金属切削机床

　　金属切削机床是用切削、磨削或特种加工方法加工各种金属工件，使之获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的机床（手携式的除外）。 金属切削机床是使用最广泛、数量最多的机床类别。
　　产品简介
　　通常狭义的机床仅指金属切削机床类产品。金属切削机床是采用切削的方法把金属毛坯加工成机器零件的机器， 它是制造机器的机器，所以又称为”工作母机”或”工具机”，习惯上简称机床。金属切削的过程是刀具与工件相互运动、相互作用的过程。刀具与工件的相对运动可以分解为两个方面，一个是主运动，另一个是进给运动。使工件与刀具产生相对运动而进行切削的最主要的运动，称为主运动。刀刃上选定点相对于工件的主运动速度称为切削速度。主运动特点是运动速度最高，消耗功率最大。主运动一般只有一个。保证金属的切削能连续进行的运动，称为进给运动。工件或刀具每转或每一行程时，工件和刀具在进给运动方向的相对位移量，称为进给量。进给运动的特点是运动速度低，消耗功率小。进给运动可以有几个，可以是连续运动，也可以是间歇运动。 　　金属切削过程是通过刀具切削工件切削层而进行的。在切削过程中，刀具的刀刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层，被称为切削层。切削层的截面尺寸被称为切削层参数。此外，在切削层中需介绍一重要概念－背吃刀量ap，对于外圆车削，它指已加工表面与待加工表面间的垂直距离。
　　具体介绍
　　切削刀具材料 　　随着全球机加工水平的不断进步，刀具生产制造技术的也在逐步发展，从刀具材料方面来讲，近代金属切削刀具材料从碳素工具钢、高速钢发展到今日的硬质合金、立方氮化硼等超硬刀具材料，使切削速度从每分钟几米飚升到千米乃至万米。铣刀
随着数控机床和难加工材料的不断发展，刀具实有难以招架之势。要实现高速切削、干切削、硬切削必须有好的刀具材料。在影响金属切削发展的诸多因素中，刀具材料起着决定性作用。 　　1、高速钢 　　高速钢自1900年面世至2000年，尽管各种超硬材料不断涌现，但始终未能动摇其切削刀具的霸主地位，2000年以后硬质合金已成为高速钢的“天敌”,正在持续不断地侵蚀着高速钢刀具的市场份额，但对于某些如螺纹刀具、拉削刀具等对韧性要求较高的刀具，高速钢仍可与硬质合金“分庭抗礼”,甚至占明显优势。 　　人们习惯上将高速钢分为四大类： 　　1）通用高速钢（HSS） 　　以W18Cr4V为代表的HSS曾辉煌过一个世纪，为我国刀具行业做出过杰出的历史性贡献，但由于还存在不少弊端，现已逐步淡出市场；M2钢的市场份额已由上世纪90年代的60%~70%下降到目前的20%~30%;9341是我国自行研制的HSS,市场份额占20%左右，W7、M7等其他HSS产量比较低。HSS已占高速钢总量60%以上。由于HSS的强韧性和较高的耐磨性、红硬性等优异性能，在丝锥、拉刀等刀具领域，还会牢牢守住一块地盘，不过阵地在逐年减少。 　　2）高性能高速钢（HSS-E） 　　HSS-E是指在HSS成分基础上加入Co、Al等合金元素，并适当增加含碳量，以提高耐热性、耐磨性的钢种。这类钢的红硬性比较高，经625℃×4h后硬度仍保持60HRC以上，刀具的耐用度为HSS刀具的1.5~3倍。 　　以M35、M42为代表的HSS-E产量逐年在增加，501是我国自产的高性能高速钢，在成形铣刀、立铣刀等方面应用十分普遍，在复杂刀具方面应用也比较成功。由于数控机床、加工中心、高难加工材料发展迅速，HSS-E刀具材料亦逐步增加。 　　3）粉末高速钢（HSS-PM） 　　和冶炼高速钢相比，HSS-PM力学性能有显着的提高。