金属切削机床
实验指导书
中北大学机械工程与自动化学院
实验一 普通车床各部件的结构和功用
一、实验目的
普通车床具有较典型的机械传动系统及操纵机构，应用了较多的机械传动机构如带传动、齿轮传动、链传动、摩擦传动、螺旋机构、凸轮机构、曲柄机构、杠杆机构等等和较多的机械零件如轴承、齿轮、链轮、带轮、键、花键、联轴器、离合器等零件。本实验的目的一是了解这些机构和零件是怎样组合完成一定的功用的；二是掌握以普通车床为代表的机床各部件的传动系统的传动原理及路线、结构特点和功用。
二、实验内容
1．了解车床的用途、布局、各操纵手柄的作用和操作方法；
2．了解主运动、进给运动的传动路线；
2．了解主运动、进给运动的调整方法；
3．了解和分析机床主要机构的构造及工作原理。
三、实验步骤
学生在实验指导人员带领下，到CA6140型普通车床现场教学。
1．观察CA6140型普通车床的主轴箱结构，注意调整方法；
2．观察、了解进给互锁机构及丝杠螺母机构的工作原理；
3．根据实物了解车床主要附件的使用。
四：CA6140型车床的传动系统
（一）、机床的功用及主要技术性能
CA6140型普通车床是一种通用性能好的典型机床，它除用作车内外圆柱及圆锥表面、车端面、切槽、切断外，还可车削公制、英制、模数制、径节等四种螺纹。如在尾架锥孔内安装钻头或铰刀、则可以进行钻孔及铰孔。
CA6140型普通车床主要技术性能；
床身上最大工件回转直径 400mm
最大工件长度（四种规格） 750、1000、1500、2000 mm
最大车削长度（四种规格） 650、900、1400、1900 mm
刀架上最大工件回转直径 210 mm
主轴中心高 205 mm， 主轴内孔直径 48 mm，主轴内孔前端锥度 莫氏6号 主轴转速范围：正转（24级）10 ～1400r/min， 反转（12级）14～1500 r/min 进给量范围：纵向（64种）0.028～6.33mm/r， 横向（64种）0.014～3.16 mm/r 刀架快速移动速度：纵向 4.9m/min， 横向 2.45 m/min
加工螺纹范围：公制螺纹（44种） 1～192mm
英制螺纹（20种） 2～24牙/in
模数螺纹（39种） 0.25～48mm
径节螺纹（37种） 1～96牙/in
主电机7.5KW ，1450 r/min，溜板快速移动电机 370 ，2600 r/min
（二）、机床的主运动传动链
1．传动系统图概述
1）传动原理图和传动框图表示的传动关系通过传动系统图体现；
2）传动系统图画在一个能反映机床基本外形和主要部件相互位置的平面上，并尽可能绘制在机床外形的轮廓线内；
3）各种传动元件用简单的规定符号代表，各齿轮所标注的数字代表齿数；
4）各传动元件应尽可能按运动的传递顺序安排；
5）该图只表示传动关系，不代表传动元件的实际尺寸和空间位置。
五、CA6140型车床的主要构造
（一）、主轴变速箱
1. 主轴正、反转及制动装置
轴Ⅰ上的双向磨擦离合器是控制
主轴正、反转的；内磨擦片3与轴Ⅰ靠
花键联接，外磨擦片2空套在轴Ⅰ上，
直径略大于花键，外圆上有4个凸起，
嵌在空套齿轮1的缺口中。内外摩擦片
相间安装，杆7的左、右移动使销5推
动压块8将内、外磨擦片压紧，则内磨
擦片通过磨擦力带动外磨擦片转动，再
利用外磨擦片外圆上的四个凸起带动
齿轮转动。压块8处于中间位置时，左
右离合器都脱开，轴Ⅱ以后的各轴停
转。
摩擦离合器的位置，由手柄18操
纵，向上扳，杆20向外，使曲柄21和
齿扇17作顺时针转动，齿条22向右移
动。驱动齿条上的拨叉23带动滑套12
也向右移动。滑套12内孔的两端为锥
孔，中间为圆柱孔，当滑套12向右移
动时，就将元宝销（杠杆）6的右端向
下压。杠杆6的支点固定在轴Ⅰ上，当
滑套12移动时压下它的右端时，元宝
销6作顺时针方向转动，其尾部推动杆
7，使它产生向左移动，并通过销5带
动压块8向右压紧，主轴正转。
离合器环能起过载保护作用，当机
床过载时，摩擦片打滑，就可避免损坏
机床。摩擦片间的压紧力是根据离合器
应传递的额定转矩确定的。
制动器装在轴Ⅳ上，在离合器脱开
时制动主轴，以缩短辅助时间。
制动盘与轴Ⅳ花键联接，周边围着
制动带15。制动带的一端与杠杆制动
器14联接，另一端通过调节螺钉13等
与箱体相连，为了操纵方便并避免出
错，制动器和摩擦离合器共用一套操纵机构，也由手柄18操纵。当离合器脱开时，齿条22处于中间位置。这时齿条轴22上的凸起正处于与杠杆14下端相接触的位置，使杠杆14作逆时针方向摆动，将制动带15压紧在制动盘16上，使轴Ⅳ和主轴迅速停止转动。齿条轴22凸起的左右边都是凹槽，左右离合器中任一个结合时，杠杆14端顺时针方向摆动，使制动带放松。
2．主轴变速操纵机构
轴Ⅱ和轴Ⅲ上滑动齿轮的操纵机构：轴Ⅱ上的双联滑移齿轮和轴Ⅲ上的三联滑移齿轮是由一个手柄操纵的，变速手柄每转一转，变换全部6种转速，故手柄共有均布的6个位置，它每转60度就可变换一种主轴转速。手柄通过传动比为1:1的链轮传动，驱动固定在轴4上的盘形凸轮3和曲柄2转动。盘形凸轮3上有一条封闭曲线槽，有两段不同半径的圆弧和直线组成。当轴4转动时，盘形凸轮3可推动杠杆5摆动，从而带动杠杆5另一端从动轴Ⅱ上的双联滑动齿轮换位，由于盘形凸轮3有两段不同直径的曲线，所以齿轮有两种不同的位置，与此同时，轴4左端的曲柄2通过拨叉1使从动轴Ⅲ上的三联滑动齿轮B 换位，可依次和Ⅱ轴上的三个固定齿轮啮合。A 、B 两齿轮块六种位置的组合，使手柄每转60度得到一种不同的传动比，即改变了一次主轴转速。
（二）、进给系统的典型机构
