第三章 金属切削机床与刀具

本章提要

本章着重介绍了金属切削机床型号的编制方法； CA6140 型普通车床的的传动系统和主要机构，以及常用的车刀； M1432A 型万能外圆磨床的的传动系统，无心外圆磨床和平面磨床的工作原理，以及砂轮的特性与选择；齿轮加工的的方法和 Y3150E 型滚齿机的传动系统，以及常用的齿轮加工刀具。同时，对孔加工机床与刀具、刨床与插齿、铣床与铣刀也作了简单介绍。

车 床

下面首先通过几张图片使大家对金属切削机床与刀具有一个感性的认识。

铣 床

磨 床

钻 床

铣削过程

插齿过程

滚齿过程

拉齿过程

3.1 金属切削机床的分类、型号与主要技术参数3.2 工件表面成型方法与机床运动分析

3.3 车床与车刀

3.4 孔加工机床与刀具

3.6 铣床与铣刀

3.8 齿轮加工机床与齿轮刀具

内容提纲

3.1 金属切削机床的分类、 型号与主要技术参数

3.1.1 机床的分类

• 按加工方法和刀具分 11 大类：车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨齿床、拉床、锯床和其他机床。

• 按万能性程度：通用机床、专门化机床、专用机床。

• 按精度：普通精度机床、精密机床、高精度机床。

还有按照重量和尺寸、自动化程度等等分类方法。

3.1.2 机床的型号编制

（ 1 ）机床的类别代号 用该类机床名称汉语拼音的第一个字母表示 ，如：

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

锯床

其他机床

代号

C Z T M 2M 3M Y S X B L G Q

读音

车

钻

镗

磨

二磨

三磨

牙 丝 铣 刨 拉 割 其

表 3.1 机床的类别代号

（ 2 ）机床的特性代号 用汉语拼音字母表示，如 ：

通用特性

高精度

精密

自动

半自动

数控

加工中心

仿型

轻型

加重型

简式或经济型

柔性加工单元

数显

高速

代号 G M Z B K H F Q C J R X S

读音 高 密 自 半 控 换 仿 轻 重 简 柔 显 速

表 3.2 通用特性代号

（ 3 ）机床的组别、系别代号 用两位阿拉伯数字表示，前一位表示组别，后一位表示系别，

每类机床划分为 10 个组，用数字 0~9 表示。每个组又可分为若干个系。

（ 4 ）机床主参数、设计顺序号和第二主参数 主参数和第二主参数用阿拉伯数字给出主参数的折算值（ 1/10

或 1/100 ）

（ 5 ）机床的重大改进顺序号 序号按 A 、 B 、 C…… 等字母的顺序选用

例如 CA6140 型卧式车床的代号意义为： C A 6 1 40

主参数（最大车削直径 400mm)

系别代号（卧式车床系）

组别代号（落地及卧式车床组）

结构特性代号（结构不同）

类别代号

3.1.3 机床的主要技术参数

主参数

基本参数

尺寸参数

运动参数

动力参数

主要技术参数

3.1.3.1 尺寸参数

机床的尺寸参数是指机床的主要结构尺寸。多数机床的主参数也是尺寸参数，但尺寸参数除了主参数还包括一些其他尺寸。

3.1.3.2 运动参数

(1) 主运动参数① 主轴参数 对作回转运动的机床，其主运动参数是主轴转速，计算公式为

式中 n—— 转速 (r/min) ；

ν —— 切削速度 (m/min) ；

d —— 工件或刀具直径

运动是直线运动的机床，如插床或刨床，主运动参数是机床工作台或滑枕的每分钟往返次数。

dn

1000

(3.1)

② 主轴最低 (nmin) 和最高 (nmax) 转速的确定

max

minmin

1000

dn

min

maxmax

1000

dn

(3.2)

变速范围为 nmax 和 nmin 的比值，即

minmin

maxmax

min

max

dv

dv

n

nRn

③ 有级变速时主轴转速序列

主运动的有级变速的转速数列一般采用等比数列。

各级之间满足等比数列关系，即

jj nn 1

11

zz nn

(3.4)

