機床

【作　者】范宏才　張克昌

對金屬或其他材料的坯料或工件進行加工﹐使之獲得所要求的幾何形狀﹑尺寸精度和表面質量的機器。

機械產品的零件通常都是用機床加工出來的。

機床是製造機器的機器﹐也是能製造機床本身的機器﹐這是機床區別於其他機器的主要特點﹐故機床又稱為工作母機或工具機。


機床包括﹕
金屬切削機床﹐主要用於對金屬進行切削加工﹔
木工機床﹐用於對木材進行切削加工﹔
特種加工機床﹐用物理﹑化學等方法對工件進行特種加工﹔
鍛壓機械﹐用於對坯料進行壓力加工﹐如鍛造﹑擠壓和衝裁等。
狹義的機床僅指使用最廣﹑數量最多的金屬切削機床。

機床是機械工業的基本生產設備﹐它的品種﹑質量和加工效率直接影響著其他機械產品的生產技術水平和經濟效益。因此﹐機床工業的現代化水平和規模﹐以及所擁有的機床數量和質量是一個國家工業發達程度的重要標誌之一。



簡史

公元前2000多年出現的樹木車床是機床最早的雛形。工作時﹐腳踏繩索下端的套圈﹐利用樹枝的彈性使工件由繩索帶動旋轉﹐手拿貝殼或石片等作為刀具﹐沿板條移動工具切削工件。

中世紀的彈性桿棒車床運用的仍是這一原理。

15世紀由於製造鐘錶和武器的需要﹐出現了鐘錶匠用的螺紋車床和齒輪加工機床﹐以及水力驅動的炮筒鏜床。

1500年左右﹐義大利人列奧納多‧達芬奇曾繪製過車床﹑鏜床﹑螺紋加工機床和內圓磨床的構想草圖﹐其中已有曲柄﹑飛輪﹑頂尖和軸承等新機構。

中國明朝出版的《天工開物》中載有磨床的結構﹐用腳踏的方法使鐵盤旋轉﹐加上沙子和水剖切玉石。

18世紀的工業革命推動了機床的發展。

1774年﹐英國人J.威爾金森發明較精密的炮筒鏜床﹐次年﹐他用這台炮筒鏜床鏜出的汽缸﹐滿足了瓦特﹐J.蒸汽機的要求。為了鏜製更大的汽缸﹐他又於1776年製造了一台水輪驅動的汽缸鏜床﹐促進了蒸汽機的發展。從此﹐機床開始用蒸汽機通過天軸驅動。

1797年英國人莫茲利﹐H.創製成的車床由絲杠傳動刀架﹐能實現機動進給和車削螺紋﹐這是機床結構的一大變革。

19世紀﹐由於紡織﹑動力﹑交通運輸機械和軍火生產的推動﹐各種基本類型的機床相繼出現。

1817年﹐英國人R.羅伯茨創製龍門刨床。

1818年美國人E.惠特尼製成臥式銑床。

1876年﹐美國製成萬能外圓磨床。

1835和1897年先後發明滾齒機和插齒機。
隨著電動機的發明﹐機床開始先採用電動機集中驅動﹐後又廣泛使用單獨電動機驅動。

20世紀初﹐為了加工精度更高的工件﹑夾具(見機床夾具)和螺紋加工工具﹐相繼創製出坐標鏜床和螺紋磨床。同時為了適應汽車和軸承等工業大量生產的需要﹐又研製出各種自動機床﹑仿形機床﹑組合機床和自動生產線。

隨著電子技術的發展﹐美國於1952年研製成第一台數字控制機床。

1958年研製成能自動更換刀具以進行多工序加工的加工中心。

從此﹐電子技術和計算機技術的發展和應用﹐使機床在驅動方式﹑控制系統和結構功能等方面都發生顯著的變革。




類型

金屬切削機床可按不同的分類方法劃分為多種類型。

按加工方式或加工對象
可分為車床﹑鑽床﹑鏜床﹑磨床﹑齒輪加工機床﹑螺紋加工機床﹑花鍵加工機床﹑銑床﹑刨床﹑插床﹑拉床﹑特種加工機床(如電火花加工機床)﹑鋸床和刻線機等。每類中又按其結構或加工對象分為若干組﹐每組中又分為若干型。中國機床的型號由類別﹑組別和型別加上主參數的規格組成﹐例如C6140是最大加工直徑為400毫米的普通車床的型號。


