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机床

2018-07-26 10:35:14     所属分类:电子工程

机床英语:Machine Tool)是指动力制造的机械装置,通常用于精密切削金属,以生产其他机器或加工的金属零件。

为了加工工件,机床在工件和刀具英语Cutting tool (machining)之间产生相对运动。这个运动又可分为主运动和进给运动。这两个运动重叠在一起,才使得原材料加工成为可能。原本在工业革命发展早期还在用人工加工零件,机床的发明使得机器能制造机器,工厂大爆发的时代也跟着降临。但现在技术进步下,机床的品类也包含有3D打印机,这种机器采用直接打印成形的方法了,但理论基础于前述的切削工法相反而是用堆合的方式制造出零件。不过,本篇主要介绍采用切削工法的机床。

机床一般可用作其他工具的成型,切削和连接。

目录

  • 1 定义
  • 2 历史
    • 2.1 工业革命时代
  • 3 机床的基本组件
    • 3.1 驱动装置
  • 4 分类
    • 4.1 根据用途分类
    • 4.2 根据组成单元的构造分类
    • 4.3 根据自动化程度分类
      • 4.3.1 传统金属切削机
      • 4.3.2 电脑数值控制(CNC)工作母机
      • 4.3.3 CNC之优缺点
  • 5 操作
    • 5.1 工件夹持法
    • 5.2 机床安全
  • 6 应用技术
  • 7 相关条目
  • 8 参考资料

定义

在机械工程学之特别部门,有别于其他机械可说是制造机械的机械。

广义-机床为将固体材料,经由一动力源推动,以物理的、化学的或其他方法作成形加工的机械。
狭义-是指加工材料以金属工件为主的机床。加工方式则以切削或轮磨等机型方式将工件制成所需的形状、尺寸及表面精度,按造其功用可分为切削型、成形型、及使用高级技术三类。

历史

工业革命时代

机床是生产蒸汽机的基石;因此,为了制造更强而有力的蒸汽机,带动了新兴工厂致力于各式各样机床的发展。1712年,汤玛斯·纽科门发明了大气活塞蒸气机(又称为纽科门蒸气引擎)。1765年,詹姆斯·瓦特提出新型蒸汽机的构想,将冷凝器与气缸分离开来,使得气缸温度可以持续维持在注入的蒸汽的温度,可改良纽科门蒸气机效率低的问题。然而对于新型蒸汽机中直径一米、长度二米的大型汽缸,由于当时的机床技术最好仅能做到二公分的公差,无法克服活塞与大型气缸的组装密合问题,新型蒸汽机发展遭遇了瓶颈。1775年,约翰·威尔金森发展出卧式钻床,将加工公差推进至数毫米,成功解决瓦特蒸汽机的关键技术困难。于是1776年,瓦特成功制造出第一批效率更高的新型蒸汽机,并应用于实际生产。

机床的基本组件

图中显示车床的头座。

机床的基本组件包括以下组件:支承机构、驱动装置、进给机构、导向机构、控制和操纵系统、润滑系统、冷却系统、安全装置等。

  • 头座:可提供驱动与进给刀具或是旋转工件的动力。内含主轴、变速齿轮系统等。
  • 机柱:提供垂直的支撑。某些机器的机柱也提供头座上下移动的能力。
  • 工作台:支持固定加工中的工件。某些机器如锯床,其工作台也提供进给工件的能力。
  • 鞍座、床台(基座)、滑道等:支撑其他组件,有时提供进给自由度。

驱动装置

机床的动力可由电动机提供。电动机可分为直流马达与交流马达。传统上直流马达有功率输出大,加减速反应灵敏顺畅、温度低等优点。但直流马达具有电刷等易损坏零件。整流时产生之火花可能导致火灾,最高速率因此受限。易损坏零件也提高故障率。

交流马达不需电刷。加上近年来功率、加减速反应 [1]

目前最先进的技术是直线电机直接驱动机床的直线轴转电机经丝杠或者齿轮齿条等传动机构间接驱动。

分类

根据用途分类

随着用途的不同,机床又分为车床、铣床、磨床、钻床等等。

根据组成单元的构造分类

因机床组成单元的构造不同可分为台式、落地式、龙门式、多机头式等四种。[2]

根据自动化程度分类

机床根据电脑化程度可分为传统金属切削机(完全手工控制),数值控制NC(未加数控器,但有自动化控制)与电脑数值控制CNC(完全电脑控制)机床。

传统金属切削机

机床用于精密切削金属以生产其他机器的金属零件。其架构必需有足够的刚性,适当的形状,易于操作,易于除去金属碎屑,够安全,够稳定,够准确与够精确。[2]