1．纵、横向机动进给及快速移动机构
此机构由一个手柄操纵，当需纵向
移动刀架时，向左或右方向扳动手柄1，
轴14在台阶b 及卡环c 的作用下，只能
转动而不能移动，使手柄只能绕销a 摆
动，从而使轴3作轴向移动，通过杠杆7
及推杆8使鼓形凸轮9转动，凸轮9的
曲线槽使拨叉10作纵向移动。推动轴Ⅹ
ⅩⅣ上的双向牙嵌离合器M 6向相应的
方向啮合。进给运动从光杠传给轴ⅩⅩ
Ⅳ，使刀架作纵向机动进给。如按下手
柄1上的快速移动按纽，启动快速电机，
刀架就可快速移动。
如向前或向后扳动手柄1，可可使轴
14和凸轮13转动，凸轮13上的曲线槽
使杠杆12摆动，通过拨叉11拨动轴Ⅹ
ⅩⅧ上的双向牙嵌离合器M 7向相应方向啮合。可使刀架实现向前或向后的机动进给或快速移动。手柄1在中间位置时，离合器M 6、M 7均脱开，机动和快速移动均被断开。
盖2上开有十字形槽，使操纵手柄不能同时接合纵向和横向运动。
2．开合螺母机构
开合螺母的作用是接通或断开丝杠传动刀架的运动。
车螺纹时，开合螺母合上，丝杠转动带动溜板箱及刀
架运动。其结构见图中的B-B 剖视，它由上、下两个
半螺母19、18组成。半螺母18、19可沿溜板箱中垂
直的导轨上下移动。半螺母上的圆住销20，分别插入
固定在手柄轴上的槽盘21的两条曲线槽d 中。转动
手柄15时就可使开合螺母张开或闭合，槽盘21上的
偏心圆弧槽接近盘心部分的倾角较小，使开合螺母闭
合后能自锁。限位螺钉17用以调节螺母与丝杠的间
隙。
3．互锁机构
为了避免丝杠和光杠同时传动刀架而损坏机床，开合螺母操纵手柄和刀架机动进给及快速移动手柄应是互锁的，接通机动进给时，开合螺母不能闭合，合上开合螺母时，就不允许接通机动进给。如图为互锁机构的工作原理图。
图（a ）为中间位置的情况；这时机动进给未接通，开合螺母也处于脱开状态，这时可任意的扳动开合螺母操纵手柄15或机动进给操纵手柄。
图（b ）是开合螺母合上时的情况，这时由于手柄15带动轴4转了一个角度，它的凸肩转入轴14的槽中，使其不能转动，同时，凸肩又将销子5的一半压入到轴3的孔中，而销子的另一半尚在固定套16中，使轴3不能轴向移动，机动进给及快速操纵手柄1被锁住，光杠的运动不能传动刀架。
图（c ）是向左扳动手柄1接通纵向进给时的情况，这时轴3向右移动，其上的圆孔及安装在圆孔内的弹簧销6亦随之移开，销子5被轴3的外圆表面顶住而不能再往下移动，它的上端则卡在轴4的V 形槽内，将手柄轴4锁住，使开合螺母操纵手柄15不能转动，开合螺母不能合上。
图（d ）是向前扳动操纵手柄1接通横向进给时的情况，这时由于轴14转动，手柄轴4上的凸肩被轴14顶住，使轴4不能转动，开合螺母也不能闭合。
实验二 数控机床结构了解
一、实验目的
本实验使学生了解FA-40M 立式加工中心和数控车床布局、传动系统、进给机构、掌握立式加工中心刀库、换刀机械手、换刀方法，使学生进一步明确数控机床的特点和用途，
二．实验内容
进行FA-40M 立式数控加工中心、数控车床的现场教学。使学生了解和掌握FA-40M 立式数控加工中心的组成、主运动、进给运动传动关系、换刀机构，分析数控车床的组成、加工过程、进给运动、主运动传动关系、刀架结构、主轴编码器的作用。
三．实验步骤
1. 了解FA-40M 立式加工中心的布局，掌握主轴系统的工作原理和结构特点及各部分主要零件的作用；
（1）打开创壹软件菜单中的“教学”——点击“FA-40M 立式加工中心”——标出各主要部分名称——掌握加工中心的工作原理与功能
（2）菜单中“机械原理”——主轴系统——结构展示——播放——获得主轴结构图——标注各部分名称
（3）点击“FA-40M 立式加工中心”——刀库装置——原理演示——播放——标注各部分名称，叙述换刀过程 2. 了解CJK6163数控车床的布局，掌握主轴系统的工作原理和结构特点及各部分主要零件的作用；
（1）打开创壹软件菜单中的“教学”——点击“CJK6163数控车床”——标出各主要部分名称——掌握数控车床的工作原理与功能
（2）菜单中“机械原理”——主轴系统——结构展示——播放——获得主轴结构图——标注各部分名称
3. 点击“CK7136数控车床”——机械原理——刀塔——原理演示——播放——叙述换刀过程
四．立式数控加工中心
（一）数控加工中心的特点
加工中心与普通数控机床的区别主要在于它能在一台机床上完成由多台机床才能完成的工作。加工中心包括以下内容：
1. 加工中心是在数控镗床、数控铣床或数控车床的基础上增加自动换刀装置，使工件在机床工作台上装夹后，可以连续完成对工件表面自动进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削等多工步的加工，工序高度集中。
2. 加工中心一般可完成多个平面或多个角度位置的多工序加工。
3. 加工中心能自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助机能。
4. 加工中心工作效率高。
（二）加工中心的工作原理
加工中心的工作原理是根据零件图纸，制定工艺方案，采用手工或计算机自动编制零件加工程序，把零件所需的机床各种动作及全部工艺参数变成机床的数控装置能接受的信息代码，并把这些代码存储在信息载体上，将信息载体送到输入装置，读出信息并送入数控装置。以上是最常用的程序输入方法。另一种方法是利用计算机和加工中心直接进行通信，实现零件程序的输入和输出。
