任务2.1 认知车削加工方法
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2.1.1 认知车床
金属切削机床（简称机床）是用切削的方法将金属毛坯加工成零件的机器，是制造机器的机器，又称为“工作母机”，习惯上称为机床。
车床类机床主要用于加工各种回转表面，如内外圆柱表面、内外圆锥表面、成形回转面和回转体端面等，有些车床还能加工螺纹面。由于大多数机器零件都具有回转表面，因此车床的应用极为广泛，在金属切削机床中所占的比重最大，占机床总数的20％～35％。
金属切削机床的品种和规格繁多，按其用途、结构可分为：卧式车床、立式车床、数控车床、仪表车床、单轴与半自动车床、落地车床等。
1.卧式车床
车床中，卧式车床的应用最为广泛，加工工艺范围广，CA6140是最常见的卧式车床之一。
（1）CA6140车床的主要技术参数
床身上最大工件回转直径：400mm；
刀架上最大工件回转直径：210mm；
最大棒料直径：47mm；
最大工件长度：750mm、1000mm、1500mm、2000mm；
最大加工长度：650mm、900mm、1400mm、1900mm；
主轴转速范围：正转10～1400r/min（24级），反转14～1580r/min（12级）；
进给量范围：纵向0.028～6.33mm/r（64级），横向0.014～3.16mm/r（64级）。
（2）CA6140车床的组成及各部分作用
图2-1-1为卧式车床外形图，其主要部件有：主轴箱、刀架部件、尾座、床身、溜板箱、进给箱等。
图2-1-1 卧式车床外形图
1—主轴箱；2—刀架和拖板；3—尾座；4—床身；5—右床腿；6—溜板箱；7—左床腿；8—进给箱
①主轴箱。它安装在床身的左上端，内装主传动系统和主轴部件。
②刀架和拖板。拖板安装在床身的导轨上，在溜板箱的带动下沿导轨作纵向运动。刀架安装在拖板上，可与拖板一起作纵向运动，也可经溜板箱的传动在拖板上作横向运动。刀架上安装刀具。
③尾座。它安装在床身的右端尾座导轨上，可沿导轨纵向移动调整位置。可用于支承长工件和安装钻头等刀具进行孔加工。
④床身。床身是卧式车床的基础部件，它用作车床的其他部件的安装基础，保证其他部件相互之间的正确位置和正确的相对运动轨迹。
⑤溜板箱。它安装在床身的前侧拖板的下方，与拖板相连。其作用是实现纵、横向进给运动的变换，带动拖板、刀架实现进给运动。
⑥进给箱。它安装在床身的左下方前侧，进给箱内有进给运动传动系统，用以控制光杠及丝杠的进给运动变换和不同进给量的变换。
（3）加工精度
精车外圆的圆柱度是0.01/100mm；精车外圆的圆度是0.01mm；精车端面的平面度是0.02/300mm；精车螺纹的螺距精度是0.04/100mm；精车表面的粗糙度Ra值为1.25～2.5μm。
2.立式车床
立式车床适合加工直径较大而轴向尺寸相对较小（高度与直径之比H/D=0.32～0.8）且形状较复杂的大型和重型零件，如各种机架、壳体类零件等。
可以进行内外圆柱面、圆锥面、端面、沟槽、切断及钻、扩、镗和铰孔等加工，借助于附件装置还可进行车螺纹、车端面、仿形、铣削和磨削等。
立式车床在结构布局上的主要特点是主轴垂直布置，并有一个直径很大的圆形工作台，用以安装工件，工作台台面处于水平位置，使笨重工件的装夹和校正方便。
立式车床通常用于单件小批生产，一般加工精度为IT8级，精密型可达IT7级工作精度；圆度为0.01～0.03mm，圆柱度为0.01/300mm，平面度为0.02～0.04mm。
它是汽轮机、水轮机、重型电动机、矿山冶金等重型机械制造不可缺少的设备。
立式车床分单柱式和双柱式两种。单柱式立式车床，加工直径较小，最大加工直径一般小于1600mm。双柱式立式车床，如图2-1-2所示，加工直径较大，最大的立式车床其加工直径超过2500mm。