按工件大小和機床重量
分為儀錶機床﹑中小型機床﹑大型機床﹑重型機床和超重型機床。

按加工精度
分為普通精度機床﹑精密機床和高精度機床 3類。

鑽床﹑昇降台銑床等加工精度要求不很高﹐屬於普通精度機床。

坐標鏜床﹑螺紋磨床和磨齒機等要求加工精度很高﹐為高精度機床。

介於普通精度與高精度之間的稱精密機床。

車床﹑磨床等分別有3種精度類型。70年代末期出現加工精度高於0.1微米的超精密加工機床。


按自動化程度
分為手動操作機床﹑半自動機床和自動機床3類。

手動操作機床的工件裝卸﹐以及工件的形狀﹑尺寸和精度的控制等均由工人手動操作。

半自動機床經人工調整好後﹐除裝卸工件之外機床的工作機構可自動完成一個循環運動﹐加工好所裝夾的工件。

自動機床則經人工調整好後﹐機床的全部運動﹐包括裝卸工件在內都能自動連續完成﹐加工出成批合格的工件﹐工人僅監視機床是否正常工作。


按機床的自動控制方式
分為仿形機床﹑程序控制機床﹑數字控制機床﹑適應控制機床﹑加工中心和柔性製造系統。


按適用範圍
分為通用﹑專門化和專用機床3類。

通用機床是可以加工多種工件﹑完成多種工序﹑適用範圍較廣的機床﹐如普通車床﹑外圓磨床和龍門刨床等。

專門化機床是用於加工形狀相似而尺寸不同的特定工件的機床﹐如曲軸磨床和凸輪軸磨床等。

專用機床用於加工某一特定工件的特定工序﹐如東風牌汽車發動機氣缸鏜床等。專用機床中有一種以標準的通用部件為基礎﹐配以少量按工件特定形狀或加工工藝設計的專用部件組成的自動或半自動機床﹐稱為組合機床。


對一種或幾種零件的加工﹐按工序先後安排一系列機床﹐並配以自動上下料裝置和機床與機床間的工件自動傳遞裝置﹐這樣組成的一列機床群稱為切削加工自動生產線。柔性製造系統是由一組數字控制機床和其他自動化工藝裝備組成的﹐用電子計算機控制﹐可自動地加工有不同工序的工件﹐能適應多品種生產。





機床的運動
機床的切削加工是由刀具與工件之間的相對運動來實現的。
機床的運動可分為表面形成運動和輔助運動兩類。



表面形成運動
使工件獲得所要求的表面形狀和尺寸的運動﹐它包括主運動 ﹑進給運動和切入運動。

主運動﹕從工件毛坯上剝離多餘材料時起主要作用的運動。

主運動可以是工件的旋轉運動(如車削)﹑工件的直線運動(如在龍門刨床上刨削)﹐刀具的旋轉運動(如銑削和鑽削)或刀具的直線運動(如插削和拉削)。

進給運動﹕刀具和工件待加工部分相向移動﹐使切削得以繼續進行的運動﹐如車削外圓時刀架溜板沿機床導軌的移動﹐外圓磨削時工件的旋轉和工作台的直線運動都是進給運動﹐它們分別稱為圓周進給運動和縱向進給運動。

切入運動﹕使刀具切入工件表面一定深度的運動﹐其作用是在每一切削行程中從工件表面切去一定厚度的材料﹐如車削外圓時小刀架的橫向切入運動。在不同類型的機床上﹐用不同形式的刀具﹐通過以上3種運動的配合可以實現刀尖軌跡法﹑成形法和展成法(見切削加工)的表面形成運動。



