機(jī)械加工成形原理分析

摘 要：不同的零件具有不同的尺寸和幾何形狀，但是其內(nèi)外輪廓的組成都是一些簡單的表面，例如箱體的組成部分包括圓弧、圓柱面和平面等，階梯軸的組成元素包括端面、回轉(zhuǎn)曲面以及螺紋等。不同金屬具有不同的切削機(jī)床的運(yùn)作方式和結(jié)構(gòu)，但是從零件表面組成元素的角度來看，又有相似之處。過去傳統(tǒng)的零件表面成形理論的接受過于粗略，因此本文將對其欠缺部分進(jìn)行系統(tǒng)的描述，借助機(jī)床零件表面的發(fā)生線成形原理，大致分為簡單表面和復(fù)合表面對其進(jìn)行詳細(xì)闡述，從而達(dá)到完善機(jī)械加工成形理論的目的。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工;零件表面;成形理論

一、 簡述機(jī)械加工成形原理

通過觀察我們可以發(fā)現(xiàn)，金屬切削機(jī)床可以加工的零件的表面都是線性表面，其表面均是由兩條發(fā)生線遵循一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)而形成的。我們可以把這兩條發(fā)生線分為導(dǎo)線和母線，之所以將其命名為母線。是因?yàn)樗偸前凑找欢ǖ姆绞胶鸵?guī)則沿著另一條發(fā)生線，即導(dǎo)線，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而形成某種特定的表面。簡而言之，母線和導(dǎo)線的相對運(yùn)動(dòng)形成了線性表面，或者說是零件的線性表面成形過程是兩條發(fā)生線的形成過程，這就是所謂的零件表面成形原理。所以說，兩條發(fā)生線的運(yùn)動(dòng)形成了金屬切削機(jī)床的形成運(yùn)動(dòng)。

（一）簡述表面發(fā)生線的形成方法

形成零件表面發(fā)生線，即母線和導(dǎo)線的方法共包括展成法、相切法、成形法和軌跡法等四種方法。而零件某一個(gè)表面的母線和導(dǎo)線形成的方法可以一樣，也可能存在差別。例如直齒圓柱齒輪的齒廓面在滾齒機(jī)上進(jìn)行加工時(shí)，工件和滾刀的相對復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的漸開的母線，就是由展成法形成的，而導(dǎo)線作為呈直線的齒向線，是由相切法形成的。但同樣是加工直齒圓柱齒輪的齒廓面，此時(shí)選擇在插齒機(jī)上加工，導(dǎo)線就成了漸開線，由展成法形成，而變成直線齒向線的母線是由軌跡法所形成的。再比如說，圓柱面用尖頭車刀加工時(shí)，母線變成了園，導(dǎo)線變成了直線，但兩條線都是由軌跡法形成的。而用成形圓弧車刀車削成形圓弧溝槽時(shí)，母線變成了和刀具圓弧相吻合的弧線，這是由成刑法形成的，導(dǎo)線變成了圓，由軌跡法形成。因此，零件某一表面的成形運(yùn)動(dòng)和形狀要受制于具體的加工方法，并不是單純地取決于表面本身。下面將分別介紹四種發(fā)生線形成方法。

1. 展成法

展成法是零件表面加工時(shí)切削工具與工件作的相對展成運(yùn)動(dòng)，可以用來形成漸開線。這種方法主要運(yùn)用了齒輪嚙合的原理，要求刀具和工件按照既定的規(guī)則進(jìn)行相對運(yùn)動(dòng)，共同完成復(fù)合運(yùn)動(dòng)，此種方法需要兩個(gè)成形運(yùn)動(dòng)。

2. 相切法

相切法使用的刀具要求是柱狀的或者盤狀的多齒刀具，每個(gè)刀齒要依次削形成一系列的刀刃的軌跡線，包絡(luò)線就是和這些刀刃的軌跡線相切的線，也就是將要形成的發(fā)生線。相切法也需要兩個(gè)成形運(yùn)動(dòng)，包括刀具軸線沿著將要形成的發(fā)生線的等距離的運(yùn)動(dòng)以及刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3.成形法

此種表面發(fā)生線的形成方法有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，即將要形成的發(fā)生線和刀刃的形狀是完全一致的，也正因如此，成形法可通過刀具自行實(shí)現(xiàn)發(fā)生線，不需要刀具和工件之間的相對成形運(yùn)動(dòng)。