进入数控装置的信息，经过一系列处理和运算转变为脉冲信号。有的信号送到机床的伺服系统，通过伺服机构进行转换和放大，再经过传动机构，驱动机床有关零部件，使刀具和工件严格执行零件程序所规定的相应运动。还有的信号送到可编程序控制器中用以顺序控制机床的其他辅助动作，实现刀具自动更换。
（三）加工中心的组成
1. 基础部件 由床身、立柱和工作台等大件组成，是加工中心的基础构件，它们可以是铸铁件，也可以是焊接钢结构件，均要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削载荷。故必须是刚度很高的部件，亦是加工中心质量和体积最大的部件。
2. 主轴组件 它由主轴箱、主轴电机、主轴和主轴轴承等零件组成。其启动、停止和转动等动作均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响。
3. 控制系统 单台加工中心的数控部分是由CNC 装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电机等部分组成。它们是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程中的控制中心。CNC 系统一般由中央处理器、存储器和输入、输出接口组成。中央处理器又由存储器、运算器、控制器和总线组成。CNC 系统主要特点是输入存储、数据处理、插补运算以及机床各种控制功能都通过计算机软件来完成，能增加很多逻辑电路中难以实现的功能。计算机与其他装置之间可通过接口设备联接。当控制对象改变时，只需改变软件与接口。
4. 伺服系统 伺服系统的作用是把来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动，其性能是决定机床的加工精度、表面质量和生产效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半闭环、闭环和混合环三种控制方式。
5. 自动换刀装置 它由刀库、机械手和驱动机构等部件组成。刀库是存放加工过程所使用的全部刀具的装置。刀库有盘式、鼓式和链式等多种形式，容量从几把到几百把，当需换刀时，根据数控系统指令，由机械手(或通过别的方式) 将刀具从刀库取出装入主轴中，机械手的结构根据刀库与主轴的相对位置及结构的不同也有多种形式，如单臂式、双臂式、回转式和轨道式等等。有的加工中心不用机械手而利用主轴箱或刀库的移动来实现换刀。尽管换刀过程、选刀方式、刀库结构、机械手类型等各不相同，但都是在数控装置及可编程序控制器控制下，由电机和液压或气动机构驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。当机构中装入接触式传感器，还可实现对刀具和工件误差的测量。
6. 辅助系统 包括润滑、冷却、排屑、防护、液压和随机检测系统等部分。辅助系统虽不直接参加切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，因此，也是加工中心不可缺少的部分。
五． 数控车床
（一）工艺范围与分类
数控车床与普通车床一样，主要用于加工各种轴类、套筒类和盘类零件上的回转表面，例如内外圆柱面、圆锥面、成型回转表面及螺纹面等。
（二）数控车床的特点
1. 高精度 2.高效率 3.高柔性 4.高可靠性 5.工艺能力强 6.模块化设计
（三）数控车床的组成
数控卧式车床由以下几部分组成：
1. 主机 主机是数控车床的机械部件，包括床身、主轴箱、刀架、尾座、进给机构等。
2. 数控装置 作为控制部分是数控车床的控制核心，其主体是一台计算机。
3. 伺服驱动系统 伺服驱动系统是数控车床切削工作的动力部分，主要实现主运动和进给运动。它由伺服驱动电路和驱动装置组成，驱动装置主要有主轴电动机、进给系统的步进电动机或交、直流伺服电动机等。
4. 辅助装置 辅助装置是指数控车床的一些配套部件，包括液压、气动装置及冷却系统、润滑系统和排屑装置等。
与普通车床相比，数控车床还有数控系统、伺服驱动系统和辅助系统等几大部分；而且数控车床的进给系统与普通车床的进给系统在结构上存在着本质上的差别。普通车床的进给传动链为：主轴→挂轮架→进给箱→溜板箱→刀架。而数控车床采用伺服电动机(步进电动机) 经滚珠丝杠传到滑板和刀架，以连续控制刀具实现纵向(Z向) 和横向(X向) 进给运动。其结构大为简化，精度和自动化程度大大提高。数控车床主轴安装有脉冲编码器，主轴的运动通过同步齿形带1:1的传到脉冲编码器。当主轴旋转时，脉冲编码器便发出检测脉冲信号给数控系统，使主轴电动机的旋转与刀架的切削进给保持同步关系，就可以实现螺纹加工时主轴旋转1周，刀架Z 向移动一个导程的运动关系
实验三 数控机床典型部件解析
一、实验目的
掌握数控机床典型部件的机械结构与基本工作原理
二、实验内容
内容：轴承、滚珠丝杠副、伺服电机等数控机床典型部件结构的理解。
三、实验步骤
1. FA-40M 立式加工中心
（1）打开创壹软件菜单中的“教学”——点击“FA-40M 立式加工中心”——机械原理——工作台进给装置——结构展示——按住鼠标左键拖动图形直到合适位置——获得X,Y 轴伺服电机图形；
（2）打开创壹软件菜单中的“教学”——点击“FA-40M 立式加工中心”——机械原理——工作台进给装置——结构展示——按住鼠标左键拖动图形直到合适位置——获得直线运动滚动支承（滚动导轨）的图形——补全截面图形并标注
（3）点击“FA-40M 立式加工中心”——机械原理——工作台进给——原理演示——按住鼠标左键拖动图形直到合适位置——获得滚珠丝杆的图形
2. CK7136数控车床
