金属切削机床设计的基本理论

　　一、机床的运动学原理
　　机床的基本工作原理：通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具切除工件加工表面多余的金属材料，形成工件加工表面的几何形状和尺寸。工件加工表面几何形状的形成取决于机床的运动功能，而几何尺寸则取决于机床的运动行程。
　　几何表面的形成原理：任何一个表面都可以看是一条曲线（或直线）沿着另一条曲线（或直线）运动的轨迹。这两条曲线（或直线）称为该表面的发生线，前者称为母线，后者称为导线。工件加工表面的发生线是通过刀具切削刃与工件接触并产生相对运动而形成的。常见的四种方法为：1）轨迹法；2）成形法；3）相切法；4）展成法（滚切法）。
　　加工表面的形成方法是母线形成方法和导线形成方法的组合。加工表面形成所需的刀具与工件之间的相对运动也是形成母线和导线所需相对运动的组合。
　　为了完成工件表面的加工，机床上需要设置各种运动，每个运动的功能是不同的。
　　1）表面成形运动（简称成形运动）
　　成形运动又分为主运动和进给运动。主运动也可称为切削运动。它是形成加工表面必不可少的成形运动。进给运动是维持切削得以继续的运动。
　　2）非成形运动
　　机床运动功能式表示机床的运动个数、形式、功能及排列顺序，是描述机床运动功能最简洁的表达形式。如铣床的运动功能式为：W/X_fY_fZ_fC_p/T。
　　在机床的运动功能式中添加上“．” 符号后，可称为机床运动分配式。如卧式升降台铣床的运动分配式为：W/X_fY_fZ_f．C_p/T。
　　机床运动原理图是表达机床运动功能式的图形，是认识、分析和设计机床传动系统设计的依据。左下图所示为立式铣床的运动原理图。

　　机床传动原理图是同时表示机床的动力源与执行件、不同执行件之间的运动及传动关系的简图。右上图所示为卧式车床的传动原理图。
　　传动原理图对采用机械式变速传动的机床是必要的。
　　二、精度
　　为保证被加工工件加工后达到所要求的精度和表面粗糙度，并能在机床长期使用中保持这种状态，机床本身必须具备的精度称为机床精度。
　　机床精度包括：1）几何精度；2）运动精度；3）传动精度；4）定位精度和重复定位精度；5）工作精度；6）精度保持性。
　　三、刚度
　　机床刚度指机床系统抵抗变形的能力。机床刚度相应地分为静刚度及动刚度。机床的静刚度是指机床在静载荷作用下抵抗变形的能力，而动刚度则是抗振性的一部分。习惯上所说的刚度一般是指静刚度。机床整机刚度是指整台机床在静载荷作用下，各构件及结合面抵抗变形的综合能力。
　　四、振动
　　机床抗振能力指机床在动态力（交变载荷）作用下抵抗振动的能力。它包括两个方面：抵抗受迫振动的能力和抵抗自激振动的能力。前者习惯上称为抗振性，后者常称为切削稳定性。机床振动会降低加工精度、工件表面质量和刀具耐用度，影响生产率并加速机床的损坏，而且会产生噪声，使操作者疲劳等。
　　五、热变形
　　机床在工作时受到内部热源和外部热源的影响，使机床的温度高于环境温度，称之为温升。由于机床各部位温升不同，不同材料的热膨胀系数不同，机床各部分的变形不同，导致机床产生热变形。它不仅会破坏机床的原始几何精度，加快运动件的磨损，甚至会影响正常运转。
　　六、噪声
　　机床工作时各种振动频率不同，振幅也不同，它们将产生不同频率和不同强度的声音。这些声音无规律地组合在一起即成噪声。随着现代机床切削速度的提高，功率的增大，自动化功能的增多，噪声污染问题也越来越严重。机床噪声源主要来自四个方面：1）机械噪声；2）液压噪声；3）电磁噪声；4）空气动力噪声。
　　七、低速运动平稳性
　　机床上的运动部件，在作低速运动（低速进给或微小位移）时产生的运动不平稳性称为爬行。机床运动部件产生爬行，将会影响机床的定位精度、工件的加工精度和表面粗糙度。
　　爬行是个很复杂的现象，它是由摩擦产生的自激振动现象。其产生的主要原因是相对滑动表面间存在着动、静摩擦因数之差，以及摩擦因数随相对滑动速度的增加而急剧下降。为防止爬行现象，在设计低速运动部件时，应减少静、动摩擦系数之差，提高传动机构的刚度和降低移动件的质量等。
　　消除爬行的措施：1）用滚动摩擦、液体摩擦代替滑动摩擦；2）采用特殊的润滑油；3）选择适当的摩擦副材料；4）缩短传动链；5）适当提高各传动件或组件的刚度。