在硬度相同的条件下，后者的强度比前者高20%~30%,韧性提高1.5~2倍，在国外应用十分普遍。我国在上世纪70年代曾研制出多种牌号的HSS-PM,并投入市场，但不知何故夭折，现在各工具厂所用材料均系进口。值得欣喜的是，河冶科技股份有限公司（原河北冶金研究院）已能生产HSS-PM,并小批量供货，效果不错。由于资源日益枯竭和HSS-PM自身优良的综合性能及市场的需求，HSS-PM必将会有一个长足的进步。 　　4）低合金高速钢（DH） 　　由于合金资源越来越少、成套麻花钻出口及低速切削工具的需要，钢厂和工具厂共同开发出301、F205、D101等多种牌号的DH.2003年我国生产高速钢6万吨，其中DH两万吨，占高速钢的1/3;2004年DH占高速钢的40%,2005年、2006年仍呈增长势头。但其中水分不少，有些根本不属高速钢，硬度也达不到63HRC,也被标以HSS. 　　2、硬质合金 　　机械制造业需要“高精度、高效率、高可靠性和专用化”的经营理念，在当代刀具制造和使用领域，“效率第一”的理念已经取代了传统的“性能价格比”老概念，这一变化为高技术含量的高效刀具的发展扫清了障碍。 　　硬质合金不仅具有较高的耐磨性，而且韧性也较高（和超硬材料相比），所以得到广泛的应用，展望未来，它仍然是应用最广泛的刀具材料。从历届机床工具博览会上可以看出，硬质合金可转位刀具几乎覆盖了所有的刀具品种。随着科学技术的发展和刀具技术的进步，硬质合金的性能得到很大改善：一是开发了提高韧性的1~2μm细颗粒硬质合金；二是开发了涂层硬质合金。与高速钢刀具相比，硬质合金涂层刀具的市场份额增长幅度更大，因为在高温和高速切削参数下，高强度更为重要。 　　现代切削刀具，硬质合金大展其威，展望未来，刀具材料无疑是硬质合金的天下。 　　3、超硬刀具材料 　　超硬材料是指以金刚石为代表的具有很高硬度物质的总称。超硬材料的范畴虽没有一个严格的规定，但人们习惯上把金刚石和硬度接近于金刚石硬度的材料称为超硬材料。 　　1）金刚石 　　金刚石是目前世界上已发现的最硬的一种材料。金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性等性能，在有色金属和非金属加工中得到广泛的应用，尤其在铝和硅铝合金高速切削加工中，如轿车发动机缸体、缸盖、变速箱和各种活塞等的加工中，金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具。近年来，由于数控机床的普及和数控加工技术的高速发展，可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具的应用日渐普及。金刚石刀具现在和将来都是数控加工中不可缺少的重要刀具。 　　2）立方氮化硼（CBN） 　　立方氮化硼是氮化硼的同素异构体，其结构与金刚石相似，硬度高达8000~9000HV,耐热度达1400℃，耐磨性好。近年来开发的多晶立方氮化硼（PCBN）是在高温高压下将微细的CBN颗粒通过结合相烧结在一起的多晶材料，既能胜任淬硬钢（45~65HRC）、轴承钢（60~64HRC）、高速钢（63~66HRC）、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削加工。 　　3）陶瓷刀具 　　陶瓷刀具是最有发展潜力的刀具之一，目前已引起世界工具界的重视。在工业发达的德国，约70%加工铸件的工序是由陶瓷刀具来完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%~10%.