06.1

④ 标准公比为了便于机床设计，规定了标准公比 1.06 、 1.12 、 1.26 、 1.41 、 1.58 、 1.78 、 2

是基本公比

(2) 进给运动参数

大部分机床 ( 如车床、钻床等 ) 的进给量用工件或刀具的位移 (mm/r) 表示。直线往复运动的机床，如刨床、插床，以每一往复的位移量表示。由于铣床和磨床使用的是多刃刀具，进给量常以每分钟的位移量 (mm/min) 表示。

在其他条件不变的情况下，进给量的损失也反映了生产率的损失。

3.1.3.3 动力参数

动力参数指驱动主运动、进给运动和空行程运动的电动机功率。机床的驱动功率原则上应根据切削用量和传动系统的效率来确定。

附空切主 PPPP

kwvF

P z

60000切

主要介绍主传动功率

机床的主传动功率由三部分组成：

式中 Fz —— 主切削力

ν —— 切削速度 (m/min)

3.2 工件表面成形方法与机床运动分析

工件表面可以看成由一根母线沿着导线运动形成，母线和导线统称为发生线。其形成方法有： （ 1）轨迹法——利用刀具作一定规律的轨迹运动对工件进行加工，如图 3.2a （ 2）成形法——刀具的切削刃与所需要的形成的发生线完全重合，如图 3.2b （ 3）相切法——利用刀具边缘旋转边作轨迹运动对工件进行加工的方法，如图 3.2c （ 4）范成法——利用工件和刀具作范成切削运动进行加工的方法，如图 3.2d

3.2.1工件表面形状与成形方法

图 3.2零件的表面成形

3.2b 3.2a

3.2c 3.2d

1－母线； 2－导线

3.2.2机床运动分析

辅助运动表面成形运动复合成形运动简单成形运动

表面成形运动机床的运动

简单成形运动 由单独的旋转运动或直线运动构成 复合成形运动 由两个或两个以上旋转运动或（和）直线运动，按照某些确定的运动关系组合而成

3.2.2.1 机床的运动

为了实现运动，机床必须具备以下三个基本部分：执行件、动力源和传动装置，由这些构成的传动关系称为传动链，分为外联系传动链和内联系传动链 。

a.外联系传动链联系动力源和执行件 ;

b. 内联系传动链联系复合运动之内的各个分 解部分

为方便研究传动关系，常用一些简明的符号把传动原理和传动路线表示，称为传动原理图。例如图 3.5

3.2.2.2 机床的运动联系

图 3.5 卧式车床的传动原理图

3.3 车床与车刀

3.1.1 车床

车床的作用是加工各种回转表面 ( 内外圆柱面、圆锥面及成型回转表面 ) 和回转体的端面，有些车床还能加工螺纹面。 车床的主运动通常由工件的旋转运动实现，进给运动由刀具的直线移动来完成 。

CA6140 卧式车床是最典型的普通车床，下面以它为例介绍车床。

图 3.7 卧式车床

（ 1 ）概述： 工艺范围广、万能性较大，结构复杂而且自动化程度低，效率也

低，主要是采用卧式布局 。 （ 2 ）传动系统 ① 主运动传动链 两末端件是主电动机与主轴，带动工件旋转实现主运动，并满足主轴变速和换向的要求。主传动路线如下 ：

（主轴）

右

左

VI—

—50

63—

M—58

26—V—

50

51

80

20

—IV—

50

50

80

20

—III—

58

22

50

30

41

39

—II—

30

34—VII—

34

50—M

—

43

51

38

56

—M

—φ230

φ130—电动机

2

1

1

运动经 v带轮传动副传至轴 I ，压紧轴 I 上的多片摩擦离合器M1左部经齿轮副运动传至轴 II ，如图3.8(a) 压紧右部经中间轮可获得相反方向的运动 , 如图3.8(b)

运动从轴 II 传往主轴有 2 条路线： a. 高速路线 主轴上的滑移齿轮 50向左移，使之与轴 III 上右端的齿轮 63啮合，运动传至主轴得高转速。 b. 主轴上的滑移齿轮 50向右移，使之与齿式离合器M2啮合，轴 III 的运动经齿轮副传至轴 IV ，又经齿轮副传至轴 V ，再经齿轮副和齿式离合器传至主轴获得低转速 , 如图3.8(c)

