機床知識

機床是將金屬毛坯加工成機器零件的機器，它是製造機器的機器，所以又稱為”工作母機”或”工具機”，習慣上簡稱機床。現代機械製造中加工機械零件的方法很多：除切削加工外，還有鑄造、鍛造、焊接、沖壓、擠壓等，但凡屬精度要求較高和表面粗糙度要求較細的零件，一般都需在機床上用切削的方法進行最終加工。在一般的機器製造中，機床所擔負的加工工作量佔機器總製造工作量的40％-60％，機床在國民經濟現代化的建設中起著重大作用。
(一)普通機床 1、 車床

車床是主要用車刀對旋轉的工件進行車削加工的機床。在車床上還可用鑽頭、擴孔鑽、鉸刀、絲錐、板牙和滾花工具等進行相應的加工。車床主要用於加工軸、盤、套和其他具有迴轉表面的工件，是機械製造和修配工廠中使用最廣的一類機床。
1.1 古代滑輪、弓形桿的“弓車床”早在古埃及時代，人們已經發明了將木材繞著它的中心軸旋轉時用刀具進行車削的技術。起初，人們是用兩根立木作為支架，架起要車削的木材，利用樹枝的彈力把繩索捲到木材上，靠手拉或腳踏拉動繩子轉動木材，並手持刀具而進行切削。

這種古老的方法逐漸演化，發展成了在滑輪上繞二三圈繩子，繩子架在彎成弓形的彈性桿上，來回推拉弓使加工物體旋轉從而進行車削，這便是“弓車床”。

1.2 中世紀曲軸、飛輪傳動的“腳踏車床”到了中世紀，有人設計出了用腳踏板旋轉曲軸並帶動飛輪，再傳動到主軸使其旋轉的“腳踏車床”。 16世紀中葉，法國有一個叫貝鬆的設計師設計了一種用螺絲槓使刀具滑動的車螺絲用的車床，可惜的是，這種車床並沒有推廣使用。

　　1.3 十八世紀誕生了床頭箱、卡盤時間到了18世紀，又有人設計了一種用腳踏板和連桿旋轉曲軸，可以把轉動動能貯存在飛輪上的車床上，並從直接旋轉工件發展到了旋轉床頭箱，床頭箱是一個用於夾持工件的卡盤。

1.4 英國人莫茲利發明了刀架車床（1797年）在發明車床的故事中，最引人注目的是一個名叫莫茲利的英國人，因為他於1797年發明了劃時代的刀架車床，這種車床帶有精密的導螺桿和可互換的齒輪。

　　莫茲利生於1771年，18歲的時候，他是發明家布拉默的得力助手。據說，布拉默原先一直是乾農活的，16歲那年因一次事故致使右踝傷殘，才不得不改行從事機動性不強的木工活。他的第一項發明便是1778年的抽水馬桶，莫茲利開始一直幫助布拉默設計水壓機和其他機械，直到26歲才離開布拉默，因為布拉默粗暴地拒絕了莫利茲提出的把工資增加到每週30先令以上的請求。

就在莫茲利離開布拉默的那一年，他製成了第一台螺紋車床，這是一台全金屬的車床，能夠沿著兩根平行導軌移動的刀具座和尾座。導軌的導向面是三角形的，在主軸旋轉時帶動絲槓使刀具架橫向移動。這是近代車床所具有的主要機構，用這種車床可以車製任意節距的精密金屬螺絲。

3年以後，莫茲利在他自己的車間裡製造了一台更加完善的車床，上面的齒輪可以互相更換，可改變進給速度和被加工螺紋的螺距。 1817年，另一位英國人羅伯茨採用了四級帶輪和背輪機構來改變主軸轉速。不久，更大型的車床也問世了，為蒸汽機和其他機械的發明立下了汗馬功勞。

1.5 各種專用車床的誕生為了提高機械化自動化程度，1845年，美國的菲奇發明轉塔車床；1848年，美國又出現回輪車床；1873年，美國的斯潘塞製成一台單軸自動車床，不久他又製成三軸自動車床；20世紀初出現了由單獨電機驅動的帶有齒輪變速箱的車床。由於高速工具鋼的發明和電動機的應用，車床不斷完善，終於達到了高速度和高精度的現代水平。

第一次世界大戰後，由於軍火、汽車和其他機械工業的需要，各種高效自動車床和專門化車床迅速發展。為了提高小批量工件的生產率，40年代末，帶液壓仿形裝置的車床得到推廣，與此同時，多刀車床也得到發展。 50年代中，發展了帶穿孔卡、插銷板和撥碼盤等的程序控制車床。數控技術於60年代開始用於車床，70年代後得到迅速發展。