由于数控机床、高效无污染切削、被加工材料硬等因素，迫使刀具材料必须更新换代，陶瓷刀具正是顺乎潮流，不断改革创新，在Al2O3陶瓷基体中添加20%~30%的SiC晶液制成晶须增韧陶瓷材料，SiC晶须的作用犹如钢筋混凝土中的钢筋，它能成为阻挡或改变裂纹扩展方向的障碍物，使刀具的韧性大幅度提高，是一种很有发展前途的刀具材料。为了提高纯氧化铝陶瓷的韧性，加入含量小于10%的金属，构成所谓金属陶瓷，这类刀具材料具有强大的生命力，正以强劲势头向前发展，也许将来会自成一系，成为刀具材料家族新成员。 　　陶瓷刀具的主要原料是Al2O3、SiO2、碳化物等，它们是地壳中最富足的资源，发展此类刀具不存在原料来源问题。因此，开发应用陶瓷刀具有重要的战略意义和深远的历史意义。 　　由于切削加工机床和切削技术的突飞猛进，迫使刀具被动式同步。刀具材料的发展趋势，是向着高效率、高速度、高寿命方向发展。在各种刀具材料的发展中，硬质合金（包括涂层硬质合金）一枝独秀；HSS将进一步萎缩；HSS-E增幅缓慢；HSS-PM将有长足的进步；DH还会继续膨胀扰乱市场，不过好景不长；超硬刀具材料有广阔的发展空间，将继续扩大应用比例。形成了以硬质合金为主线，各种材料既有独特的优点和应用范围，又互相发展、互相竞争，又相互有所取代补充的整体格局。 　　车床及其加工 　　车削加工是利用工件的旋转和刀具的直线移动加工工件的，在车床上可以加工各种回转表面。由于车削加工具有高的生产率，广泛的工艺范围以及可得到较高的加工精度等特点，所以车床在金属切削机床中占的比例最大，约占机床总数的20-35%，车床是应用最广泛的金属切削机床之一。下面以常见的CA6140型普通机床为例来分析车床的组成及加工特点。车床
一、CA6140型普通机床 　　CA6140型普通机床是普通精度级机床。 　　（一）机床的组成 　　其主要部件如下： 　　（1）主轴箱 用来支承主轴并通过变换主轴箱外部手柄的位置（变速机构），使主轴获得多种转速。装在主轴箱里的主轴是一空心件，用来通过棒料。主轴通过装在其端部的卡盘或其他夹具上带动工件旋转。 　　（2）挂轮箱 是把主轴的转动传给进给箱，调换箱内的齿轮并与进给箱相配合，可获得各种不同的进给量或加工各种不同的螺纹。 　　（3）进给箱（走刀箱） 主轴的转动通过进给箱内的齿轮机构传给光杠或丝杠。变换箱体外面的手柄位置，可使光杠或丝杠得到不同的转速。 　　（4）溜板箱通过其中的转换机构将光杠或丝杠的转动变为拖板的移动。经拖板实现纵向或横向进给运动。大拖板使车刀作纵向运动；中拖板使车刀作横向运动；小拖板纵向车削短工件或绕中拖板转过一定角度来加工锥体，也可以实现刀具的微调。 　　（5）刀架 用来装夹刀具。 　　（6）尾座 安装在床身右端的导轨上，其位置可根据需要左右调节。它的作用是安装后顶尖以支承工件和安装各种刀具。 　　（7）床身 是车床的基础零件，用来支承和安装车床的各个部件，以保证各部件间有准确的相对位置，并承受全部切削力。车身上有四条精确的导轨，以引导拖板和尾座移动。 　　此外还有冷却润滑装置、照明装置及盛液盘等。 　　（二）车床上的运动 　　在车床上加工各种回转表面，必须具备下列运动。 　　（1）主运动 在车床上工件的旋转为主运动。 　　（2）进给运动 即刀架的纵向和横向运动以主轴转一转，刀具相对工件移动距离来表示进给运动的大小，进给运动的速度较低，以mm/r表示。 　　此外，还有刀具的切入、退出及返回等辅助运。车刀
