任务1.1　认知金属切削基础

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1.1.1　认知机床分类

金属切削机床（简称机床）是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，是制造机器的机器，又称为“工作母机”，习惯上称为机床。

金属切削机床的品种和规格繁多，为便于区别、使用和管理，必须对机床进行分类和编制型号，为此国家制定了相应标准进行规范管理。

1.机床传统分类方法

在《金属切削机床型号编制方法》（GB/T 15375—2008）中，将机床按照工作原理划分为：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、锯床以及其他机床11类。每一类机床又按工艺范围、布局形式和结构等分为10个组，每一组又细分为若干系（系列）。

2.按照通用性分类

同类机床按应用范围（通用性程度）又可分为通用机床、专门化机床和专用机床。

（1）通用机床。它可用于加工多种零件的不同工序，加工范围较广，通用性较大，但结构比较复杂。这种机床主要适用于单件小批量生产，例如卧式车床、万能升降台铣床等。

（2）专门化机床。它的工艺范围较窄，专门用于加工某一类或几类零件的某一道（或几道）特定工序，如曲轴车床、凸轮轴车床等。

（3）专用机床。它的工艺范围最窄，只能用于加工某一种零件的某一道特定工序，适用于大批量生产，如机床主轴箱的专用镗床、车床导轨的专用磨床和各种组合机床等。

3.按照工作精度分类

同类型机床按工作精度可分为普通精度机床、精密机床和高精度机床。

4.按照自动化程度分类

按自动化程度分为手动机床、机动机床、半自动机床和自动机床。

5.按质量与尺寸分类

按质量与尺寸分为仪表机床、中型机床（一般机床）、大型机床（重量达10t）、重型机床（大于30t）和超重型机床（大于100t）。

1.1.2　认知机床型号编制方法

我国现在最新的机床型号，是按2008年颁布的GB/T 15375—2008《金属切削机床型号编制方法》编制的。该标准规定，机床型号由汉语拼音字母和阿拉伯数字按一定的规律组合而成。

1.通用机床的型号编制

通用机床型号由基本部分和辅助部分组成，中间用“/”隔开，前者需要统一管理，后者纳入型号与否由企业自定。型号构成如图1-1-1所示。

（1）机床的分类及类代号

机床按工作原理分为车床、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、锯床及其他机床11类。机床的类代号用大写的汉语拼音字母表示，见表1-1-1。必要时每类还可分为若干分类，分类代号在类代号之前，作为型号的首位，用阿拉伯数字表示（第一分类代号前的“l”省略），见表1-1-1中的磨床。

（2）机床特性代号

机床的特性代号包括机床的通用特性和结构特性。这两种特性代号用大写的英文字母表示，位于类代号之后。

①通用特性代号。有统一的固定含义，在各类机床的型号中表示的意义相同，见表1-1-2。当某类机床除有普通型外还有下列某种通用特性时，在类代号之后加通用特性代号予以区分。如果某类机床仅有某种通用特性而无普通形式，通用特性不予表示。当在一个型号中需同时使用二到三个通用特性代号时，一般按重要程度排列顺序。

②结构特性代号。对主参数值相同而结构性能不同的机床，在型号中加结构特性代号予以区分，它在型号中没有统一的含义，只在同类机床中起区分机床结构性能的作用。当型号中已有通用特性代号时，结构特性代号应排在通用特性代号之后。

（3）机床组、系的划分

每类机床划分为10个组，每组使用一位阿拉伯数字表示，位于类代号或通用特性代号和结构特性代号之后，每组又划分为10个系（系列），每个系列用一位阿拉伯数字表示，位于组代号之后。

（4）主参数的表示方法

机床型号中主参数用折算值（主参数乘以折算系数，一般取两位数字）表示，位于系统代号之后。

（5）机床的重大改进序号

当机床的结构，性能有更高的要求，并需按新产品重新设计、试制和鉴定时，按改进的先后顺序在型号基本部分的尾部加A、B、C英文字母（I、Q两个字母不得选用），以区别原机床型号。