1.6 車床的分類車床依用途和功能區分為多種類型。

　　普通車床的加工對象廣，主軸轉速和進給量的調整範圍大，能加工工件的內外表面、端面和內外螺紋。這種車床主要由工人手工操作，生產效率低，適用於單件、小批生產和修配車間。

轉塔車床和迴轉車床具有能裝多把刀具的轉塔刀架或回輪刀架，能在工件的一次裝夾中由工人依次使用不同刀具完成多種工序，適用於成批生產。

自動車床能按一定程序自動完成中小型工件的多工序加工，能自動上下料，重複加工一批同樣的工件，適用於大批、大量生產。

多刀半自動車床有單軸、多軸、臥式和立式之分。單軸臥式的佈局形式與普通車床相似，但兩組刀架分別裝在主軸的前後或上下，用於加工盤、環和軸類工件，其生產率比普通車床提高3～5倍。

仿形車床能仿照樣板或樣件的形狀尺寸，自動完成工件的加工循環，適用於形狀較複雜的工件的小批和成批生產，生產率比普通車床高10～15倍。有多刀架、多軸、卡盤式、立式等類型。

立式車床的主軸垂直於水平面，工件裝夾在水平的迴轉工作台上，刀架在橫梁或立柱上移動。適用於加工較大、較重、難於在普通車床上安裝的工件，一般分為單柱和雙柱兩大類。

鏟齒車床在車削的同時，刀架週期地作徑嚮往復運動，用於鏟車銑刀、滾刀等的成形齒面。通常帶有鏟磨附件，由單獨電動機驅動的小砂輪鏟磨齒面。

專門車床是用於加工某類工件的特定表面的車床，如曲軸車床、凸輪軸車床、車輪車床、車軸車床、軋輥車床和鋼錠車床等。

聯合車床主要用於車削加工，但附加一些特殊部件和附件後，還可進行鏜、銑、鑽、插、磨等加工，具有“一機多能”的特點，適用於工程車、船舶或移動修理站上的修配工作。
2、高性能矢量控制

　　3、轉矩動態響應快、穩速精度高

　　4、減速停車速度快

　　5、抗干擾能力強
2、 鏜床

工場手工業雖然是相對落後的，但是它卻訓練和造就了許許多多的技工，他們儘管不是專
門製造機器的行家里手，但他們卻能製造各種各樣的手工器具，例如刀、鋸、針、鑽、錐、磨以及軸類、套類、齒輪類、床架類等等，其實機器就是由這些零部件組裝而成的。

2.1 最早的鏜床設計者——達·芬奇鏜床被稱為“機械之母”。說起鏜床，還先得說說達·芬奇。這位傳奇式的人物，可能就是最早用於金屬加工的鏜床的設計者。他設計的鏜床是以水力或腳踏板作為動力，鏜削的工具緊貼著工件旋轉，工件則固定在用起重機帶動的移動台上。 1540年，另一位畫家畫了一幅《火工術》的畫，也有同樣的鏜床圖，那時的鏜床專門用來對中空鑄件進行精加工。

2.2 為大砲炮筒加工而誕生的第一台鏜床（威爾金森，1775年）到了17世紀，由於軍事上的需要，大砲製造業的發展十分迅速，如何製造出大砲的砲筒成了人們亟需解決的一大難題。

世界上第一台真正的鏜床是1775年由威爾金森發明的。其實，確切地說，威爾金森的鏜床是一種能夠精密地加工大砲的鑽孔機，它是一種空心圓筒形鏜桿，兩端都安裝在軸承上。

1728年，威爾金森出生在美國，在他20歲時，遷到斯塔福德郡，建造了比爾斯頓的第一座煉鐵爐。因此，人稱威爾金森為“斯塔福德郡的鐵匠大師”。 1775年，47歲的威爾金森在他父親的工廠裡經過不斷努力，終於製造出了這種能以罕見的精度鑽大砲炮筒的新機器。有意思的是，1808年威爾金森去世以後，他就葬在自己設計的鑄鐵棺內。