（三）车床的传动系统 　　二、卧式车床应用范围及加工特点 　　车床的工艺范围相当广泛，在几乎不加其他装置的情况下，能完成的各种工作：用中心钻钻中心孔（a）；车外圆（b）；车端面（c）；使用麻花钻钻孔（d）；镗孔（e）；用绞刀绞孔（f）；切槽和切断（g）；车螺纹（h）；用滚花刀滚花（i ）；车锥面（j）；车特形面（r ）；盘绕弹簧（l）。 　　1、车外圆 　　车外圆是最基本、最简单的切削方法。车外圆一般经过粗车和精车两个步骤。粗车的目的是使工件尽快的接近图纸上的形状和尺寸。并留有一定的精车余量。粗车精度为IT11、IT12，粗糙度为12.5μm。精车则是切去少量的金属，以获得图纸上所需的形状、尺寸和较小的表面粗糙度。精车精度为IT6～IT8。 　　2、车端面 　　车端面时，常用的车刀有偏刀和弯头车刀两种，车削时，车刀可由外圆向中心给进，。但由于用偏刀由外向中心进给时是用副切削刃进行切削，同时受切削力方向的影响，刀尖易扎入工件形成凹面，影响工件质量。因此，在精车端面时，偏刀再最后一次走刀应由中心向外进给，这样能避免下述缺点如图。用弯头车刀车端面时，由于是利用主刀刃来进行切削，所以，切削顺利，适用于加工较大端面。 　　车端面时，车刀的刀尖要对准中心。否则不仅改变前、后角的大小，而且在工件中心还会留有一个切不掉的凸台，把刀尖压坏或损坏。 　　3、切断和切槽 　　所谓切断是指在车床上用切断刀截取棒料或将工件从原料上切下的加工方法。切断时一般采用正车切断法，同时进给速度应均匀并保持切削的连续性。正切容易产生振动，致使切断刀折断。因此，在切断大型工件时，常采用反车切断法进行切断。反车切断法刀具对工件作用力与工件的重力G的方向一致，有效地减少了振动，而且排屑容易，减少了刀具的摩损，改善了加工条件。由于刀头切入工件较深，散热条件差，因此切钢件时应加冷却液。 　　圆柱面上各种形状的槽，一般是用与槽性相应的车刀进行加工。较宽的槽，可通过几次吃刀来完成，最后根据槽的要求进行精车。 　　4、车圆锥面 　　用圆锥面的配合时，同轴度高、装卸方便。锥角较小时，可以传递较大扭矩。因此圆锥面广泛用于刀具和工具。 　　圆锥面的加工方法有以下三种： 　　（1）转动小刀架车锥面 　　车削锥度较大和较短的内、外圆锥面时，松开固定小刀架拖板的螺母，将刀架小拖板饶转盘转轴线转过某一角度（工件的半锥角），然后锁紧螺母。摇动小拖板的手柄，使车刀沿着圆锥面母线移动，从而加工出所需的圆锥面 。 　　这种方法的优点是能加工锥角很大的外锥面，操作简单，调整方便，因此应用广泛。但因受小拖板行程的限制，不能加工较长的锥面，不能做机动进给，因此只适用于加工短的圆锥面，单件小批量生产。 　　（2）宽刃车刀车锥面 　　用宽刃车刀加工较短的圆锥面，锥体长度L20～25mm。车刀安装时，切削刃应与锥面母线平行。较长的锥面不能用宽刃刀切削，否则，将引起振动，使工件表面产生波纹。 　　（3）偏移尾架车锥面 　　在加工较长工件上的小锥度外圆锥面时，可把尾架顶尖向外偏移一定距离S，使锥面母线与车刀的纵向进给方向平行，利用车刀的自动纵向进给，来车出所需的锥面。 　　这种方法可以加工较长的锥面，并能采用机动进给。但只能加工半锥角较小的外锥面。因为当圆锥过大时，顶尖在工件中心孔内歪斜，接触不良，磨损也不均匀，会影响加工质量。 　　此外，对于一些锥面较长，精度要求较高，而批量又较大的零件还可采用靠模法车削。 　　5、钻孔和镗孔 　　在车床上钻孔，工件一般装在卡盘上，钻头则装在尾架上，此时工件的旋转为主运动。为防止钻偏，应先将工件端面车平，有时还在端面中心处先车出小坑来定中心。钻孔时动作不宜过猛，以免冲击工件或折断钻头。钻深孔时，切削不易排出，故应经常退出钻头，以清除切屑。钻钢料时应加冷却液，钻铸铁不加冷却液。镗孔是钻出或铸、锻出的孔的进一步加工。在成批大量生产中，镗孔常作为车床绞孔或滚压加工的半径加工的半精加工工序。