，被切削表面需要几次切除多余的金属层，在使用同一刀具、相同转速和相同进给量条件下，刀具一次切除金属层所经历的工艺过程。
●生产纲领是企业在计划期内应当生产的产品数量和进度计划。
●生产类型是指企业（或车间）生产专业化程度的分类。
根据生产纲领的不同，并考虑产品的体积、重量和其他特征，可将生产类型分为单件生产、成批生产和大量生产三种。
●基准是指用来确定零件上一些点、线、面位置所依据的某些点、线、面。
基准
▲设计基准是设计时在零件图纸上所使用的基准。图8-88所示轴套零件图中的轴线就是各个外圆和内圆的设计基准，端面A则是端面B和端面C的设计基准。?
图8-88 轴套零件图
▲工艺基准是制造零件和装配机器的过程中所使用的基准。
▲选择粗基准的基本原则。
①保证零件各表面相互位置要求原则。
②合理分配加工余量原则。
③便于工件装夹原则。?
④粗基准不得重复使用原则。
▲选择精基准的基本原则
①基准重合原则。
②基准统一原则。
③互为基准原则。
④自为基准原则。
二、典型表面加工方法
●外圆表面加工方法
外圆表面的加工方法主要是车削和磨削。通常车削是作为粗加工和半精加工，磨削（或精细车）一般作为精加工。不同精度和表面粗糙度值的外圆面，可按图8-91所示的要求选择加工方法和加工路线。
图8-91 不同精度和表面粗糙度值的外圆面的加工方法和加工路线
●孔加工方法
图8-92 不同精度和表面粗糙度值的孔的加工方法和加工路线
孔加工方法主要有钻孔、扩孔、铰孔、镗孔和磨孔等，所用的机床主要有车床、钻床、镗床和磨床。图8-92所示是不同精度和表面粗糙度要求的孔的加工方法和加工路线。
●平面加工方法
平面加工主要有车削、铣削、刨削、插削和磨削等方法，其中刨削、铣削和磨削是平面加工的主要方法。图8-93所示是不同精度和表面粗糙度要求的平面的加工方法和加工路线。
图8-93 不同精度和表面粗糙度值的平面的加工方法和加工路线
●成形面加工方法
成形面是指具有特定形状的表面，如操作手柄的轮廓、凸轮的轮廓、风扇的叶片、齿轮表面、螺旋面等，这些表面都有其特定的用途。
成形面的基本的加工方式可以归纳为两类：第一类是选用成形刀具进行加工，如铣齿；第二类是利用刀具与工件之间的相对运动进行加工，如加工螺旋槽、齿轮齿形、利用靠模装置车成形面等。
三、典型零件的加工工艺
●典型零件主要是指轴类零件（如阶梯轴、锥度心轴、光轴、曲轴等）、盘类零件（如齿轮、带轮、法兰盘等）、套筒类零件（如轴套等）、箱体类零件（如齿轮箱等）及支架类零件等。
图8-96 典型零件
●一般来说，机械零件的生产包括毛坯成形和切削加工两个阶段。
从毛坯成形到获得合格的零件，可以有多种加工工艺过程进行选择。
●零件加工工艺过程的划分?
对于加工质量要求较高的零件来说，其加工工艺过程是分阶段进行的，其加工工艺过程一般是：毛坯成形阶段→粗加工阶段→半精加工阶段→精加工阶段→光整加工阶段→超精加工阶段→检验→合格零件→涂装→组装。
▲毛坯加工阶段的任务是根据零件的技术要求、性能要求、生产类型、制作材料及形状与结构，选择合理的毛坯成形方法，制造出与零件的形状比较接近的毛坯，达到既节省材料与加工工时，又满足使用要求。
▲粗加工阶段的任务是从毛坯上切除较多的加工余量，提高生产率，对加工精度和表面质量考虑较少。
▲半精加工阶段的任务是完成零件次要表面的加工，并为零件主要表面的精加工作准备，目的在于为零件主要表面的精加工准备好定位基准。对于加工质量要求不高的零件来说，到半精加工阶段就算完成了切削加工过程。
▲精加工阶段的任务是完成零件主要表面的加工，目的在于保证零件的加工精度和表面质量。绝大多数零件经过精加工后就算完成了切削加工过程。
▲光整加工阶段的任务是从零件上不切除或切除极薄的金属层，获得很光洁的表面或强化零件表面的过程。
▲超精加工阶段的任务是按照超稳定和超微量切削原则，实现零件加工尺寸误差和形状误差控制在0.1μm以下。
●划分零件加工工艺过程的目的
●选择机械加工方法需要考虑的基本因素
选择合理的机械加工方法需要根据零件的毛坯类型、结构形状、材料、热处理状态、加工精度、生产类型以及实际生产条件等因素来决定。
●机械加工工序安排的基本原则?
（1）基准先行原则。
（2）先粗后精原则。
（3）先面后孔原则。
（4）先主要后次要原则。
●热处理工序的合理安排
（1）合理安排预备热处理。
（2）合理安排调质处理。
（3）合理安排最终热处理。
（4）合理安排时效处理。
●辅助工序是指检验、去毛刺、划线、校直、清洗、涂装防锈油等。?
●典型零件加工工艺过程举例
图8-98 阶梯轴零件图
表8-10 阶梯轴零件切削加工工艺过程
工序号 工序名称 工序内容 设备 目的
1 下料 Φ70×210 锯床
2 车削 三爪自定心卡盘夹外圆。车削端面，钻中心孔 车床 确定基准
3 车削 车削外圆，留少量磨削余量，切槽，倒角 车床 确定几何形状
4 热处理 调质处理 加热炉 满足调质要求
5 铣键槽 铣键槽，去毛刺 铣床、钳工台 完成组件连接部分
6 粗磨外圆 磨削外圆，并留很小的精磨余量 磨床 定精度
7 精磨外圆 磨削外圆到尺寸要求 磨床 满足精度要求
8 检验 按图样检验入库 量具

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