不同零件的内外轮廓都是由圆锥面、圆柱面、平面和若干成形面等一些简单的表面组成的, 其尺寸和几何外形各不相同, 另外, 对于不同类别的金属来说, 从零件表面成形的原理分析, 有很多共同点, 但其切削机床的结构和运动形式却有很大的区别。零件机械加工工艺过程的完成就是使不同的机床来对不同表面的加工进行完成, 最终得到要求的零件。
1 机床上零件表面成形的原理
1.1 复合表面成形的原理
实现导线的运动是复合运动, 并不是简单的圆周运动或直线运动, 是指由2个或2个以上的简单运动复合而成的运动。复合表面是不可逆的表面, 其导线各不相同, 所以母线沿着导线的运动规律也比较复杂。下面开始分析斜齿轮齿廓面、螺纹面和圆锥面等组成零件的常见复合表面。
1.1.1 斜齿圆柱齿轮的齿廓面
从表面成形的原理来看, 我们可以认为, 齿向螺旋线为导线A, 齿槽和轮齿切向呈垂直的平面之间的相贯线为母线B, 因为斜齿圆柱齿轮轮齿的端面是标准的渐开线齿形, 所以轮齿的切向和母线B所在的平面始终呈垂直状态, 同时母线B所在的平面沿螺旋导线A上升且与齿轮轴线保持相同距离, 该斜齿圆柱齿轮的齿廓面就是母线B扫过的表面。
1.1.2 螺纹面
和螺纹导程相同的螺旋线就是导线A, 螺纹牙型面和过螺纹轴线的平面之间的相贯线就是螺纹面的母线B。母线B的方位保持不变, 同时螺纹轴线和母线B始终处于同一平面内, 螺纹面就是指当母线B沿着螺旋线导线A做螺旋运动时, 母线B所扫过的表面。螺纹的导程 (螺距) 受螺旋导线的导程决定, 螺纹直径受轴线与V形线之间的距离决定, 螺纹的牙型决定了V形线的形状。
1.1.3 圆锥面
圆锥表面的其中一条素线是圆锥面的母线, 固定某一点A在该线上, 而另外一个确定点B围绕一个圆移动, 则圆锥面就是该素线扫过的表面。圆台的侧面可以当作是圆锥面的一部分, 圆锥的尺寸和外形要靠导线圆的直径和AB两点之间的长度共同来确定。
1.2 简单表面成形的原理
简单表面的加工方法 (即成形方法) 通常是多种的, 因为一般而言, 简单表面都是可逆表面, 其母线和导线之间可以交换, 线性简单。简单表面的导线简单的形成线、圆或直线, 母线沿着导线做平行移动。
1.3 形成表面发生线的方法
零件表面形成的导线和母线均是发生线, 形成发生线的方法共有四种, 即展成法 (或称范成法) 、相切法、成形法和轨迹法。
(1) 展成法的特征:展成法是形成渐开线的方法, 是由“展成运动”利用齿轮啮合的原理所形成的。展成法是一个复合运动需要由工件和刀具来共同完成, 也就是说需要工件和刀具按一定规律严格的做相对运动才能形成发生线 (渐开线) , 范成运动需要两个成形运动。
零件某一表面的两条发生线形成的方法可以不一样, 也可以一样。要根据所采用的具体加工方法来对某一表面的成形运动和成形原理进行具体分析, 并不是由表面本身来确定。例如, 对圆柱面利用尖头车刀进行加工时, 对成形圆弧沟槽利用成形圆弧车刀进行车削时, 是由轨迹法形成作为导线的圆, 由成形法形成和刀具圆弧刃吻合的弧线 (即母线) , 作为导线的直线和作为母线的圆都是由轨迹法形成的。以上的这些方法不是形成表面的方法, 仅仅是实现一条发生线的方法。从成形原理来看, 各种表面的母线沿导线运动的规律各不相同有的很复杂, 如斜齿轮齿廓面、螺纹面和圆锥面, 有的很简单, 如圆柱面和平面等。有些表面的导线和母线之间不能交换, 否则无法形成表面或形成希望得到的表面, 此类表面称为不可逆表面;有些表面的导线和母线之间能够交换, 此类表面称为可逆表面;由于传统形成发生线的理论不够完善, 所以本文把各种表面分为复杂表面和简单表面, 并分别归纳和定义了两类表面的发生线成形原理。
(2) 相切法的特征:相切法需要两个成形运动, 一个是沿着将要形成的发生线刀具轴线进行等距离的运动, 一个是旋转刀具的运动。刀具是多齿刀具, 为柱状或盘状, 轮流用每个刀齿进行切削, 形成一系列刀刃的轨迹线, 包络线就是和该轨迹线共同相切的线, 即将要形成的发生线。
(3) 成形法的特征:无需工件和刀具之间发生相对的成形运动就可以实现发生线, 因为将要形成的发生线和刀刃的形状是完全吻合的。
(4) 轨迹法的特征:轨迹法需要一个成形运动。将要形成的表面呈点和刀具的切削刃相互接触, 此点沿着将要形成的发生线运动, 所形成的轨迹线就是发生线。
2 加工精度和机床表面的成形原理之间的关系
通过分析以上零件表面成形的原理能够得出, 实现两条发生线的过程就是对零件表面的加工的完成过程, 发生线的形状误差会在工件的表面上直接的反映出来。所以, 最主要的决定零件表面精度的原因之一就是实现发生线的成形运动精度, 大多情况下都需要成形运动才能形成发生线 (成形法除外, 不需要成形运动, 由刀刃决定) , 提高实现发生线的精度是改进和设计机床部件的核心目标之一。把大多数机床的工件和刀具之间的相对运动分解为简单的旋转运动和直线运动, 才能简化机床结构, 运动的匀速性和圆度是旋转运动的精度体现, 运动的匀速性和直线度是直线运动的精度体现。例如, 车床上加工圆柱面, 工件的旋转精度受切削层厚度硬度的变化、主运动传动链各环节的分度机构精度以及车床主轴的角度摆动和径向跳动引起的受迫振动, 还有刀架部件和主轴的刚度等;运动传动链各环节由刀具刚度决定的分度机构精度、溜板导轨的刚度和直线度限制刀具的直线运动精度等, 工件本身的刚度和发生线的精度之间有着很大的关系。所以, 从形成工件表面的原理, 能够对提高机床加工精度的途径和方向进行探寻。
3 结语
通过对复杂表面和简单表面的定义, 从而准确的描述了斜齿圆柱齿轮齿廓面、螺纹面、圆锥面等典型的复杂表面的成形原理, 对形成复杂表面的要件进行了构建, 对于制造装备的技术研发和运动分析, 尤其是对设计自由度数控加工机床的运动方案而言, 该成形理论有着非常重要的指导意义。通过系统的划分和归纳机床上零件表面的成形原理, 尤其是进一步探究了复杂表面的成形原理, 从而对表面成形原理在机械加工中的理论进行了完善。
摘要：本文对机床上零件表面的发生线成形原理进行了叙述, 把各种表面归纳为复合表面和简单表面, 并分别描述了其成形原理。另外, 详尽的分析了斜齿圆柱齿轮齿廓面、螺纹面、圆锥面等几种组成复合表面的典型表面的成形原理。对表面精度和表面成形原理之间的关系进行了探讨, 同时也对零件表面机械加工的成形理论进行了完善。
关键词：机械加工,成形,原理分析
参考文献
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