镗孔与车外圆相似，分粗镗和精镗，必须注意的是切深进刀的方向与车外圆相反。用于车床的镗孔刀，其特点是刀杆细长，刀头较小，以便于深入工件孔内进行加工。由于刀杆钢性差，刀头散热体积小，加工中容易变形，切削用量要比车外圆小些，应采用较小的进给量和切削深度，进行多次走道完成。 　　6、车螺纹 　　螺纹按牙形分为三角螺纹、梯形螺纹、锯齿螺纹和矩形螺纹等。生产中常用的三角螺纹，其螺纹车刀切削部分的形状应与螺纹的轴向截面相符合。车削时，工件每转一转，车刀必须纵向移动一个导程（单头螺纹，导程=螺距），才能加工出正确的螺纹。 　　钻床及其加工 　　钻床主要是加工孔，一般只适于加工直径在100mm以内的孔，直径更大的孔，则需在镗床上进行加工。钻削、镗削加工时，主运动是刀具的旋转运动，单位为米/分（m/min）；进给运动是刀具的轴向运动，单位为米/主轴每转（m/r）或毫米/刀具每齿(mm/z)。 　　一、钻床的功用和分类钻床
钻床主要用于加工尺寸不太大，精度要求不很高的孔，主运动为刀具随主轴的转动；进给运动为刀具沿主轴轴线的运动。加工前调整好被加工工件孔的中心，使它对准刀具的旋转中心。加工过程中工件固定不动。 　　按JB1838-85的规定，钻床共分为摇臂钻床、台式钻床、立式钻床、卧式钻床、深孔钻床和中心孔钻床等八组二十八个系，而以摇臂钻床应用最为广泛。 　　1、摇臂钻床 　　在一些大而重的工件上加工孔，人们希望工件固定不动，移动钻床主轴，使主轴对准被加工孔，因此就产生了摇臂钻床。摇臂钻床的主轴箱5可沿着摇臂4的导轨横向调整位置，摇臂4可沿外立柱3的圆柱面上下调整位置，此外，摇臂4及外立柱3又可绕内立柱2转动。因此工作时，可以方便地调整主轴6的位置，这时工件固定不动。摇臂钻床广泛地应用于单件和中、小批生产中加工大、中型零件。 　　2、立式钻床 　　加工前需调整工件在工作台上的位置，使被加工孔中心线对准刀具的旋转中心，在加工过程中工件是固定不动的。加工时主轴既旋转又作轴向进给运动，同时由进给箱传来的运动，通过小齿轮和主轴筒上的齿条，使主轴随着主轴套筒作轴向直线进给。进给箱和工作台的位置可沿立柱上的导轨上下调整，以适应加工不同高度的工件需要。 　　在立式钻床上，加工完一个孔后再加工另一个孔时，需移动工件。这对于大而重的孔件，操作很不方便。因此，立式钻床仅适用于加工中、小型工件。 　　3、台式钻床 　　台式钻床简称“台钻”，实质上是一种加工小孔的立式钻床。钻孔直径一般在15mm以下。由于加工的孔径很小，所以台转的主轴转速往往较高，最高可达到每分钟几万转。台钻小巧灵活，适用方便，适于加工小型零件上的小孔，通常用手动进给。 　　二、钻削的应用范围及加工特点 　　在钻床上可完成以下切削加工：用麻花钻钻孔（a）；用扩孔钻扩孔（b）；用绞刀铰孔（c）；用锪钻（划钻）锪锥坑（d）；锪鱼眼坑（e）；锪平面（f、g）；用丝锥攻螺纹孔（h）。虽然钻床可完成以上各种加工，但主要是用来钻孔、扩孔和铰孔。 　　1、钻孔加工的特点 　　（1）钻孔时麻花钻深埋孔中，处于封闭状态，排削困难，故散热条件极差。再加上冷却润滑液很难到达切削区，使得刀具（在不加冷却润滑液时）吸收的热量达到总热量的一半以上，容易引起刀具磨损。 　　（2）钻头是定尺寸刀具，直径受加工孔径的限制，因而钻头的强度和刚度较低。加之仅靠两条棱边导向，导向作用较差。因此，容易造成加工孔的歪斜，孔径扩大及孔不圆等弊病。故钻孔精度低，粗糙度大，其经济精度一般在IT10以下，Ra=6.3～25μm。 　　（3）钻削时轴向力较大，主要是由横刃产生的。因为钻头切削刃上各点的前角随半径的减小变化很大。在横刃处前角约为负540，实际上是刮削，所以产生了很大的轴向力。 　　