3.数控车床
数控车床（见图2-1-3）与普通车床一样，可用来加工旋转面零件，一般能够自动完成外圆柱面、圆锥面、球面以及螺纹的加工，还能加工一些复杂的回转面。工件安装方式与普通车床基本相同，为了提高加工效率，数控车床多采用液压、气动和电动卡盘。
图2-1-2 C5225型双柱立式车床
图2-1-3 数控车床
数控车床的外形与普通车床相似，即由床身、主轴箱、刀架、进给系统、液压系统、冷却和润滑系统等部分组成。数控车床的进给系统与普通车床有质的区别，传统普通车床有进给箱和交换齿轮架，而数控车床是直接用伺服电动机通过滚珠丝杠驱动溜板和刀架实现进给运动，因而进给系统的结构大为简化。
数控车床品种繁多，规格不一，不同类型的数控车床，加工的工艺范围也不同。
（1）按照结构分类
①立式数控车床。其车床主轴垂直于水平面，有一个直径很大的圆形工作台，用来装夹工件。这类机床主要用于加工径向尺寸大，轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。
②卧式数控车床。此类车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导轨卧式车床。其倾斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性，并易于排除切屑。
③卡盘式数控车床。这类车床没有尾座，适合车削盘类（含短轴类）零件。夹紧方式多为电动或液动控制，卡盘结构多具有可调卡爪或不淬火卡爪（软卡爪）。
④顶尖式数控车床。这类车床配有普通尾座或数控尾座，适合车削较长的零件及直径不太大的盘类零件。
（2）按照功能分类
①经济型数控车床。它是采用步进电动机和单片机对普通车床的进给系统进行改造后形成的简易型数控车床，成本较低，但自动化程度和功能都比较差，车削加工精度也不高，适用于要求不高的回转类零件的车削加工。
②普通数控车床。它是根据车削加工要求在结构上进行专门设计并配备通用数控系统而形成的数控车床，数控系统功能强，自动化程度和加工精度也比较高，适用于一般回转类零件的车削加工。这种数控车床可同时控制两个坐标轴，即X轴和Z轴。
③车削加工中心。它在普通数控车床的基础上，增加了C轴和动力头，更高级的数控车床带有刀库，可控制X轴、Z轴和C轴三个坐标轴，联动控制轴可以是（X、Z）（X、C）或（Z、C）。由于增加了C轴和铣削动力头，这种数控车床的加工功能大大增强，除可以进行一般车削外，还可以进行径向和轴向铣削，曲面铣削，中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等加工。
图2-1-4所示的CKX5680数控七轴五联动车铣加工中心，由武汉重型机床厂生产，是863计划项目之一，解决了我国大型军舰螺旋桨加工的精度问题，是我国数控加工技术中的又一大突破。
4.落地车床（见图2-1-5）
图2-1-4 CKX5680数控七轴五联动车铣加工中心
图2-1-5 落地车床
落地车床又叫大头车床，落地车床主要用于车削直径较大的重型机械零件，如轮胎模具、大直径法兰管板、汽轮机配件、封头等，广泛应用于石油化工、重型机械、汽车制造、矿山铁路设备及航空部件的加工制造。
适用于单件、小批量生产。结构特点：无床身、尾架、丝杠。
2.1.2 认知车刀
刀具是机床加工中最活跃的因素之一，被称为工业牙齿，直接影响加工效率、加工精度、产品质量、生产成本等，刀具种类繁多，分类如下。
1.按照用途分类
车刀按用途可分为外圆车刀、内孔车刀、端面车刀、切断车刀、螺纹车刀等，如图2-1-6所示。
图2-1-6 常用车刀
2.按照结构分类
（1）整体式高速钢车刀