图 3.8 a CA6140 型卧式车床传动系统图

图 3.8 b CA6140 型卧式车床传动系统图

图 3.8 c CA6140 型卧式车床传动系统图

主轴的各级转速可按下列运动平衡式计算：

''''

)1(IVIII

IVIII

IIIII

IIIII

III

III

Z

Z

Z

Z

Z

Z

D

Dnn 电主

式中 D 、 D’—— 主动和从动皮带轮直径；

ε——V带传动的滑动系数，可取 ε＝ 0.02 ；

ZⅠ-Ⅱ 、 Z’Ⅰ-Ⅱ —— 轴Ⅰ和轴Ⅱ 之间相啮合的主动齿轮和从动齿轮齿数。

② 进给运动传动链

进给运动传动链两末端件是主轴和刀架，其功用是使刀架实现纵向或横向移动及变速与换向。

A. 车削螺纹传动路线 可以车削左旋和右旋的米制、英制、模数制和径节制四种标准螺纹。 a. 车削米制螺纹 运动平衡式为 :

化简后得：

mmuulL 1225

36

36

25

36

25

75

100

100

63

33

33

58

58( 倍基主轴）

倍基uuL 7

b. 车削英制螺纹

mminL

4.251

倍

基

u

u

4

7

英制螺纹以每英寸长度上的螺纹扣数（扣 /in ）表示。英制螺纹的导程 Lα＝ 1/ α 。按下面的公式换算为毫米单位：

倍基

uu

1

4.257

4

1225

361

75

100

100

63

33

33

58

58( 倍

基主轴） u

ulL

其运动平衡式为：

将 Lα＝ 25.4/ α 代入，得

c. 车削模数螺纹

倍基uuk

m4

7

模数螺纹用模数 m 表示螺距的大小，导程为

mkLm mm

其运动平衡式为

1225

36

36

25

36

25

97

100

100

64

33

33

58

58( 倍基主轴） uulLm

化简后，得

d. 车削径节螺纹

DP

kin

DPLDP

4.25

倍

基

u

ukDP 7

径节螺纹螺距大小以径节 DP 表示。英制蜗杆的轴向齿距为

mm

1225

361

97

100

100

64

33

33

58

58( 倍

基主轴） u

ulLDP

其运动平衡式为

化简后，得

e. 车削非标准螺纹和精密螺纹

需要啮合齿式离合器，导程 依靠调整挂轮的传动比 来实现，其运动平衡式为：

工L 挂u

1233

33

58

58 挂（主轴）工 ulL

挂轮的换置公式为

d

c

b

au 挂

B. 纵向和横向进给传动链

min/76.4125.280

28

48

30

30

40

29

4

29

132800 mv 纵右（快）

倍基纵 uuf 71.0 a.纵向进给传动链，其运动平衡式为 :

b.横向进给传动链 当横向机动进给与纵向进给的传动路线一致时，所得的横向进给量为纵向进给量的一半。

c. 刀架快速移动 刀架快速向右移的速度为：

(3) CA6140 型卧式车床的主要结构

① 主轴箱 功能是支承主轴，并实现其开、停、换 向、制动和变速，把进给运动从主轴传向进给系统。 其包括的主要机构和零件包括有：卸荷带轮 、双向多片摩擦离合器及其操纵机构 、主轴组件 、变速操纵机构 。

②溜板箱 功用是将进给运动或快速移动由进给 箱或快速移动电动机传给溜板和刀架，使刀架实现纵，横向和正、反向机动走刀或快速移动。 其包括的主要机构有：开合螺母机构 、纵向、横向机动进给及快速移动的操纵机构 、互锁机构 、安全离合器 。