2.3 鏜床為瓦特的蒸汽機做出了重要貢獻如果說沒有蒸汽機的話，當時就不可能出現第一次工業革命的浪潮。而蒸汽機自身的發展和應用，除了必要的社會機遇之外，技術上的一些前提條件也是不可忽視的，因為製造蒸汽機的零部件，遠不像木匠削木頭那麼容易，要把金屬製成一些特殊形狀，而且加工的精度要求又高，沒有相應的技術設備是做不到的。比如說，製造蒸汽機的汽缸和活塞，活塞製造過程中所要求的外徑的精度，可以從外面邊量尺寸邊進行切削，但要滿足汽缸內徑的精度要求，採用一般加工方法就不容易做到了。

斯密頓是十八世紀最優秀的機械技師。斯密頓設計的水車、風車設備達43件之多。在製作蒸汽機時，斯密頓最感棘手的是加工汽缸。要想將一個大型的汽缸內圓加工成圓形，是相當困難的。為此，斯密頓在卡倫鐵工廠製作了一台切削汽缸內圓用的特殊機床。用水車作動力驅動的這種鏜床，在其長軸的前端安裝上刀具，這種刀具可以在汽缸內轉動，以此就可以加工其內圓。由於刀具安裝在長軸的前端，就會出現軸的撓度等問題，所以，要想加工出真正圓形的汽缸是十分困難的。為此，斯密頓不得不多次改變汽缸的位置進行加工。

對於這個難題，威爾金森於1774年發明的鏜床起了很大的作用。這種鏜床利用水輪使材料圓筒旋轉，並使其對準中心固定的刀具推進，由於刀具與材料之間有相對運動，材料就被鏜出精確度很高的圓柱形孔洞。當時、用鏜床做出直徑為72英寸的汽缸，誤差不超過六便士硬幣的厚度。用現代技術衡量，這是個很大的誤差，但在當時的條件下，能達到這個水平，已經是很不簡單了。

但是，威爾金森的這項發明沒有申請專利保護，人們紛紛仿造它，安裝它。 1802年，瓦特也在書中談到了威爾金森的這項發明，並在他的索霍鐵工廠裡進行仿製。以後，瓦特在製造蒸汽機的汽缸和活塞時，也應用了威爾金森這架神奇的機器。原來，對活塞來說，可以在外面一邊量著尺寸，一邊進行切削，但對汽缸就不那麼簡單了，非用鏜床不可。當時，瓦特就是利用水輪使金屬圓筒旋轉，讓中心固定的刀具向前推進，用以切削圓筒內部，結果，直徑75英寸的汽缸，誤差還不到一個硬幣的厚度，這在當對是很先進的了。

2.4 工作台升降式鏜床誕生（赫頓，1885年）在以後的幾十年間，人們對威爾金森的鏜床作了許多改進。 1885年，英國的赫頓製造了工作台升降式鏜床，這已成為了現代鏜床的雛型。
3、 銑床

19世紀，英國人為了蒸汽機等工業革命的需要發明了鏜床、刨床，而美國人為了生產大量的武器，則專心致志於銑床的發明。銑床是一種帶有形狀各異銑刀的機器，它可以切削出特殊形狀的工件，如螺旋槽、齒輪形等。

早在1664年，英國科學家胡克就依靠旋轉圓形刀具製造出了一種用於切削的機器，這可算是原始的銑床了，但那時社會對此沒有做出熱情的反響。在十九世紀四十年代，普拉特設計了所謂林肯銑床。當然，真正確立銑床在機器製造中地位的，要算美國人惠特尼了。

3.1 第一台普通銑床（惠特尼，1818年）1818年，惠特尼製造了世界上第一台普通銑床，但是，銑床的專利卻是英國的博德默（帶有送刀裝置的龍門刨床的發明者）於1839年捷足先“得”的。由於銑床造價太高，所以當時問津者不多。

　　3.2 第一台萬能銑床（布朗，1862年）銑床沉默一段時間後，又在美國活躍起來。相比之下，惠特尼和普拉特還只能說是為銑床的發明應用做了奠基性的工作，真正發明能適用於工廠各種操作的銑床的功績應該歸屬美國工程師約瑟夫·布朗。

1862年，美國的布朗製造出了世界上最早的萬能銑床，這種銑床在備有萬有分度盤和綜合銑刀方面是劃時代的創舉。萬能銑床的工作台能在水平方向旋轉一定的角度，並帶有立銑頭等附件。他設計的“萬能銑床”在1867年巴黎博覽會上展出時，獲得了極大的成功。同時，布朗還設計了一種經過研磨也不會變形的成形銑刀，接著還製造了磨銑刀的研磨機，使銑床達到了現在這樣的水平。
4、 刨床