（1）打开创壹软件菜单中的“教学”——点击“CK7136数控车床”——机械原理——主轴箱——结构展示——播放——获得主轴轴承及其安装位置——标注轴承类型及分析轴承受力情况
三、数控机床主轴部件轴承
机床的主轴部件是机床重要部件之一，它带动工件或刀具执行机床的切削运动。因此数控机床主轴部件的精度，抗振性和热变形对加工质量有直接的影响，由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。
1. 对主轴组件的性能要求
(1)旋转精度；(2)刚度；(3)温升；(4)可靠性；(5)精度保持性。
2. 主轴轴承选型
下面简述几种常用的数控机床主轴轴承的结构特点及适用范围。
(1)双列圆柱滚子轴承(Double－row cylindrical roller bearing)，图1为双列圆柱滚子轴承。它的特点是内孔为1:12的锥孔，与主轴的锥形轴颈相配合。轴向移动内圈，可把内圈胀大，以消除间隙或预紧，这种轴承只能承受径向载荷。
图1(b)为另一种双列圆柱滚子轴承。与图1 (a)的差别是：(1)图1(a)的滚道挡边开在内圈上，滚动体，保持架与内圈成为一体，外圈可分离，而图1(b)则相反；滚道挡边开在外围上，滚动体，保持架与外圈成为一体，内圈可分离，可将内圈装上主轴后再精磨滚道，以便进一步提高精度。(2)图1(a)为特轻型，图1(b)为超轻型。同样孔径，图1(b)的外径比图1(a)小些。前者编号为NN3000k(旧编号为3182100) 系列，后者为NNU4900K(旧编号4482900) 系列。后者只有大型，最小内径l00mm 。这种轴承多用于载荷较大，刚度要求较高，中等转速的地方。
图1 双列圆柱滚子轴承
(2)双向推力角接触球轴承(Double direction angular contact thrust ball bearing)这种轴承与双列圆柱滚子轴承相配套，用于承受轴向载荷，如图2所示。轴承由左右内圈1和5，外圈3，左右两列滚珠及保持架2和4，隔套6组成。修磨隔套6的厚度就能消除间隙和预紧。：它的公称外径与同孔径的双列圆柱滚子轴承相同，但外径公差带在零线的下方，与壳体之间有间隙，故不承受径向载荷，专作推力轴承使用。接触角有60︒的，编号为234400。
图2 双向推力角接触球轴承
1－左内圈；2、4－滚珠；3－外圈；5－右内圈；6－隔套
(3)角接触球轴承 这种轴承既可以承受径向载荷，又可承受轴向载荷。常用的接触角有两种：a ＝25︒和a ＝15︒。其中a ＝25︒的编号为7000AC 型(旧代号为46100型) ，属特轻型；或编号为7190AC 型(旧代号为46900
a ＝15︒的编号为7000C 型(旧代号为3610型) ，型) ，属超轻型。属特轻型；或编号为7190C 型(113代号为1036900
型) ，属超轻型。如图3所示。
图3 角接触球轴承
角接触球轴承多用于高速主轴。随接触角的不同有所区别，α=25°的轴向刚度较高，但径向刚度和允许的转速略低，多用于车、镗、铣加工中心等主轴；α=15°的转速可更高些，但轴向刚度较低，常用于轴向载荷较
小，转速较高的磨床主轴或不承受轴向载荷的车、镗、铣主轴后轴承。这种球轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚度和承载能力，常用多联组配的办法。如图4(a)、(b)、(c)所示为三种基本组配方式，分别为背靠背，面对面和同向组配。
图4角接触球轴承的组配
数控机床的主轴轴承主要有三种配置形式，如图5所示。
图5 数控机床主轴轴承配置形式
四、数控机床进给系统
1 对进给传动系统的要求
数控机床进给系统的机械传动机构是指将伺服电动机的旋转运动变为工作台或刀架直线运动以实现进给运动的整个机械传动。主要包括减速装置、丝杠螺母副、导向元件及其支承部件等。它的传动质量直接关系到机床的加工性能。
数控机床通常对进给系统的要求有三点：传动精度、系统的稳定性和动态响应特性 (灵敏度) 。
2 滚珠丝杠螺母副
滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，在数控机床上得到广泛应用。
滚珠丝杠螺母副的特点：
(1)传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率可达92％～98％，是普通丝杠传动的2～4倍。
(2)摩擦力小。因为动、静摩擦因数相差小，因而传动灵敏，运动平稳、低速不易产生爬行，随动精度和定位精度高。
(3)使用寿命长。滚珠丝杠副采用优质合金制成，其滚道表面淬火硬度高达60～62HRC ，表面粗糙度值小，故磨损很小。
(4)经预紧后可以消除轴向间隙，提高系统的刚度。
(5)反向运动时无空行程，可以提高轴向运动精度。
滚珠丝杠螺母副的结构：
滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的传动装置。在数控铣床上得到了广泛应用。它的结构特点
是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦。
3 伺服电机与进给丝杠的联接
在数控机床进给驱动系统中，伺服电机与滚珠丝杠联接，要保证传动无间隙，只有这样才能准确执行脉冲指令，而不丢掉脉冲。为此在数控机床上，主要采用三种联接方式，直接联接式、齿轮减速式、齿形带式。
用得最普遍的是如图所示的直联式。它是通过挠性联轴节，把伺服电机和滚珠丝杠联接起来的。图中所示“锥环”，是无隙直联方式的关键元件。