图 3.11 双向多片摩擦离合器及其操纵机构

离合器和制动器操纵机构 图 3-12所示为集中式操纵机构，可同时操纵离合器和制动器，即同时控制主轴的开、停、换向和制动。操作过程如下：当手把 18向上扳动时，拉杆 20外移，齿扇 17 顺时针方向转动，带动齿条轴 22右移，通过拨叉 23 使滑套 12右移，压下羊角形摆块 6的右角，使推拉杆 7向左移，于是左离合器接合，主轴正转；同理，当手把 18向下扳动，推拉杆7右移，右离合器接合，主轴反转。当手把在中间位置时，推拉杆 7处于中间位置，左、右离合器均不接合，主轴的传动断开，此时齿条轴 22 上的凸起部分正压在制动器杠杆 14 的下端，制动带 15被拉紧，使主铀制动。

变速操纵机构

图 3-13 为Ⅱ轴上双联滑移齿轮和Ⅲ轴上三联滑移齿轮的操纵机构。转动手柄，通过链传动带动轴 4

上的曲柄 2 和盘形凸轮 3 转动，链传动的传动比为 1 ： 1 ，即手柄轴和轴 4同步转动。曲柄 2 上的拔销伸入拨叉 1 的长槽中，当曲柄转动时，通过拨叉 1 使三联齿轮沿轴Ⅲ左右移换位置。凸轮转动时，通过伸入曲线槽的圆销、杠杆 5 和拨叉6 ，使双联齿轮沿轴Ⅱ移换位置。

纵、横向机动进给操纵机构 图 3-15所示为纵、横向机动进给操纵机构的结构原理图。当需要纵向进给时，扳动手柄 1向左或向右，使手柄 1绕销轴 2左、右摆动，手柄座 3 下端的开口槽拨动轴 5 上的球头销 4左、右移动，轴 5左端的开口槽推、拉杠杆 11 ，使连杆 12左右移动，连杆 12左端通过销子推、拉凸轮 13 转动，凸轮 13 上的曲线槽通过销子 14 使拨叉 16向里或向外移动，从而带动离合器M8 ，使之与轴 XXⅡ上的两个空套齿轮中的一个的端面齿啮合，实现向左或向右的纵向机动进给。 当向里或向外扳动手柄 1 时，带动轴 23连同其左端的凸轮 22 转动，凸轮 22 上的曲线槽通过圆销 19使摆杆 20摆动，摆杆另一端的圆销 19推动拨叉 17向里或向外移动，使离合器M9 与轴 XXV上两个空套齿轮中的一个端面齿啮合，实现向里或向外的横向机动进给。 当手柄 1处于中间位置时，离合器M8 和 M9 也处于中间位置，此时设有纵、横向机动进给。当手柄1扳至左、右、里、外任一位置，并同时按下手柄 1顶端的按钮 S 时，刀架即在相应方向作快速移动。

图 3.17 安全离合器

3.3.2 车刀

图 3.20 车刀主要类型

1-端面车刀； 2- 仿形车刀； 3- 车槽刀； 4-外圆车刀； 5- 螺纹车刀

用以加工外圆、内孔、端面、螺纹以及车槽和车齿等，其主要类型如下图：

车刀按结构分为整体车刀、焊接车刀、机夹车刀和可转位车刀。

焊接车刀 优点是：结构简单、紧凑；刀具刚度好、抗振性性能强； 制造方便，使用方便。 缺点是：切削性能较低、刀杆不能重复使用、辅助时间长。可转位车刀 优点：刀具使用寿命长、生产效率高、有利于推广新技术、新工艺 有利于降低刀具成本。

车刀的分类及比较：

3.4 孔加工机床与刀具

钻床和镗床都是孔加工机床。主要用于加工外形复杂，没有对称回转轴线工件上的孔。

3.4.1 钻床

钻床通常用于加工尺寸较小，精度要求不高的孔。

钻床的主要类型有台式、立式、摇臂、深孔钻床等。

右图是典型的立式钻床

钻床的加工方法及所需的运动如图 3.29所示

图 3.29 钻床的加工方法

钻孔 扩孔 铰孔 攻螺纹 钻埋头孔 刮平面

3.4.2 镗床

镗床通常用于加工尺寸较大、精度要求较高的孔，特别是分布在不同表面上、孔距和位置精度要求较高的孔，如各种箱体、汽车发动机缸体等零件上的孔。

镗床的主要类型有卧式镗床、坐标镗床和金刚镗床等。

图 3.32所示为卧式镗床的主要加工方法

图 3.32 卧式镗床的主要加工方法

3.4.3 孔加工刀具

孔加工刀具按其用途可分为两大类。一类式从实体材料中加工出孔的刀具，如麻花钻、扁钻、中心钻和深孔钻等；另一类是对工件上的已有的孔进行再加工，如扩孔钻、锪钻、铰刀及镗刀等。