图中显示一个金属加工普通车床。

在机床上待加工的金属称为“工件”,用来切削工件的工具称为刀具。机床提供动力造成工件与刀具的相对运动,并且精确控制此相对运动,去除工件上不要的部分。某些机器如车床是转动工件,进给刀具。也有机器如镗床,转动刀具,进给工作台以移动工件。

传统机床
机器 切削运动 进给运动 加工表面
车床(卧式) 工件旋转(周向) 刀架(轴向 / 横向、径向 / 纵向) 外圆面(车圆柱、车螺纹 / 套扣、滚花、抛光、成型车削)、内圆面(孔加工,包括钻 / 镗 / 铰 / 扩孔、攻丝等)
镗床(卧式) 刀具旋转 工作台平移、刀具伸缩 内圆面(钻 / 镗 / 铰孔,多在大型、非旋转体工件上使用,例如活塞发动机的汽缸)
龙门铇床 工作台往复运动 刀具 平面,大工件
牛头铇床 刀具往复运动 工作台 平面,小工件
铣床(卧式、立式) 刀具旋转 工作台 平面、齿轮、突轮、孔加工、靠模(常见配钥匙的微型铣床)
龙门铣床 工作台往复运动 + 铣刀旋转 铣头平移 平面
外圆磨床 砂轮旋转 工作台 磨平面
钻床(台钻、立钻、摇臂钻) 刀具旋转 刀具伸缩、移动(仅摇臂钻) 孔加工
锯床 刀具 刀具、工件 (切断)
拉床 刀具 (唯一没有进给运动的机床,一次成型) 内外表面

[2]

电脑数值控制(CNC)工作母机

一台有铣床功能的日本自制CNC车床。

工作母机不但可由人工直接操作,也可加入自动控制。

数值控制(Numerical control,NC)机床以及更先进的电脑数值控制(computer numerical control,CNC)机床已成为工业中及重要的部分。

CNC之优缺点

与传统机床、大量生产专用机相比,CNC机床较适合少量或中量高品质精密零件生产,也较能适应多样不同产品的生产。

功能的优点:

  • 高精确度。高品质。
  • 资料易储存修改。如果程式设计良好,可以通用于不同时间地点的机床,生产相同的产品。不需重新设计。
  • 可自动换刀、送料等,自动程度更高。
  • “适应控制”维持机床于最佳生产条件。
  • 较长的刀具寿命。

生产制造之优点:

  • 增加工作时间提高机器使用率(下班无人看管仍可工作)
  • 高效率、高品质、高良率。在成品外形复杂精细时尤其明显。
  • 减少夹具、治具。因此减少前置成本与准备时间。
  • 加工多样化。在少量多样的生产模式下可减少单位成本。

人事管理上的优点:

  • 减少劳力人事成本。一操作员可同时操作数台机器。
  • 加工时间、单位成本易控制掌握,因此可有效掌握生产计划,并且能减少呆料。
  • 操作简便。一旦程式设计完成,操作就减少对高技术操作人员依赖。
  • 免除操作者误差,提高良率。

缺点:

  • CNC机床初期购置成本高。
  • 程式人员须有加工、操作等知识。
  • 设备精密复杂,维护与保养成本高。
  • 依赖程序员、机械维修专业人员。此类人员训练较一般技术员困难。

[1]>[3]

操作

工件夹持法

待加工的工件可用许多方法夹持。

  • 以两领针支持工件:以机器头座与尾座各一顶针夹住工件。适合用于夹持长形工件进行旋转,能承受较大的切削力量。
  • 心轴:以头座伸出的心轴,穿过圆柱形工件轴心已有的洞。
  • 面板:以夹具将工件固定在机床的一面板上。适用于平板、不规则形的工件。
  • 夹头:以类似爪子的组件抓住工件。

[2]

机床安全

除了操作员安全训练之外,机床上也有数种设计维护安全,例如在机床外装置防护闸门防止异物伸入;装置光电侦测器以在异物伸入时发动紧急停止;将控制装置设定为双手按钮等等。 [2]

应用技术

请参考光机电一体化技术与自动控制

相关条目

  • 车床数控机床

参考资料

  1. ^ 1.0 1.1 陈进郎。《数控机床》。北市:全华。四版一刷。2004年11月。
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 Amstead, Ostwald, Begeman著,罗仕鹏,黄纯权,陈再万编译,《机械加工法》(Manufacturing Processes,八版四刷)。台北:高立图书。1995年4月。ISBN 957584159X。第十五章机床的基本元件
  3. ^ 巫维标。《数控机床》。台北县:新文京开发出版。2001年。

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