（6）其他特性代号

其他特性代号用以反映各类机床的特性，用数字、字母或阿拉伯数字来表示。

通用机床型号的编制方法举例如下：

【例1-1-1】CA6140型卧式车床。

CA6140机床型号释义如图1-1-2所示。

【例1-1-2】MG1432A型高精度万能外磨床。

MG1432A机床型号释义如图1-1-3所示。

2.专用机床的型号编制

（1）专用机床型号表示方法

专用机床的型号一般由设计单位代号和设计顺序号组成，其表示方法如图1-1-4所示。

（2）设计单位代号

设计单位代号包括机床生产厂和机床研究单位代号（位于型号之首）。

（3）专用机床的设计顺序号

按该单位的设计顺序号（从“001”起始）排列，位于设计单位代号之后，并用“-”隔开，读作“至”。

如北京第一机床厂设计制造的第100种专用机床为专用铣床，其型号为B1-100。

关于机床型号中其他内容，参见国家标准《金属切削机床型号编制方法》（GB/T 15975—2008）。

1.1.3　认知机床运动

分析机床运动的目的在于利用简便的方法认识一台陌生的机床，掌握机床的运动规律，分析各种机床的传动系统，从而能够合理地使用机床。对认知与掌握被加工工件表面成形运动具有直接指导作用。

1.被加工工件的表面形状

在切削加工过程中，安装在机床上的刀具和工件按一定的规律作相对运动，通过刀具的刀刃对工件毛坯的切削作用，把毛坯上多余的金属切除掉，从而得到所要求的表面。尽管被加工零件的形状各异，但其常用的组成表面无非是平面、直线成形表面、圆柱面、圆锥面、球面、圆环面、螺旋面等基本表面元素，如图1-1-5所示。

2.零件表面成形方法

零件表面形状的形成是在机床加工零件时，工件和刀具彼此间协调地相对运动，用刀具切削刃切削出来的，即借助一定形状的切削刃以及切削刃与被加工表面之间按一定规律作相对运动，形成所需的母线和导线，从而生成所要加工的表面。常见机床上形成发生线的方法有以下四种。

①轨迹法。轨迹法如图1-1-6（a）所示，它是利用刀具按一定规律作轨迹运动从而对工件进行加工的方法。刀刃与被加工表面为点接触，刀刃按一定轨迹运动形成所需的结构表面。用轨迹法形成发生线需要借助成形运动。

②成形法。成形法是采用各种成形刀具加工，刀具的切削刃形状与被加工表面的母线形状一致，导线是由刀具切削刃相对于工件的运动形成的。如图1-1-6（b）所示，刨刀切削刃形状与工件曲面的母线相同，刨刀的直线运动形成直导线。

③展成法。展成法是利用工件和刀具作展成切削运动实现对工件的加工。如图1-1-6（c）所示，插齿加工时，刀具与工件间作展成运动即啮合运动，切削刃各瞬时位置的包络线是齿形表面的母线，导线是由刀具沿齿长方向的运动形成的。

④相切法。针对铣刀、砂轮等旋转刀具，加工时切削刃上多个切削点轮流与工件接触，刀具中心是按一定规律作轨迹运动的。如图1-1-6（d）所示，铣刀加工工件时，刀具自身的旋转运动形成圆形发生线，同时切削刃相对于工件的运动形成其他发生线。

3.机床的运动

为了在机床上加工工件，机床必须使刀具和工件完成一系列运动。按功用不同，机床上的运动可分为表面成形运动和辅助运动（非表面成形运动）两大类。

（1）表面成形运动

为了形成工件表面的发生线，机床上的刀具和工件按轨迹法、成形法、展成法、相切法四种方法之一所作的相对运动称为表面成形运动，简称成形运动。表面成形运动是机床上最基本的运动，为加工出所需的零件表面提供了保障。

①成形运动的种类。

表面成形运动可以是简单运动，也可以是复合运动。如果表面成形运动仅仅是执行件的旋转运动或直线运动，则称为简单的表面成形运动，简称简单运动。这两种运动最简单，也最容易实现，在机床上，以主轴或刀具的旋转、刀架或工作台的直线运动的形式出现。通常用符号“A”表示直线运动，用符号“B”表示旋转运动。例如，用车刀车削外圆柱面（见图1-1-7），工件的旋转运动B1，产生母线（圆），刀具的纵向直线运动A2产生导线（直线）。运动B1、和A2就是两个表面成形运动，角标号表示表面成形运动次序。又如用龙门刨床刨削工件，工作台带着工件作往复直线运动，刀架带着刀具作间歇的直线进给运动，这两个直线运动都产生发生线（皆为直线），因而都是成形运动。

成形运动有时是复合运动。图1-1-8所示为用螺纹车刀切削螺纹，螺纹车刀是成形刀具，螺旋运动；形成螺旋线时（导线）需要车刀相对于工件作空间螺旋运动。因此形成螺旋面只需一个运动。在机床上，最容易实现并保证精度的是旋转运动和直线运动，因此，把这个空间螺旋运动分解成工件的旋转运动B11和刀具的直线运动A12。角标号的第一位数字表示第一个运动（此例只有一个运动），后一位数字表示第一个运动中的第1、第2两部分。为了得到要求导程的螺旋线，运动的两个部分B11和A12必须保持严格的相对运动关系，即工件每均匀转一周，刀具均匀移动一个导程的距离。这种各个部分之间必须保持严格相对运动关系的运动称为复合的表面成形运动，简称复合运动。