金属切削机床
实验指导书
中北大学机械工程与自动化学院
实验一 普通车床各部件的结构和功用
一、实验目的
普通车床具有较典型的机械传动系统及操纵机构，应用了较多的机械传动机构如带传动、齿轮传动、链传动、摩擦传动、螺旋机构、凸轮机构、曲柄机构、杠杆机构等等和较多的机械零件如轴承、齿轮、链轮、带轮、键、花键、联轴器、离合器等零件。本实验的目的一是了解这些机构和零件是怎样组合完成一定的功用的；二是掌握以普通车床为代表的机床各部件的传动系统的传动原理及路线、结构特点和功用。
二、实验内容
1．了解车床的用途、布局、各操纵手柄的作用和操作方法；
2．了解主运动、进给运动的传动路线；
2．了解主运动、进给运动的调整方法；
3．了解和分析机床主要机构的构造及工作原理。
三、实验步骤
学生在实验指导人员带领下，到CA6140型普通车床现场教学。
1．观察CA6140型普通车床的主轴箱结构，注意调整方法；
2．观察、了解进给互锁机构及丝杠螺母机构的工作原理；
3．根据实物了解车床主要附件的使用。
四：CA6140型车床的传动系统
（一）、机床的功用及主要技术性能
CA6140型普通车床是一种通用性能好的典型机床，它除用作车内外圆柱及圆锥表面、车端面、切槽、切断外，还可车削公制、英制、模数制、径节等四种螺纹。如在尾架锥孔内安装钻头或铰刀、则可以进行钻孔及铰孔。
CA6140型普通车床主要技术性能；
床身上最大工件回转直径 400mm
最大工件长度（四种规格） 750、1000、1500、2000 mm
最大车削长度（四种规格） 650、900、1400、1900 mm
刀架上最大工件回转直径 210 mm
主轴中心高 205 mm， 主轴内孔直径 48 mm，主轴内孔前端锥度 莫氏6号 主轴转速范围：正转（24级）10 ～1400r/min， 反转（12级）14～1500 r/min 进给量范围：纵向（64种）0.028～6.33mm/r， 横向（64种）0.014～3.16 mm/r 刀架快速移动速度：纵向 4.9m/min， 横向 2.45 m/min
加工螺纹范围：公制螺纹（44种） 1～192mm
英制螺纹（20种） 2～24牙/in
模数螺纹（39种） 0.25～48mm
径节螺纹（37种） 1～96牙/in
主电机7.5KW ，1450 r/min，溜板快速移动电机 370 ，2600 r/min
（二）、机床的主运动传动链
1．传动系统图概述
1）传动原理图和传动框图表示的传动关系通过传动系统图体现；
2）传动系统图画在一个能反映机床基本外形和主要部件相互位置的平面上，并尽可能绘制在机床外形的轮廓线内；
3）各种传动元件用简单的规定符号代表，各齿轮所标注的数字代表齿数；
4）各传动元件应尽可能按运动的传递顺序安排；
5）该图只表示传动关系，不代表传动元件的实际尺寸和空间位置。
五、CA6140型车床的主要构造
（一）、主轴变速箱
1. 主轴正、反转及制动装置
轴Ⅰ上的双向磨擦离合器是控制
主轴正、反转的；内磨擦片3与轴Ⅰ靠
花键联接，外磨擦片2空套在轴Ⅰ上，
直径略大于花键，外圆上有4个凸起，
嵌在空套齿轮1的缺口中。内外摩擦片
相间安装，杆7的左、右移动使销5推
动压块8将内、外磨擦片压紧，则内磨
擦片通过磨擦力带动外磨擦片转动，再
利用外磨擦片外圆上的四个凸起带动
齿轮转动。压块8处于中间位置时，左
右离合器都脱开，轴Ⅱ以后的各轴停
转。
摩擦离合器的位置，由手柄18操
纵，向上扳，杆20向外，使曲柄21和
齿扇17作顺时针转动，齿条22向右移
动。驱动齿条上的拨叉23带动滑套12
也向右移动。滑套12内孔的两端为锥
孔，中间为圆柱孔，当滑套12向右移
动时，就将元宝销（杠杆）6的右端向
下压。杠杆6的支点固定在轴Ⅰ上，当
滑套12移动时压下它的右端时，元宝
销6作顺时针方向转动，其尾部推动杆
7，使它产生向左移动，并通过销5带
动压块8向右压紧，主轴正转。
离合器环能起过载保护作用，当机
床过载时，摩擦片打滑，就可避免损坏
机床。摩擦片间的压紧力是根据离合器
应传递的额定转矩确定的。
制动器装在轴Ⅳ上，在离合器脱开
时制动主轴，以缩短辅助时间。
制动盘与轴Ⅳ花键联接，周边围着
制动带15。制动带的一端与杠杆制动
器14联接，另一端通过调节螺钉13等
与箱体相连，为了操纵方便并避免出
错，制动器和摩擦离合器共用一套操纵机构，也由手柄18操纵。当离合器脱开时，齿条22处于中间位置。这时齿条轴22上的凸起正处于与杠杆14下端相接触的位置，使杠杆14作逆时针方向摆动，将制动带15压紧在制动盘16上，使轴Ⅳ和主轴迅速停止转动。齿条轴22凸起的左右边都是凹槽，左右离合器中任一个结合时，杠杆14端顺时针方向摆动，使制动带放松。
2．主轴变速操纵机构
轴Ⅱ和轴Ⅲ上滑动齿轮的操纵机构：轴Ⅱ上的双联滑移齿轮和轴Ⅲ上的三联滑移齿轮是由一个手柄操纵的，变速手柄每转一转，变换全部6种转速，故手柄共有均布的6个位置，它每转60度就可变换一种主轴转速。手柄通过传动比为1:1的链轮传动，驱动固定在轴4上的盘形凸轮3和曲柄2转动。盘形凸轮3上有一条封闭曲线槽，有两段不同半径的圆弧和直线组成。当轴4转动时，盘形凸轮3可推动杠杆5摆动，从而带动杠杆5另一端从动轴Ⅱ上的双联滑动齿轮换位，由于盘形凸轮3有两段不同直径的曲线，所以齿轮有两种不同的位置，与此同时，轴4左端的曲柄2通过拨叉1使从动轴Ⅲ上的三联滑动齿轮B 换位，可依次和Ⅱ轴上的三个固定齿轮啮合。A 、B 两齿轮块六种位置的组合，使手柄每转60度得到一种不同的传动比，即改变了一次主轴转速。
（二）、进给系统的典型机构