在發明過程中，許多事情往往是相輔相承、環環相扣的：為了製造蒸汽機，需要鏜床相助；蒸汽機發明發後，從工藝要求上又開始呼喚龍門刨床了。可以說，正是蒸汽機的發明，導致了“工作母機”從鏜床、車床向龍門刨床的設計發展。其實，刨床就是一種刨金屬的“刨子”。

4.1 加工大平面的龍門刨床（1839年）由於蒸汽機閥座的平面加工需要，從19世紀初開始，很多技術人員開始了這方面的研究，其中有理查德·羅伯特、理查德· 普拉特、詹姆斯·福克斯以及約瑟夫·克萊門特等，他們從1814年開始，在25年的時間內各自獨立地製造出了龍門刨床。這種龍門刨床是把加工物件固定在往返平台上，刨刀切削加工物的一面。但是，這種刨床還沒有送刀裝置，正處在從“工具”向“機械”的轉化過程之中。到了1839年，英國一個名叫博德默的人終於設計出了具有送刀裝置的龍門刨床。

　　4.2 加工小平面的牛頭刨床另一位英國人內史密斯從1831年起的40年內發明製造了加工小平面的牛頭刨床，它可以把加工物體固定在床身上，而刀具作往返運動。

此後，由於工具的改進、電動機的出現，龍門刨床一方面朝高速切割、高精度方向發展，另一方面朝大型化方向發展。
5、 磨床

磨削是人類自古以來就知道的一種古老技術，舊石器時代，磨製石器用的就是這種技術。以後，隨著金屬器具的使用，促進了研磨技術的發展。但是，設計出名副其實的磨削機械還是近代的事情，即使在19世紀初期，人們依然是通過旋轉天然磨石，讓它接觸加工物體進行磨削加工的。

5.1 第一台磨床（1864年）1864年，美國製成了世界上第一台磨床，這是在車床的溜板刀架上裝上砂輪，並且使它具有自動傳送的一種裝置。過了12年以後，美國的布朗發明了接近現代磨床的萬能磨床。

5.2 人造磨石——砂輪的誕生（1892年）人造磨石的需求也隨之興起。如何研製出比天然磨石更耐磨的磨石呢？ 1892年，美國人艾奇遜試製成功了用焦炭和砂製成的碳化矽，這是一種現稱為C磨料的人造磨石；兩年以後，以氧化鋁為主要成份的A磨料又試制成功，這樣，磨床便得到了更廣泛的應用。

以後，由於軸承、導軌部分的進一步改進，磨床的精度越來越高，並且向專業化方向發展，出現了內圓磨床、平面磨床、滾磨床、齒輪磨床、萬能磨床等等。
6、 鑽床

6.1 古代鑽床——“弓轆轤”鑽孔技術有著久遠的歷史。考古學家現已發現，公元前4000年，人類就發明了打孔用的裝置。古人在兩根立柱上架個橫梁，再從橫樑上向下懸掛一個能夠旋轉的錐子，然後用弓弦纏繞帶動錐子旋轉，這樣就能在木頭石塊上打孔了。不久，人們還設計出了稱為“轆轤”的打孔用具，它也是利用有彈性的弓弦，使得錐子旋轉。

6.2 第一台鑽床（惠特沃斯，1862年）到了1850年前後，德國人馬蒂格諾尼最早製成了用於金屬打孔的麻花鑽；1862年在英國倫敦召開的國際博覽會上，英國人惠特沃斯展出了由動力驅動的鑄鐵櫃架的鑽床，這便成了近代鑽床的雛形。

　　以後，各種鑽床接連出現，有搖臂鑽床、備有自動進刀機構的鑽床、能一次同時打多個孔的多軸鑽床等。由於工具材料和鑽頭的改進，加上採用了電動機，大型的高性能的鑽床終於製造出來了。

（二） 機床的技術經濟指標　　

用來製造機器零件的設備通稱為金屬切削機床，簡稱機床。

機床本身質量的優劣，直接影響所造機器的質量。衡量一台機床的質量是多方面的，但主要是要求工藝性好，系列化、通用化、標準化程度高，結構簡單，重量輕，工作可靠，生產率高等。具體指標如下：
1. 工藝的可能性

　　

工藝的可能性是指機床適應不同生產要求的能力。通用機床可以完成一定尺寸範圍內各種零件多工序加工，工藝的可能性較寬，因而結構相對複雜，適應於單件小批生產。專用機床只能完成一個或幾個零件的特定工序，其工藝的可能性較窄，適用於大批量生產，可以提高生產率，保證加工質量，簡化機床結構，降低機床成本。
2. 加工精度和表面粗糙度