（ 1 ）麻花钻

图 3.36 标准高速钢麻花钻

生产中，为了提高钻孔的精度和效率，常将标准麻花钻按特定的方式刃磨成“群钻”

图 3.37 标准型群钻

（ 2 ）中心钻

中心钻用来加工各种轴类工件的中心孔。图 3.38 是两种中心钻的外形图。

图 3.38 中心钻

（ 3 ）深孔钻

（ 4 ）扩孔钻

（ 5 ）锪钻

（ 6 ）铰刀

图 3.42 铰刀的结构和几何参数

图 3.43 不同种类的铰刀

（ 7 ）镗刀

（ a）

（ b ） （ c ）

图 3.44 单刃镗刀

图 3.45 双刃镗刀

图 3.46 可拉削加工的各种内外表面举例

图 3.47 圆孔拉刀的结构及拉削过程

3.6 铣床与铣刀

用于加工平面、沟槽、多齿零件上的齿槽、螺旋形表面及各种曲面。下面是铣削过程视频：

3.6.1 铣床

卧式升降台铣床 立式升降台铣床

铣床的主要类型有： 卧式升降台铣床、立式升降台铣床、龙门铣床、工具铣床和各种专门化铣床。

3.6.2 铣刀

铣刀是一种多刃回转刀具，按用途分为加工平面用铣刀，如圆柱平面铣刀（图 a ）、加工沟槽用铣刀，如立铣刀（图 b ）、加工成形面用铣刀，如凸半圆和凹半圆铣刀（图 c ）和加工其他复杂成形面用铣刀 (图 d) 。

铣刀种类

3.8 齿轮加工机床与齿轮刀具

（ 1 ）成形法 用与被加工齿轮齿槽形状相同的成形刀具切削齿轮。图3.63(a)所示是用盘形齿轮铣刀加工直齿圆柱齿轮。形成齿廓渐开线的方法是成形法。加工模数较大的齿轮时，常用指状齿轮铣刀，如图3.63(b)所示。

3.8.1 齿轮加工机床

用来加工齿轮的机床称为齿轮加工机床。

3.8.1.1 齿轮加工方法

图 3.63 成形法加工齿轮

(a) 用盘形齿轮铣刀铣齿轮

(b) 用指状齿轮铣刀铣齿轮

(2) 范成法

亦称为包络法或展成法，是利用齿 轮的啮合原理进行的，即把齿轮的啮合副中的一个转化为刀具，另一个转化为工件，并强制刀具与工件严格地按照运动关系啮合，则刀具切削刃在各瞬时位置的包络线就形成了工件的齿廓线。

采用范成原理加工齿轮的机床右滚齿机、插齿机、磨齿机等等。

3.8.1.2 滚齿机

滚齿机主要用于滚切直齿和斜齿圆柱齿轮及蜗轮。

（ 1 ）滚齿原理 滚齿加工是由一对交错轴斜齿轮啮合传动原理演变而来的。当滚刀与工件按确定的关系强制相对运动时，滚刀的切削刃便在工件上滚切出齿槽，形成渐开线齿面。 成形运动是滚刀旋转运动和工件旋转运动组成的复合运动即为范成运动。 图 3.64描述了滚齿原理