1．纵、横向机动进给及快速移动机构
此机构由一个手柄操纵，当需纵向
移动刀架时，向左或右方向扳动手柄1，
轴14在台阶b 及卡环c 的作用下，只能
转动而不能移动，使手柄只能绕销a 摆
动，从而使轴3作轴向移动，通过杠杆7
及推杆8使鼓形凸轮9转动，凸轮9的
曲线槽使拨叉10作纵向移动。推动轴Ⅹ
ⅩⅣ上的双向牙嵌离合器M 6向相应的
方向啮合。进给运动从光杠传给轴ⅩⅩ
Ⅳ，使刀架作纵向机动进给。如按下手
柄1上的快速移动按纽，启动快速电机，
刀架就可快速移动。
如向前或向后扳动手柄1，可可使轴
14和凸轮13转动，凸轮13上的曲线槽
使杠杆12摆动，通过拨叉11拨动轴Ⅹ
ⅩⅧ上的双向牙嵌离合器M 7向相应方向啮合。可使刀架实现向前或向后的机动进给或快速移动。手柄1在中间位置时，离合器M 6、M 7均脱开，机动和快速移动均被断开。
盖2上开有十字形槽，使操纵手柄不能同时接合纵向和横向运动。
2．开合螺母机构
开合螺母的作用是接通或断开丝杠传动刀架的运动。
车螺纹时，开合螺母合上，丝杠转动带动溜板箱及刀
架运动。其结构见图中的B-B 剖视，它由上、下两个
半螺母19、18组成。半螺母18、19可沿溜板箱中垂
直的导轨上下移动。半螺母上的圆住销20，分别插入
固定在手柄轴上的槽盘21的两条曲线槽d 中。转动
手柄15时就可使开合螺母张开或闭合，槽盘21上的
偏心圆弧槽接近盘心部分的倾角较小，使开合螺母闭
合后能自锁。限位螺钉17用以调节螺母与丝杠的间
隙。
3．互锁机构
为了避免丝杠和光杠同时传动刀架而损坏机床，开合螺母操纵手柄和刀架机动进给及快速移动手柄应是互锁的，接通机动进给时，开合螺母不能闭合，合上开合螺母时，就不允许接通机动进给。如图为互锁机构的工作原理图。
图（a ）为中间位置的情况；这时机动进给未接通，开合螺母也处于脱开状态，这时可任意的扳动开合螺母操纵手柄15或机动进给操纵手柄。
图（b ）是开合螺母合上时的情况，这时由于手柄15带动轴4转了一个角度，它的凸肩转入轴14的槽中，使其不能转动，同时，凸肩又将销子5的一半压入到轴3的孔中，而销子的另一半尚在固定套16中，使轴3不能轴向移动，机动进给及快速操纵手柄1被锁住，光杠的运动不能传动刀架。
图（c ）是向左扳动手柄1接通纵向进给时的情况，这时轴3向右移动，其上的圆孔及安装在圆孔内的弹簧销6亦随之移开，销子5被轴3的外圆表面顶住而不能再往下移动，它的上端则卡在轴4的V 形槽内，将手柄轴4锁住，使开合螺母操纵手柄15不能转动，开合螺母不能合上。
图（d ）是向前扳动操纵手柄1接通横向进给时的情况，这时由于轴14转动，手柄轴4上的凸肩被轴14顶住，使轴4不能转动，开合螺母也不能闭合。
实验二 数控机床结构了解
一、实验目的
本实验使学生了解FA-40M 立式加工中心和数控车床布局、传动系统、进给机构、掌握立式加工中心刀库、换刀机械手、换刀方法，使学生进一步明确数控机床的特点和用途，
二．实验内容
进行FA-40M 立式数控加工中心、数控车床的现场教学。使学生了解和掌握FA-40M 立式数控加工中心的组成、主运动、进给运动传动关系、换刀机构，分析数控车床的组成、加工过程、进给运动、主运动传动关系、刀架结构、主轴编码器的作用。
三．实验步骤
1. 了解FA-40M 立式加工中心的布局，掌握主轴系统的工作原理和结构特点及各部分主要零件的作用；
（1）打开创壹软件菜单中的“教学”——点击“FA-40M 立式加工中心”——标出各主要部分名称——掌握加工中心的工作原理与功能
（2）菜单中“机械原理”——主轴系统——结构展示——播放——获得主轴结构图——标注各部分名称
（3）点击“FA-40M 立式加工中心”——刀库装置——原理演示——播放——标注各部分名称，叙述换刀过程 2. 了解CJK6163数控车床的布局，掌握主轴系统的工作原理和结构特点及各部分主要零件的作用；
（1）打开创壹软件菜单中的“教学”——点击“CJK6163数控车床”——标出各主要部分名称——掌握数控车床的工作原理与功能
（2）菜单中“机械原理”——主轴系统——结构展示——播放——获得主轴结构图——标注各部分名称
3. 点击“CK7136数控车床”——机械原理——刀塔——原理演示——播放——叙述换刀过程
四．立式数控加工中心
（一）数控加工中心的特点
加工中心与普通数控机床的区别主要在于它能在一台机床上完成由多台机床才能完成的工作。加工中心包括以下内容：
1. 加工中心是在数控镗床、数控铣床或数控车床的基础上增加自动换刀装置，使工件在机床工作台上装夹后，可以连续完成对工件表面自动进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削等多工步的加工，工序高度集中。
2. 加工中心一般可完成多个平面或多个角度位置的多工序加工。
3. 加工中心能自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助机能。
4. 加工中心工作效率高。
（二）加工中心的工作原理
加工中心的工作原理是根据零件图纸，制定工艺方案，采用手工或计算机自动编制零件加工程序，把零件所需的机床各种动作及全部工艺参数变成机床的数控装置能接受的信息代码，并把这些代码存储在信息载体上，将信息载体送到输入装置，读出信息并送入数控装置。以上是最常用的程序输入方法。另一种方法是利用计算机和加工中心直接进行通信，实现零件程序的输入和输出。