4. 軌跡法

將要形成的表面和刀具的切削呈現(xiàn)點(diǎn)接觸，該點(diǎn)沿著將要形成的發(fā)生線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，其所形成的運(yùn)動(dòng)軌跡就是發(fā)生線，因此，軌跡法需要一個(gè)成形運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)然，上述的四種方法只適用于發(fā)生線的形成，不能用于整個(gè)表面的形成。從發(fā)生線的形成原理可以得出，部分表面的母線和導(dǎo)線不能交換，否則得不到預(yù)期的表面效果，這樣的表面叫做不可逆表面，而有些表面的母校和導(dǎo)線可以相互交換，因此叫做可逆表面。不同的零件表面，其母線沿導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)的規(guī)則是不相同的，有的規(guī)律很簡單，例如圓柱面和平面，但有一些相對復(fù)雜，例如螺紋面和圓錐面。根據(jù)其規(guī)律的簡易程度，本文將零件表面分為簡單表面和復(fù)合表面，并據(jù)此分別進(jìn)行歸納和闡述。

（二） 簡述簡單表面的成形原理

簡單表面的母線沿著導(dǎo)線作平移，導(dǎo)線是簡單的成形線、直線或者圓。例如平面可以由一條直線沿另一條直線平移，相似的原理有用尖頭刨刀在牛頭刨床上加工平面：工件在棘輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下作的橫向步進(jìn)運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)發(fā)生線的導(dǎo)線，刨刀空回程的同時(shí)，刨刀刀尖在工件表面的直線切削運(yùn)動(dòng)形成發(fā)生線的母線。再比如說漸開線和與齒輪軸線平行的直線的相對運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直齒圓柱齒輪的齒廓面。由于簡單表面一般都是線性構(gòu)成，所以大多都是可逆表面，母線和導(dǎo)線可以相互交換。直齒圓柱齒輪的齒廓面在進(jìn)行滾齒機(jī)上加工時(shí)，首先形成漸開的母線，直齒圓柱齒輪的齒廓面在普通銑床上也可以運(yùn)用成形法，通過成形齒輪銑刀完成。

（三）簡述復(fù)合表面的成形原理

復(fù)合表面的成形原理相對簡單表面來說更為復(fù)雜，其導(dǎo)線各不相同，母線沿著導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律也更為復(fù)雜，其導(dǎo)線形成的運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的簡單運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。由于其運(yùn)動(dòng)過程較為復(fù)雜，所以復(fù)合表面通常是不可逆表面。

二、 加工精度與機(jī)床加工成形原理

經(jīng)過上述探討我們可以發(fā)現(xiàn)，母線和導(dǎo)線的實(shí)現(xiàn)就構(gòu)成了零件表面的整個(gè)加工過程。發(fā)生線的形狀誤差會(huì)直接影響零件表面質(zhì)量，例如在遇到車削圓柱面的情況時(shí)，，工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的誤差會(huì)直接影響圓柱面的圓度，刀具直線運(yùn)動(dòng)的誤差會(huì)直接影響圓柱面的圓柱度。因此要重視發(fā)生線成形運(yùn)動(dòng)的精度和強(qiáng)度。發(fā)生線精度的提高可以通過機(jī)床部件的改良設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，很多機(jī)床把刀具和工件之間的相對運(yùn)動(dòng)拆分為簡單的旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的精度通過運(yùn)動(dòng)的勻速性和圓度來體現(xiàn)，而直線度和勻速性體現(xiàn)了直線運(yùn)動(dòng)的精度。

三、結(jié)論

通過對機(jī)床上零件表面成形原理的詳細(xì)闡述和探究，可以彌補(bǔ)以往傳統(tǒng)機(jī)械加工成形原理的漏洞，進(jìn)一步完善機(jī)械加工知識體系中關(guān)于零件表面成形原理理論的構(gòu)造。在分別系統(tǒng)闡述簡單表面和復(fù)雜表面的問題中，本文舉證了不少的例子進(jìn)行解析，以便對零件表面成形原理有一個(gè)更深刻更細(xì)致的了解和認(rèn)識，機(jī)床零件表面成形原理可廣泛用于數(shù)控機(jī)床，特別是多自由度數(shù)控加工機(jī)床的運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)，以及制造裝備的技術(shù)研發(fā)和運(yùn)動(dòng)分析等領(lǐng)域。

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