整体车刀主要是高速钢车刀，俗称“白钢刀”，如图2-1-7所示，使用时可根据不同用途进行修磨。这种车刀刃磨方便，可以根据需要刃磨成不同用途的车刀，尤其适于刃磨各种成形车刀，如切槽刀、螺纹车刀等。刀具磨损后可以多次重磨。但由于刀杆材料也为高速钢，而造成刀具材料的浪费。刀杆强度低，当切削力较大时，会造成破坏。高速钢车刀一般用于较复杂成形表面的低速精车。
（2）硬质合金焊接式车刀
图2-1-7 整体式高速钢车刀
焊接车刀是在普通碳钢刀杆上镶焊（钎焊）硬质合金刀片，经过刃磨而成（见图2-1-8），其优点是结构简单，制造方便，并且可以根据需要进行刃磨，对硬质合金的利用也较充分。在一般的中小批量生产和修配生产中应用较多。但其切削性能受工人的刃磨技术水平影响和焊接质量的影响，不适应现代制造技术发展的要求，且刀片不能重复使用，材料浪费。
（3）机夹可转位车刀
机夹可转位车刀又称机夹不重磨车刀（见图2-1-9），将可转位刀片用机械夹固的方法安装在刀杆上。它与机夹重磨车刀的不同点在于刀片为多边形，每一边都可作为切削刃，用钝后只需将刀片转位，使新的切削刃投入工作，当每个切削刃都用钝后，再更换新刀片。可转位车刀除具备机夹重磨车刀的优点外，其最大优点在于几何参数完全由刀片和刀槽保证，不受工人技术水平的影响，因此切削性能稳定，适合现代化生产的要求。
硬质合金可转位车刀形状很多，常用的有三角形、各种凸三角形、正方形、五角形和圆形等，如图2-1-10所示。刀片大多不带后角，但在每个切削刃上做有断屑槽并形成刀片的前角。刀具的实际角度由刀片和刀槽的角度组合确定。
图2-1-8 焊接车刀
图2-1-9 机夹不重磨车刀
图2-1-10 硬质合金可转位刀片的常用形状
可转位车刀多利用刀片上的孔对刀片进行夹固，典型的夹固结构有：
①偏心式夹固结构。如图2-1-11所示，它以偏心销2作为转轴，螺钉上端为偏心圆柱销，偏心量为e。当转动螺钉时，偏心销就可以夹紧或松开刀片。
②杠杆式夹固结构。图2-1-12（a）所示为直杆式结构，图2-1-12（b）所示为曲杆式结构，利用螺钉带动杠杆转动而将刀片夹固在定位侧面上。
图2-1-11 偏心式夹固结构
1—刀杆；2—偏心销；3—刀垫；4—刀片
图2-1-12 杠杆式夹固结构
1—刀杆；2—螺钉；3—杠杆；4—弹簧套；5—刀垫；6—刀片
③上压式夹固结构如图2-1-13所示，这种螺钉压板结构尺寸小，不需要多大的压紧力，夹固元件的位置易避开切屑流出方向。一般用于夹固不带孔的刀片。
（4）成形车刀
成形车刀（见图2-1-14），是加工回转体成形表面的专用刀具，它的切削刃形状是根据工件的廓形设计的。成形车刀操作简单，生产率高，成形表面的精度主要取决于刀具切削刃的制造精度，与工人熟练程度无关，因此它可以保证被加工工件表面形状和尺寸精度的一致性和互换性，加工精度可达IT9～IT10，表面粗糙度Ra3.2～6.3μm。成形车刀只需刃磨前刀面，而前刀面是一平面，所以刃磨简单。成形车刀的可重磨次数多，使用寿命较长，但是刀具的设计和制造较复杂，成本较高，故主要用在小型零件的大批量生产中。
图2-1-13 上压式夹固结构
1—刀杆；2、6—螺钉；3—刀垫；4—刀片；5—压板
图2-1-14 平体成形车刀
2.1.3 分析车削加工工艺特性
分析机床运动的目的在于利用简便的方法认识一台陌生的机床，掌握机床的运动规律，分析各种机床的传动系统，从而能够合理地使用机床。对认知与掌握被加工工件表面成形运动具有直接指导作用。
1.车削加工工艺范围
在切削加工过程中，安装在机床上的刀具和工件按一定的规律作相对运动，通过刀具的刀刃对工件毛坯的切削作用，把毛坯上多余的金属切除掉，从而得到所要求的表面。尽管被加工零件的形状各异，但其常用的组成表面无非是平面、圆柱面、圆锥面、球面、圆环面、螺旋面、成形表面等基本表面元素，如图2-1-15所示。