进入数控装置的信息，经过一系列处理和运算转变为脉冲信号。有的信号送到机床的伺服系统，通过伺服机构进行转换和放大，再经过传动机构，驱动机床有关零部件，使刀具和工件严格执行零件程序所规定的相应运动。还有的信号送到可编程序控制器中用以顺序控制机床的其他辅助动作，实现刀具自动更换。
（三）加工中心的组成
1. 基础部件 由床身、立柱和工作台等大件组成，是加工中心的基础构件，它们可以是铸铁件，也可以是焊接钢结构件，均要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削载荷。故必须是刚度很高的部件，亦是加工中心质量和体积最大的部件。
2. 主轴组件 它由主轴箱、主轴电机、主轴和主轴轴承等零件组成。其启动、停止和转动等动作均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响。
3. 控制系统 单台加工中心的数控部分是由CNC 装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电机等部分组成。它们是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程中的控制中心。CNC 系统一般由中央处理器、存储器和输入、输出接口组成。中央处理器又由存储器、运算器、控制器和总线组成。CNC 系统主要特点是输入存储、数据处理、插补运算以及机床各种控制功能都通过计算机软件来完成，能增加很多逻辑电路中难以实现的功能。计算机与其他装置之间可通过接口设备联接。当控制对象改变时，只需改变软件与接口。
4. 伺服系统 伺服系统的作用是把来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动，其性能是决定机床的加工精度、表面质量和生产效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半闭环、闭环和混合环三种控制方式。
5. 自动换刀装置 它由刀库、机械手和驱动机构等部件组成。刀库是存放加工过程所使用的全部刀具的装置。刀库有盘式、鼓式和链式等多种形式，容量从几把到几百把，当需换刀时，根据数控系统指令，由机械手(或通过别的方式) 将刀具从刀库取出装入主轴中，机械手的结构根据刀库与主轴的相对位置及结构的不同也有多种形式，如单臂式、双臂式、回转式和轨道式等等。有的加工中心不用机械手而利用主轴箱或刀库的移动来实现换刀。尽管换刀过程、选刀方式、刀库结构、机械手类型等各不相同，但都是在数控装置及可编程序控制器控制下，由电机和液压或气动机构驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。当机构中装入接触式传感器，还可实现对刀具和工件误差的测量。
6. 辅助系统 包括润滑、冷却、排屑、防护、液压和随机检测系统等部分。辅助系统虽不直接参加切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，因此，也是加工中心不可缺少的部分。
五． 数控车床
（一）工艺范围与分类
数控车床与普通车床一样，主要用于加工各种轴类、套筒类和盘类零件上的回转表面，例如内外圆柱面、圆锥面、成型回转表面及螺纹面等。
（二）数控车床的特点
1. 高精度 2.高效率 3.高柔性 4.高可靠性 5.工艺能力强 6.模块化设计
（三）数控车床的组成
数控卧式车床由以下几部分组成：
1. 主机 主机是数控车床的机械部件，包括床身、主轴箱、刀架、尾座、进给机构等。
2. 数控装置 作为控制部分是数控车床的控制核心，其主体是一台计算机。
3. 伺服驱动系统 伺服驱动系统是数控车床切削工作的动力部分，主要实现主运动和进给运动。它由伺服驱动电路和驱动装置组成，驱动装置主要有主轴电动机、进给系统的步进电动机或交、直流伺服电动机等。
4. 辅助装置 辅助装置是指数控车床的一些配套部件，包括液压、气动装置及冷却系统、润滑系统和排屑装置等。
与普通车床相比，数控车床还有数控系统、伺服驱动系统和辅助系统等几大部分；而且数控车床的进给系统与普通车床的进给系统在结构上存在着本质上的差别。普通车床的进给传动链为：主轴→挂轮架→进给箱→溜板箱→刀架。而数控车床采用伺服电动机(步进电动机) 经滚珠丝杠传到滑板和刀架，以连续控制刀具实现纵向(Z向) 和横向(X向) 进给运动。其结构大为简化，精度和自动化程度大大提高。数控车床主轴安装有脉冲编码器，主轴的运动通过同步齿形带1:1的传到脉冲编码器。当主轴旋转时，脉冲编码器便发出检测脉冲信号给数控系统，使主轴电动机的旋转与刀架的切削进给保持同步关系，就可以实现螺纹加工时主轴旋转1周，刀架Z 向移动一个导程的运动关系
实验三 数控机床典型部件解析
一、实验目的
掌握数控机床典型部件的机械结构与基本工作原理
二、实验内容
内容：轴承、滚珠丝杠副、伺服电机等数控机床典型部件结构的理解。
三、实验步骤
1. FA-40M 立式加工中心
（1）打开创壹软件菜单中的“教学”——点击“FA-40M 立式加工中心”——机械原理——工作台进给装置——结构展示——按住鼠标左键拖动图形直到合适位置——获得X,Y 轴伺服电机图形；
（2）打开创壹软件菜单中的“教学”——点击“FA-40M 立式加工中心”——机械原理——工作台进给装置——结构展示——按住鼠标左键拖动图形直到合适位置——获得直线运动滚动支承（滚动导轨）的图形——补全截面图形并标注
（3）点击“FA-40M 立式加工中心”——机械原理——工作台进给——原理演示——按住鼠标左键拖动图形直到合适位置——获得滚珠丝杆的图形
2. CK7136数控车床