輔助運動
主要包括刀具或工件的快速趨近和退出﹑機床部件位置的調整﹑工件分度﹑刀架轉位﹑送夾料﹑啟動﹑變速﹑換向﹑停止和自動換刀等運動。



主要技術參數
機床的主要技術參數包括主參數和基本參數。


主參數
表示機床的規格﹐是確定其他參數﹑設計機床結構和用戶選用機床的主要依據﹐例如普通車床的床身上最大迴轉直徑﹑臥式鏜床的主軸直徑和拉床的額定拉力等。

有的機床為了更完整地表示機床的工作能力﹐還有第二主參數﹐如最大工件長度﹑最大加工模數等。


基本參數
決定機床基本性能的一些技術參數﹐包括尺寸參數﹑運動參數和動力參數等。

尺寸參數是表示機床工作範圍的主要尺寸﹐以及與刀具﹑夾具﹑量具和機床結構有關的尺寸。

如工作台行程﹑主軸錐孔尺寸和機床外形尺寸等。

運動參數包括機床主運動和進給運動的速度範圍和級數﹑輔助運動的速度等。

動力參數包括機床上各電動機的功率﹑最大切削力﹑主軸最大扭矩﹑最大工件重量和機床淨重等。




基本組成
機床結構須滿足夾持刀具和工件的要求﹐並使之產生相對運動﹐還要能夠控制切削速度﹑進給量和切削深度等。

各類機床通常由下列基本部分組成﹕

支承部件﹐用於安裝和支承其他固定的或運動的部件和工件﹐承受其重量和切削力﹐如床身和立柱等﹔

變速機構(如機床變速箱)﹐用於改變主運動的速度﹔

進給機構(如機床進給箱)﹐用於改變進給量﹔

主軸箱﹐用以安裝機床主軸﹐也可與變速機構或進給機構合在一起﹔

刀架﹑刀庫等安裝或儲存刀具的部件﹔

控制和操縱系統﹔潤滑系統﹔冷卻系統。




機床附屬裝置
機床附屬裝置包括機床上下料裝置﹑機械手﹑工業機器人等機床附加裝置﹐以及卡盤﹑吸盤﹑彈簧夾頭﹑虎鉗﹑迴轉工作台和分度頭等機床附件。



技術性能指標
評價機床技術性能的指標最終可歸結為加工精度和生產效率。

加工精度包括被加工工件的尺寸精度﹑形狀精度﹑位置精度﹑表面質量和機床的精度保持性。

生產效率涉及到切削加工時間和輔助時間﹐以及機床的自動化程度和工作可靠性。

這些指標一方面取決於機床的靜態特性如靜態幾何精度和剛度﹐而另一方面與機床的動態特性如運動精度﹑動剛度﹑熱變形和噪聲等關係更大。



靜態幾何精度
機床不受外載荷﹑靜止或運動速度很低時的原始精度。

它包括機床各主要零部件的製造精度以及它們的相對位置和運動軌跡之間的精度﹐如工作檯面的平面度﹑主軸錐孔中心線的徑向跳動﹑溜板移動在水平面和垂直面內的直線度等。

國際標準化組織(ISO)和許多國家都制訂了各種機床的精度標準。


運動精度
機床主要零部件在工作速度下運動時的精度。

例如高速旋轉的主軸﹐由於軸承製造誤差或油膜厚度的變化﹐其迴轉中心的位置不斷變化﹐形成“主軸軸心漂移”。運動精度還包括零部件的移動軌跡精度和速度不均勻性(或爬行)﹐以及螺紋加工機床和齒輪加工機床的傳動鏈精度等。


靜剛度
機床抵抗在外加靜態力作用下產生變形的能力。

實踐中也常用靜柔度來表示﹐其定義為靜剛度的倒數。

當扭矩作用在機床或其零部件上時﹐其變形量為角位移﹐扭轉剛度以牛‧米/弧度表示。

機床在切削力﹑重力和夾緊力等的作用下﹐除產生零件的拉壓﹑彎曲或扭轉變形外﹐還引起各零件接觸表面之間的接觸變形(以接觸剛度表示)﹐這種影響是比較大的。

機床的靜剛度與零部件的結構設計和製造裝配質量都有關係﹐它不僅影響加工精度﹐也影響機床的動剛度。


動剛度

機床在大小以一定頻率變化的正弦交變載荷(激振力)作用下所表現的剛度。

動剛度在數值上等於激振力與機床振幅之比﹐其常用單位為牛/微米。動剛度的倒數稱為動柔度。

機床﹑工件和刀具是一個彈性系統﹐動剛度與激振頻率對系統的固有頻率之比和系統的阻尼特性有關﹐當這兩頻率之比接近於 1時即引起共振﹐這時的動剛度最小。

機床工作時產生的機械振動會導致加工表面質量惡化﹐加速刀具磨損﹐降低生產率﹐嚴重時可使機床不能正常工作。

引起機床振動的主要原因有﹕
切削過程中切削力的變化﹐如在一定加工條件下會產生自激振動﹔
斷續切削或切削餘量不均勻﹔
機床傳動件的不平衡和機構的慣性力等﹔
外來的振源。

後三者引起的是受迫振動。

提高動剛度的措施是合理設計機床結構﹐如提高其靜剛度﹑改善機床的阻尼特性(如選用阻尼比較大的主軸軸承﹐提高構件接合面間的摩擦阻尼)等。


熱變形

由於機床內部或外部熱源的影響﹐機床本身溫度分布(溫度場)不均勻﹐機床各部件會產生不同的變形﹐從而破壞機床的幾何精度和工件與刀具間的相對位置﹐以致加工精度降低。

機床內部熱源主要是切削過程﹑電動機﹑軸承﹑機械摩擦和液壓系統等﹔外部熱源主要有氣溫﹑陽光和採暖設備等。

減小熱變形的措施在於減小或均衡機床內部熱源﹑採取散熱和隔熱措施和控制環境溫度等。


噪聲

機床噪聲過大﹐對於工人健康和安全生產都有不利的影響。

機床噪聲的大小是機床設計和製造水平的綜合反映。

噪聲的主要來源是電動機﹑帶傳動﹑齒輪傳動和液壓系統等發出的振動。

降低噪聲的途徑是合理地設計結構﹐提高加工和裝配質量﹐採取適當的隔聲和消聲措施。




發展趨勢

機床的主要發展趨勢是﹕
進一步應用電子計算機技術﹑新型伺服驅動元件﹑光柵和光導纖維等新技術﹐簡化機械結構﹐提高和擴大自動化工作的功能﹐使機床適應於納入柔性製造系統工作﹔提高功率﹑主運動和進給運動的速度﹐相應提高結構的動﹑靜剛度以適應採用新型刀具的需要﹐提高切削效率﹔提高加工精度並發展超精密加工機床﹐以適應電子機械﹑航天等新興工業的需要﹔發展特種加工機床﹐以適應難加工金屬材料和其他新型工業材料的加工。




參考書目

北京機床研究所編﹕《金屬切削機床》﹐機械工業出版社﹐北京﹐1974。

吳聖莊主編﹕《金屬切削機床》﹐機械工業出版社﹐北京﹐1980。戴曙主編﹕《金屬切削機床設計》﹐機械工業出版社﹐北京﹐1981。