图1-1-9所示为用插齿刀加工齿轮。插齿机加工原理为插齿刀和工件模拟一对圆柱齿轮的啮合过程，产生渐开线（母线）。这需要一个展成运动。如上所述，这个展成运动也可分解为插齿刀的旋转运动B11和工件的旋转运动B12。B11和B12是一个运动的两个部分，它们必须保持严格的相对运动关系，即插齿刀每均匀转过一个齿，工件也应均匀转过一个齿。齿轮齿面的导线（直线）用轨迹法形成，由插齿刀的上下往复运动A实现。

在多轴联动的数控机床中，有些复合的表面成形运动可以分解为两个或两个以上的简单运动，每个部分就是机床的一个坐标轴。复合运动虽然可以分解成几个部分，每个部分是一个旋转或直线运动，与简单运动相似，但这些部分之间必须保持严格的相对运动关系，是相互依存而不是独立的。所以复合运动是一个运动，而不是两个或两个以上的简单运动。

②零件表面成形所需的成形运动。

母线和导线是形成零件表面的两条发生线，形成表面所需要的成形运动，就是形成其母线及导线所需要的成形运动的有机综合（有时是总和）。为了加工出所需的零件表面，机床就必须可以完成这些成形运动。

【例1-1-3】用成形车刀车削成形回转表面。

如图1-1-10所示，母线为曲线，由刀具的切削刃形成，不需要成形运动；导线为圆，由轨迹法形成，需要1个成形运动B。因此，形成表面的成形运动总数为1个（B），是一个简单运动。

【例1-1-4】用齿轮滚刀加工直齿圆柱齿轮齿面。

如图1-1-11所示，母线——渐开线，由展成法形成，需要1个复合的表面成形运动，可分解为滚刀旋转运动B11和工件旋转运动B12两个部分，B11和B12之间必须保持严格的相对运动关系；导线——直线，由相切法形成，需要两个独立的成形运动，即滚刀旋转运动和滚刀沿工件轴向移动A。其中滚刀的旋转运动与展成运动的一部分B11重合，所以形成表面所需的成形运动的总数只有两个，一个是复合运动B11和B12，另一个是简单运动（A2）。

（2）辅助运动

机床在加工过程中除完成表面成形运动之外，还需完成其他系列运动，这些与表面成形过程没有直接关系的运动，称为辅助运动。它为表面成形创造条件，一般包括以下几种类型。

①空行程运动。它是指进给前后刀架、工作台的快速接近和退出工件等快速运动，可节省辅助时间。

②切入运动。它是使刀具切入工件从而保证工件被加工表面获得所需要的尺寸的运动，一个表面切削加工的完成一般需要数次切入运动。

③分度运动。它是当在工件上加工若干个完全相同的均匀分布表面时，为使表面成形运动得以重复进行而由一个表面过渡到另一个表面所作的运动。例如，车削多头螺纹，在车完一条螺纹后，工件相对于刀架要回转360°/n（n为螺纹头数），再车下一条螺纹。这个工件相对于刀架的旋转运动即为分度运动。

④操纵及控制运动。包括变速、换向、启停及工件的装夹等。控制运动是接通或断开某个传动链，从而改变运动部件速度的运动。控制运动一般为简单的回转或往复运动，在普通机床上多为手动，在半自动机床、自动机床和某些齿轮机床上则为自动。

⑤调位运动。根据工件的尺寸大小，在加工之前调整机床上某些部件的位置，以便加工。

1.1.4　认知切削运动与切削用量

1.切削时工件的表面

在切削过程中，工件上存在三个变化着的表面，如图1-1-12所示。

（1）待加工表面

待加工表面是工件上多余金属即将被切除的表面。随着切削的进行，待加工表面逐渐减小，直至多余的金属被切削完。

（2）已加工表面

已加工表面是工件上多余金属被切除后形成的新表面。

（3）过渡表面

过渡表面是工件上多余的金属被切除过程中，待加工表面与已加工表面之间相连接的表面，或刀刃正在切削的表面。

2.切削运动

表面加工时切削运动按其在切削加工中所起的作用，又可分为主运动和进给运动，它们可能是简单的表面成形运动，也可能是复合的表面成形运动。表面成形运动是机床上最基本的运动，其轨迹、数目、行程和方向等，在很大程度上决定着机床的传动和结构形式。