2.车床常见工艺装备及其应用
车床工艺装备是车削加工重要内容之一，它可以扩大车床的使用范围，常见工艺装备如下：
（1）中心钻
中心钻如图2-1-16所示，用于加工中心孔。中心孔在轴类工件的端面，用中心钻钻出，起到给工件定位的作用。这个中心孔非常重要，它是工件定位的标准和精度的保证，一般常用的是A型60°的中心孔钻。
（2）三爪自定心卡盘
如图2-1-17所示，当定位精度较高时，可以使用软爪卡盘。
图2-1-15 车床的加工工艺范围
图2-1-16 中心钻
图2-1-17 三爪自定心卡盘
（3）四爪单动卡盘
如图2-1-18所示，四爪单动卡盘常用于单件小批量方形零件的孔加工，四爪单动卡盘在使用中，调整时间较长。
（4）反爪
反爪如图2-1-19所示，反爪用于直径较大的盘类零件加工，使用反爪时要注意离心力的作用，机床主轴转速不要太高，相对于正爪卡盘而言，其夹紧力较小，在使用中，应注意工件飞出。
图2-1-18 四爪单动卡盘
图2-1-19 反爪
（5）花盘
图2-1-20所示花盘是安装在车床主轴上的一个大圆盘，盘面上的许多长槽用以穿放螺栓，工件可用螺栓直接安装在花盘上，如图2-1-21所示。也可以把辅助支承角铁（弯板）用螺钉牢固夹持在花盘上，工件则安装在弯板上。为了防止转动时因重心偏向一边而产生振动，在工件的另一边要加平衡铁。工件在花盘上的位置需经仔细找正。
图2-1-20 花盘
图2-1-21 花盘装夹
（6）中心架
中心架是车削细长工件时，起到支撑和过渡作用的附件，一般为原厂车床可选附件，如图2-1-22所示。
（7）跟刀架
跟刀架在车削工件时顶在车刀后面，起到加强工件强度的作用，防止工件被车刀顶变形，常用于车削细长工件，同样为原厂车床可选附件，如图2-1-23所示。
（8）顶尖
车削轴类工件时起到定位和支撑工件的作用，分为回转顶尖（见图2-1-24）和死顶尖（见图2-1-25）两种，回转顶尖就是顶尖的尖可以随着工件的转动而转动，减小了工件与中心孔的摩擦，其定位精度不高，死顶尖不随工件旋转，其定位精度较高，可以用于精车和磨削加工中工件的支撑定位。死顶尖在使用中由于不能旋转，磨损较高，在运行时要使用润滑脂，并且要经常修正，以保持其精度。
图2-1-22 中心架
图2-1-23 跟刀架
图2-1-24 回转顶尖
图2-1-25 死顶尖
（9）尾座夹头
在尾座上使用的夹头，可用于夹持钻头和丝锥等，常用的有快速夹头（见图2-1-26）和普通钻夹头（见图2-1-27）等。快速夹头装夹快捷，使用方便，不需要其他辅助扳手，直接用手拧紧，而且夹持紧固，可以装夹钻头和丝锥等。
图2-1-26 快速夹头
图2-1-27 钻夹头
任务练习
1.选择题
（1）CM6140车床中的M表示（ ）。
A.磨床 B.精密 C.机床类型的代号
（2）切削液中的乳化液，主要起（ ）作用。
A.冷却 B.润滑 C.减少摩擦
（3）C6140A车床表示床身上最大工件回转直径为（ ）mm的卧式车床。
A.140 B.400 C.200
（4）加工铸铁等脆性材料时，应选用（ ）类硬质合金。
A.钨钛钴 B.钨钴 C.钨钛
（5）粗车HT150时，应选用牌号为（ ）的硬质合金刀具。
A.YT15 B.YG3 C.YG8
（6）车刀刀尖高于工件轴线，车外圆时工件会产生（ ）。
A.加工表面母线不直 B.产生圆度误差
C.加工表面粗糙度值大
（7）为了增加刀头强度，断续粗车时采用（ ）值的刃倾角。
A.正 B.零 C.负
（8）同轴度要求较高，工序较多的长轴用（ ）装夹较合适。
A.四爪单动卡盘 B.三爪自定心卡盘 C.两顶尖
（9）用一夹一顶装夹工件时，若后顶尖轴线不在车床主轴轴线上，会产生（ ）。