（4）由于上述三个特点，钻孔时只能选用较小的切削用量，所以生产率低，另外受钻头直径等多种因素限制，钻孔直径一般不超过100mm。 　　2、扩孔的特点 　　扩孔是对已钻出、铸出或锻出的孔用扩孔钻进一步加工的方法。扩孔有以下特点： 　　（1）因为扩孔时切削深度较小，再加上扩孔钻相当于具有3～4个刃齿的麻花钻，且无横刃，其钻尖处前角较大，在切削深度较小时仅靠钻尖处一小段主切削刃切削，故扩孔时切削力小，发热也就很少，动力消耗及因热效应引起的刀具磨损均较小。 　　（2）由于有预加工的孔，故排削方便，冷却润滑条件好。 　　（3）扩孔钻钻芯粗、刚性好，再加上有3～4个导向棱带，故切削平稳，可纠正的孔的轴线歪斜。 　　（4）受扩钻孔直径的限制，扩孔一般只适用于直径100mm以下的孔的加工。 　　（5）由于以上原因，扩孔时可采用较大的切削用量，同时能得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度。一般扩孔经济精度为IT9～IT10级，表面粗糙度Ra=3.2～6.3μm 。 　　3、铰孔的特点 　　铰孔属孔的精加工。这主要是因为绞刀的主、副偏角都很小。切削刃又多，使残留面积极小，再加上铰削深度很小（精铰时ap=0.05～0.25mm）、铰削速度很低。使切削力、切削热均很小，不产生积屑瘤。同时，铰刀上很长的刮光刃对孔壁有修刮和挤光的作用。故可以得到很高的尺寸精度和很小的表面粗糙度，使机铰的经济精度达IT7～IT8级，粗糙度为Ra=0.8～3.2μm。手铰更高，分别为IT6～IT7级和Ra=0.4～0.8μm ，但它不能校正孔的轴线，而且一般只能加工直径80mm以下的孔。 　　镗床及其加工 　　主要是用镗刀进行镗孔，由于镗床的主轴、工作台等部件刚度好，精度较高，所以在镗床上可加工出尺寸、形状和位置精度均较高的孔，尤其适合加工箱体类结构复杂、外形尺寸较大的工件。 　　镗床主要有下列几类：卧式镗床、坐标镗床、金刚镗床、立式镗床、深孔镗床、落地镗床等。 　　1、卧式镗床 　　在卧式镗床上进行镗孔、车端面和凸缘、钻孔、铣平面、车内螺纹等加工，如图31-29所示。这种机床通用性好、应用广泛，所以习惯上又称万能镗床。 　　卧式镗床的外型如图19-30所示。加工时，刀具安装在主轴3或平旋盘4上。主轴箱1可获得各级转速和进给量，同时还可沿立柱2的导轨上下移动。工件安装在工作台5上，同工作台一起随下滑座7或上滑座5作纵向或横向移动。可用工作台绕上滑座的导轨调整角度以加工互相成一定角度的孔或平面。当镗刀杆伸出较长时，可用后立柱10上的支承9来支承镗杆，以提高镗杆的刚度。当刀具装在平旋盘4的径向刀架上时，刀具可以作径向进给以车削端面。 　　2、落地镗床 　　在加工某些庞大而笨重的工件时，我们希望工件在加工过程中固定不动，运动由机床部件来实现。因此，在卧式镗床的基础上，又产生了落式镗床。落式镗床没有工作台，工件直接固定在地面的平板上。镗轴的位置，是由立柱沿床身导轨作横向移动及主轴箱沿立柱导轨作上下移动，来进行调整的。落地镗床较大，它的镗轴直径往往在125mm上。落地镗床是用于加工大型零件的重型机床，因此它具有下列主要特点： 　　（1）万能性大。大型工件装夹及找正困难而且费时，因此希望尽可能在一次安装中将全部表面加工出来，所以落地镗床的万能性较大，机床可以进行镗、铣、钻等各种工作 。 　　（2）由于机床庞大，为使操纵方便起见，通常是用悬挂式操纵板或操纵台集中操纵； 　　（3）为了观察部件位移方便，落地镗床大多备有移动部件（立柱、主轴箱及镗轴）位移的数码显示装置，以节省观察及测量位移的时间和减轻工人劳动强度。