（1）主运动

主运动是切除工件上被切削层，使之转变为切屑的主要运动。它是切削加工中速度最高，消耗功率最大的运动。任何一种机床，必定有且只有一个主运动，它可以由工件完成，也可以由刀具完成，可以是旋转运动，也可以是直线运动。

（2）进给运动

进给运动是依次或连续不断地把被切削层投入切削，以逐渐切出整个工件表面的运动。它的速度较低，消耗功率较少。在切削运动中，进给运动可以有一个或几个，也可能没有，它可以由刀具完成，也可以由工件完成，它可以是连续性的运动，也可以是断续性的运动。

（3）合成切削运动

同时进行的主运动和进给运动所合成的运动称为合成切削运动。

图1-1-13为外圆车削加工时工件上的三个表面及切削运动。

3.切削用量

在切削加工过程中，需要针对不同的工件材料、刀具材料和其他加工要求来选定适宜的切削速度υ、进给量f或进给速度vf值，还要选定适宜的背吃刀量ap值。切削速度、进给量和背吃刀量通常称为切削用量三要素。

（1）切削速度υ

它是刀刃上选定点相对于工件的主运动线速度。刀刃上各点的切削速度可能是不同的。当主运动是旋转运动时，切削速度为其最大线速度，由下式确定：

式中：dw——工件待加工表面最大直径（mm）；

nw——工件主运动的转速（r/min或r/s）。

若主运动为往复直线运动（如刨削、插削等），则以平均速度为切削速度，由下式确定：

式中：L——往复行程长度（mm）；

nr——主运动每秒或每分钟的往复次数。

（2）进给量f

进给量是工件或刀具的主运动每转一转或每完成一次行程时，两者在进给运动方向上的相对位移量。如外圆车削时进给量的单位为mm/r；平面刨削时为mm/st（1st为1个行程）。进给量分为每转或每行程进给量f（mm/r）和每齿进给量fz（mm/z）。

进给速度是刀刃上选定点相对于工件的进给运动速度，单位为mm/s。

若刀具齿数为z，则每转进给量与进给速度、每齿进给量的关系为：

vf=fnw=fzznw

（3）背吃刀量ap

对车削和刨削而言，背吃刀量ap是工件上待加工表面和已加工表面之间的垂直距离，如图1-1-14所示，外圆车削的背吃刀量为：

式中：dw——工件待加工表面的直径（mm）；

dm——工件已加工表面的直径（mm）

1.1.5　认知切削层参数

切削层参数是指切削层的截面尺寸，它决定刀具所承受的负荷和切屑的大小。切削层是指工件上正在被切削刃切削的一层材料，即两个相邻加工表面之间的那层材料。如车削外圆，当工件转一周时，车刀沿进给方向移动了一个进给量所切除的一层金属层即为切削层，如图1-1-15中所示阴影部分。通常用通过切削刃上的选定点并垂直于该点切削速度的平面内的切削层参数来表示它的形状和尺寸。

①切削层厚度hD：垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。它反映了切削刃单位长度上的切削负荷。

hD=f×sinKr

②切削层宽度bD：平行于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。它反映了切削刃参加切削的工作长度。

bD=ap/sinKr

③切削层面积AD：在切削层参数平面内度量的横截面积。

AD=hD×bD=ap×f

任务练习

填空题：

（1）国家标准规定将金属切削机床按照加工原理划分了11类，分别是：__________、__________、__________、__________、__________、__________、__________、__________、__________、__________和__________。

（2）每一类金属切削机床按照通用特性划分为__________、__________、__________。

（3）金属切削机床按照结构尺寸和重量划分为__________、__________、__________和__________。

（4）解释CM6132的含义：______________________________________________________________________。

（5）解释Y3150E的含义：______________________________________________________________________。

（6）解释Z3040的含义：______________________________________________________________________。

（7）解释MG1432A的含义：______________________________________________________________________。

（8）图1-1-16为发动机气门图片，说明该零件的主要组成表面有哪些？

______________________________________________________________________。

（9）图1-1-17为传动齿轮图片，说明该零件的主要组成表面有哪些？

______________________________________________________________________。

（10）按照加工原理的不同，常见金属切削零件各组成表面的成形方法有4种，分别是__________、__________、__________和__________。

（11）机床运动按功能划分有__________和__________。

（12）举例说明简单的表面成形运动：____________________________________________________________。

______________________________________________________________________。

（13）举例说明复合表面成形运动：____________________________________________________________。

（14）举例说明机床的辅助运动及其所起的作用：______________________________________________________________________。

（15）表面加工切削运动按照作用可以分为__________和__________。

（16）切削用量三要素是指：__________、__________和__________。