图 3.64 滚齿原理

滚齿过程

(2) 加工直齿圆柱齿轮的传动原理

下图为滚切直齿圆柱齿轮的传动原理图。其成形运动必须包括形成渐开线齿廓的范成运动和形成直线形齿线的运动。

图 3.65 滚切直齿圆柱齿轮的传动原理图

① 范成运动传动链 包括由点 4至点 5 ，点 6至 点 7的固定传动比传动以及点 5至点 6 传动比可变换的换置机构，属内联系传动链。 ② 主运动传动链 由点 1至点 4 ，属外联系传动 链。③ 轴向进给运动传动链 工件— 7— 8 — —9—10— 刀架升降丝杠—刀架，是外联系传动链

fu

(3) 滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理

端面上齿廓是渐开线，沿齿轮的齿长方向是一条螺旋线，它与直齿圆柱齿轮的差别仅在于导线的形状不同。其传动原理图如下，滚切斜齿时为了形成螺旋齿线，在滚刀作轴向运动时工件还应作附加旋转运动。这条传动链是：刀架— 12—13— —14—15—[合成 ]—6—7—8—9— 工作台，属内联系传动链。

y

图 3.66 滚切斜齿圆柱齿轮传动原理图

(4) 滚切蜗轮的传动原理柱齿轮的传动原理

齿廓的形成方法及成形运动与加工圆柱齿轮是相同的，但齿线是当滚刀切至全齿深时，在范成齿廓的同时形成的。

滚齿时，要求在切削部位滚刀的螺旋线方向与工件齿长方向一致，这是沿齿向进给切出全齿长的条件。因此加工前要调整滚刀的安装角。

(5) 滚刀的安装

图 3.68 螺旋滚刀加工直齿圆柱齿轮安装角

（ a)右旋滚刀滚切直齿轮； (b) 左旋滚刀滚切直齿轮

图 3.68 为螺旋滚刀加工直齿圆柱齿轮的安装角，滚刀位于工件前面，从几何关系可知，滚刀安装角

图 3.69 螺旋滚刀加工斜齿圆柱齿轮安装角

用滚刀加工斜齿圆柱齿轮时，由于滚刀和工件的螺旋方向都有左、右方向之分，共有四种不同的组合。则有

当被加工的斜齿轮的螺旋线方向相反时取“ +” 号，方向相同时取“ -” 号。

主要用于滚切直齿和斜齿圆柱齿轮。图3.71是它的传动系统图。传动系统图中每一条传动链的分析计算步骤是：找出末端件；确定计算位移；对照传动系统图，列出运动平衡式；计算换置式。

(6) Y3150E 型滚齿机

3.8.1.3 插齿机

插齿机的工作原理类似一对圆柱齿轮啮合，其中一个齿轮作为工件，另一个齿轮变为齿轮形的插齿刀具。其插齿过程见下页演示

插齿过程

图 3.71 Y3150E 型滚齿机传动系统图

3.8.1.4 剃齿机

剃齿机是利用剃齿刀对未淬火的直齿圆柱齿轮进行切削加工的机床。图 7.34所示为剃齿机的工作原理

图 3.74 剃齿机工作原理

3.8.2 齿轮刀具 齿轮刀具是用于加工齿轮齿形的刀具。可将齿轮刀具分为成形法和范成法加工用齿轮刀具。

3.8.2.1 成型法齿轮刀具

常用的成形法齿轮刀具有盘形齿轮铣刀和指形齿轮铣刀，如下图所示

（ a ）盘形齿轮刀具 （ b ）指形齿轮刀具

3.8.2.2 范成法齿轮刀具（ 1 ）插齿

刀 插齿刀用于加工直齿内、外齿轮和齿条，尤其对于双联或多联齿轮、扇形齿轮等的加工有其独特的优越性。

图 3.77 插齿刀的类型

（ 2 ）齿轮滚刀滚刀是加工外啮合直齿和斜齿圆柱渐开线齿轮最常用的刀具

图 3.78 滚刀的基本蜗杆

（ 3 ）剃齿刀

图 3.81 两种典型的剃齿刀

本章小结

通过本章的学习，应熟悉并掌握以下主要内容： 1. 金属切削机床的分类和型号编制方法。 2. 金属切削机床的主要技术参数，即主参数和基本参数。 3. 工件表面的成形方法和机床所需的运动以及各种运动之间的联系。 4.CA6140 型普通车床的工艺范围、传动系统、主轴箱结构等。 5. 车刀的主要类型，可转位车刀的组成和典型结构。 6. 铣床的种类和常用的铣刀。 7. 齿轮的加工方法。