A.振动 B.锥度 C.表面粗糙度达不到要求
（10）由外圆向中心处横向进给车端面时，切削速度是（ ）。
A.不变 B.由高到低 C.由低到高
（11）台阶的长度尺寸不可以用（ ）来测量。
A.钢直尺 B.三用游标卡尺
C.千分尺 D.深度游标卡尺
（12）对高精度的轴类工件一般是以（ ）定位车削的。
A.外圆 B.中心孔 C.外圆与端面
（13）中心孔在各工序中（ ）。
A.能重复使用，其定位精度不变
B.不能重复使用
C.能重复使用，但其定位精度发生变化
（14）切削用量中（ ）对刀具磨损影响最大。
A.切削速度 B.背吃刀量 C.进给量
（15）粗车时为了提高生产率，选用切削用量时，应首先取较大的（ ）。
A.切削速度 B.背吃刀量 C.进给量
（16）用硬质合金车刀精车时，为减小工件表面粗糙度值，应尽量提高（ ）。
A.切削速度 B.进给量 C.背吃刀量
（17）用高速钢刀具车削时，应降低（ ），保持车刀的锋利，减少表面粗糙度值。
A.切削速度 B.进给量 C.背吃刀量
（18）车削套类工件要比车削轴工件类难，主要原因有很多，其中之一是（ ）。
A.套类工件装夹时容易产生变形 B.车削位置精度高
C.其切削用量比车轴类高
（19）软卡爪是未经淬硬的卡爪。用软卡爪装夹工件时，下列说法错误的是（ ）。
A.使用软卡爪，工件虽然经过多次装夹，仍能保证较高的相互位置精度
B.定位圆柱必须放在软卡爪内
C.软卡爪的形状与硬卡爪相同
（20）车削同轴度要求较高的套类工件时，可采用（ ）。
A.台阶式心轴 B.小锥度心轴 C.软卡爪
2.判断题
（1）装夹较重较大工件时，必须在机床导轨面上垫上木块，防止工件突然坠下砸伤导轨。（ ）
（2）粗加工时，加工余量和切削用量均较大，因而会使刀具磨损加快，所以应选用以润滑为主的切削液。（ ）
（3）使用硬质合金刀具切削时，如用切削液，必须一开始就连续充分地浇注，否则，硬质合金刀片会因骤冷而产生裂纹。（ ）
（4）切削铸铁等脆性材料时，为了减少粉末状切屑，需用切削液。（ ）
（5）一般情况下，YG3用于粗加工，YG8用于精加工。（ ）
（6）YT15硬质合金车刀适用于加工塑性金属材料。（ ）
（7）如果要求切削速度保持不变，当工件直径增大时，转速应相应降低。（ ）
（8）粗加工时，余量较大，为了使切削省力，车刀应选择较大的前角。（ ）
（9）因三爪自定心卡盘有自动定心作用，故对高精度工件的位置可不必校正。（ ）
（10）用正爪装夹工件时，工件直径不能太大，卡爪伸出卡盘圆周可以超过卡爪长度的1/3。（ ）
（11）四爪单动卡盘装夹工件时，先用两个相对的卡爪夹紧，然后再用另一对相对的卡爪夹紧。（ ）
（12）在四爪单动卡盘上校正较长的外圆时，只要对工件前端外圆校正就可以。（ ）
（13）国家标准中心孔只有A型和B型两大类。（ ）
（14）钻中心孔时不宜选择较高的机床转速。（ ）
（15）中心孔钻得过深时，顶尖和中心孔不能用锥面结合，定心不准。（ ）
（16）中心孔是轴类工件的定位基准。（ ）
（17）车削短轴可直接用卡盘装夹。（ ）
（18）一夹一顶装夹，适用于工序较多、精度较高的工件。（ ）
（19）两顶尖装夹粗车工件，由于支承点是顶尖，接触面积小，不能承受较大的切削力，所以该方法不好。（ ）
（20）高速车削普通螺纹时，因工件材料受车刀挤压使螺纹大径变小，所以车削螺纹大径时应比基本尺寸大0.2～0.4mm。（ ）
3.计算题
（1）在车床上车削一毛坯直径为40mm的轴，要求一次进给车至直径为35mm，如果选用切削速度等于110m/min。求背吃刀量及主轴转速n各等于多少？
（2）将一外圆的直径从80mm一次进给车至74mm，如果选用车床主轴转速为400r/min，求切削速度为多少？