（1）打开创壹软件菜单中的“教学”——点击“CK7136数控车床”——机械原理——主轴箱——结构展示——播放——获得主轴轴承及其安装位置——标注轴承类型及分析轴承受力情况
三、数控机床主轴部件轴承
机床的主轴部件是机床重要部件之一，它带动工件或刀具执行机床的切削运动。因此数控机床主轴部件的精度，抗振性和热变形对加工质量有直接的影响，由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。
1. 对主轴组件的性能要求
(1)旋转精度；(2)刚度；(3)温升；(4)可靠性；(5)精度保持性。
2. 主轴轴承选型
下面简述几种常用的数控机床主轴轴承的结构特点及适用范围。
(1)双列圆柱滚子轴承(Double－row cylindrical roller bearing)，图1为双列圆柱滚子轴承。它的特点是内孔为1:12的锥孔，与主轴的锥形轴颈相配合。轴向移动内圈，可把内圈胀大，以消除间隙或预紧，这种轴承只能承受径向载荷。
图1(b)为另一种双列圆柱滚子轴承。与图1 (a)的差别是：(1)图1(a)的滚道挡边开在内圈上，滚动体，保持架与内圈成为一体，外圈可分离，而图1(b)则相反；滚道挡边开在外围上，滚动体，保持架与外圈成为一体，内圈可分离，可将内圈装上主轴后再精磨滚道，以便进一步提高精度。(2)图1(a)为特轻型，图1(b)为超轻型。同样孔径，图1(b)的外径比图1(a)小些。前者编号为NN3000k(旧编号为3182100) 系列，后者为NNU4900K(旧编号4482900) 系列。后者只有大型，最小内径l00mm 。这种轴承多用于载荷较大，刚度要求较高，中等转速的地方。
图1 双列圆柱滚子轴承
(2)双向推力角接触球轴承(Double direction angular contact thrust ball bearing)这种轴承与双列圆柱滚子轴承相配套，用于承受轴向载荷，如图2所示。轴承由左右内圈1和5，外圈3，左右两列滚珠及保持架2和4，隔套6组成。修磨隔套6的厚度就能消除间隙和预紧。：它的公称外径与同孔径的双列圆柱滚子轴承相同，但外径公差带在零线的下方，与壳体之间有间隙，故不承受径向载荷，专作推力轴承使用。接触角有60︒的，编号为234400。
图2 双向推力角接触球轴承
1－左内圈；2、4－滚珠；3－外圈；5－右内圈；6－隔套
(3)角接触球轴承 这种轴承既可以承受径向载荷，又可承受轴向载荷。常用的接触角有两种：a ＝25︒和a ＝15︒。其中a ＝25︒的编号为7000AC 型(旧代号为46100型) ，属特轻型；或编号为7190AC 型(旧代号为46900
a ＝15︒的编号为7000C 型(旧代号为3610型) ，型) ，属超轻型。属特轻型；或编号为7190C 型(113代号为1036900
型) ，属超轻型。如图3所示。
图3 角接触球轴承
角接触球轴承多用于高速主轴。随接触角的不同有所区别，α=25°的轴向刚度较高，但径向刚度和允许的转速略低，多用于车、镗、铣加工中心等主轴；α=15°的转速可更高些，但轴向刚度较低，常用于轴向载荷较
小，转速较高的磨床主轴或不承受轴向载荷的车、镗、铣主轴后轴承。这种球轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚度和承载能力，常用多联组配的办法。如图4(a)、(b)、(c)所示为三种基本组配方式，分别为背靠背，面对面和同向组配。
图4角接触球轴承的组配
数控机床的主轴轴承主要有三种配置形式，如图5所示。
图5 数控机床主轴轴承配置形式
四、数控机床进给系统
1 对进给传动系统的要求
数控机床进给系统的机械传动机构是指将伺服电动机的旋转运动变为工作台或刀架直线运动以实现进给运动的整个机械传动。主要包括减速装置、丝杠螺母副、导向元件及其支承部件等。它的传动质量直接关系到机床的加工性能。
数控机床通常对进给系统的要求有三点：传动精度、系统的稳定性和动态响应特性 (灵敏度) 。
2 滚珠丝杠螺母副
滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，在数控机床上得到广泛应用。
滚珠丝杠螺母副的特点：
(1)传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率可达92％～98％，是普通丝杠传动的2～4倍。
(2)摩擦力小。因为动、静摩擦因数相差小，因而传动灵敏，运动平稳、低速不易产生爬行，随动精度和定位精度高。
(3)使用寿命长。滚珠丝杠副采用优质合金制成，其滚道表面淬火硬度高达60～62HRC ，表面粗糙度值小，故磨损很小。
(4)经预紧后可以消除轴向间隙，提高系统的刚度。
(5)反向运动时无空行程，可以提高轴向运动精度。
滚珠丝杠螺母副的结构：
滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的传动装置。在数控铣床上得到了广泛应用。它的结构特点
是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦。
3 伺服电机与进给丝杠的联接
在数控机床进给驱动系统中，伺服电机与滚珠丝杠联接，要保证传动无间隙，只有这样才能准确执行脉冲指令，而不丢掉脉冲。为此在数控机床上，主要采用三种联接方式，直接联接式、齿轮减速式、齿形带式。
用得最普遍的是如图所示的直联式。它是通过挠性联轴节，把伺服电机和滚珠丝杠联接起来的。图中所示“锥环”，是无隙直联方式的关键元件。