要保證被加工零件的精度和表面粗糙度，機床本身必須具備一定的幾何精度、運動精度、傳動精度和動態精度。

（1）幾何精度、運動精度、傳動精度屬於靜態精度

幾何精度是指機床在不運轉時部件間相互位置精度和主要零件的形狀精度、位置精度。機床的幾何精度對加工精度有重要的影響，因此是評定機床精度的主要指標。

運動精度是指機床在以工作速度運轉時主要零部件的幾何位置精度，幾何位置的變化量越大，運動精度越低。

傳動精度是指機床傳動鏈各末端執行件之間運動的協調性和均勻性。

（2）以上三種精度指標都是在空載條件下檢測的，為全面反映機床的性能，必須要求機床有一定的動態精度和溫升作用下主要零部件的形狀、位置精度。影響動態精度的主要因素有機床的剛度、抗振性和熱變形等。

機床的剛度指機床在外力作用下抵抗變形的能力，機床的剛度越大，動態精度越高。機床的剛度包括機床構件本身的剛度和構件之間的接觸剛度。機床構件本身的剛度主要取決於構件本身的材料性質、截面形狀、大小等。構件之間的接觸剛度不僅與接觸材料、接觸面的幾何尺寸和硬度有關，而且還與接觸面的表面粗糙度、幾何精度、加工方法、接觸面介質、預壓力等因素有關。

機床上出現的振動，可分為受迫振動和自激振動。自激振動是在不受任何外力、激振力干擾的情況下，由切削過程內部產生的持續振動。在激振力的持續作用下，系統被迫引起的振動為受迫振動。

機床的抗震性和機床的剛度、阻尼特性、固有頻率有關。由於機床的各個零部件熱膨脹係數不同，因而造成了機床各部分不同的變形和相對位移，這種現象叫機床的熱變形。由於熱變形而產生的誤差最大可佔全部誤差的70%。

對於機床的動態精度，目前尚無統一標準，主要通過切削加工典型零件所達到的精度間接的對機床動態精度作出綜合的評價。
（三） 機床的分類

金屬切削機床可按不同的分類方法劃分為多種類型。

按加工方式或加工對象可分為車床、鑽床、鏜床、磨床、齒輪加工機床、螺紋加工機床、花鍵加工機床、銑床、刨床、插床、拉床、特種加工機床、鋸床和刻線機等。每類中又按其結構或加工對象分為若干組，每組中又分為若干型。

按工件大小和機床重量可分為儀表機床、中小型機床、大型機床、重型機床和超重型機床。

按加工精度可分為普通精度機床、精密機床和高精度機床。

按自動化程度可分為手動操作機床、半自動機床和自動機床。

按機床的自動控制方式，可分為仿形機床、程序控制機床、數字控制機床、適應控制機床、加工中心和柔性製造系統。

按機床的適用範圍，又可分為通用、專門化和專用機床。

專用機床中有一種以標準的通用部件為基礎，配以少量按工件特定形狀或加工工藝設計的專用部件組成的自動或半自動機床，稱為組合機床。

對一種或幾種零件的加工，按工序先後安排一系列機床，並配以自動上下料裝置和機床與機床間的工件自動傳遞裝置，這樣組成的一列機床群稱為切削加工自動生產線。

柔性製造系統是由一組數字控制機床和其他自動化工藝裝備組成的，用電子計算機控制，可自動地加工有不同工序的工件，能適應多品種生產。
（四）機床的組成　　

各類機床通常由下列基本部分組成：支承部件，用於安裝和支承其他部件和工件，承受其重量和切削力，如床身和立柱等；變速機構，用於改變主運動的速度；進給機構，用於改變進給量；主軸箱用以安裝機床主軸；刀架、刀庫；控制和操縱系統；潤滑系統；冷卻系統。

機床附屬裝置包括機床上下料裝置、機械手、工業機器人等機床附加裝置，以及卡盤、吸盤彈簧夾頭、虎鉗、迴轉工作台和分度頭等機床附件。

（五） 機床的型號編制　　

GB/T15375-94和GB/T15375-2008兩種命名標準要進行對比學習，不要混淆

1. GB/T15375-94《金屬切削機床型號編制方法》

主要掌握（1）機床類別的代號（2）機床特性代號（3）機床主參數的代號（4）機床型號的順序。

　　對書上的例題要重點掌握。

2. GB/T15375-2008《金屬切削機床型號編制方法》

主要掌握（1）機床類別的代號（2）機床通用特性代號（3）機床的組、系代號和主參數的表示方法。