金属切削加工基础
学习目标
1、理解车刀角度及其作用；
2、理解切削过程中的一些物理现象；
3、了解改善切削过程的途径。
4、了解常用金属切削机床的基本原理和分类的方法。
重点与难点
重点：车刀角度及其作用；改善切削过程的途径。
难点：金属切削基本理论；金属切削机床的基本原理。
一、切削刀具
本节要点：车刀标注角度、工作角度。
1. 车刀的组成
车刀由切削部分、刀柄两部分组成。切削部分承担切削加工任务，刀柄用以装夹在机床刀架上。切削部分是由一些面和切削刃组成。我们常用的外圆车刀是由一个刀尖、两条切削刃、三个刀面组成的，如图4-1所示。
图4-1车刀的组成
1）前刀面 刀具上切屑流过的表面；
2）后刀面 与工件上切削表面相对的刀面；
3）副后刀面 与已加工表面相对的刀面；
4）主切削刃S 前刀面与后刀面的交线，承担主要的切削工作；
5）副切削刃S ˊ前刀面与副后刀面的交线，承担少量的切削工作；
6）刀尖是主、副切削刃的相交点，实际上该点而是由一段折线或小圆弧组成，小圆弧的半径称为刀尖圆弧半径, 用 表示, 如图4-2所示。
图4-2刀尖形状
2. 刀具几何角度参考系
为了便于确定车刀上的几何角度，常选择某一参考系作为基准，通过测量刀面或切削刃相对于参考系坐标平面的角度值来反映它们的空间方位。
刀具几何角度参考系有两类，刀具标注角度参考系和刀具工作角度参考系。
（1）刀具标注角度参考系
1正交平面参考系 如图4-3所示, 正交平面参考系由以下三个平面组成：
○
图4-3 正交平面参考系
基面是过切削刃上某选定点，平行或垂直于刀具在制造、刃磨及测量时适合于安装或定位的一个平面或轴线，一般来说其方位要垂直于假定的主运动方向。车刀的基面都平行于它的底面。
主切削平面 是过切削刃某选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面。 正交平面 是过切削刃某选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。
过主、副切削刃某选定点都可以建立正交平面参考系。基面 、主切削平面 、正交平面 三个平面在空间相互垂直。
（2）刀具工作角度参考系
刀具工作角度参考系是刀具切削加工时的角度基准（不考虑假设条件），在此基准下定义的刀具角度称刀具工作角度。它同样有正交平面参考系、法平面参考系和假定工作平面参考系。
3. 刀具标注角度
如图4-4所示。
图4-4车刀的几何角度
（1） 在基面内测量的角度
1）主偏角 主切削刃与进给运动方向之间的夹角。
2）副偏角 副切削刃与进给运动反方向之间的夹角。
3）刀尖角 主切削刃与副切削刃之间的夹角。刀尖角的大小会影响刀具切削部分的强度和导热性能。它与主偏角和副偏角的关系如下:
（2） 在主切削刃正交平面内(O-O)测量的角度
1）前角 前刀面与基面间的夹角。当前刀面与基面平行时，前角为零。基面在前刀面以内，前角为负。基面在前刀面以外，前角为正。
2）后角 后刀面与切削平面间的夹角。
3）楔角 前刀面与后刀面间的夹角。
（3）在切削平面内(S向) 测量的角度
刃倾角 主切削刃与基面间的夹角。刃倾角正负的规定如图4-5所示。刀尖处于最高点时，刃倾角为正；刀尖处于最低点时，刃倾角为负；切削刃平行于底面时，刃倾角为零。
图4-5 刃倾角的正负规定
（4）在副切削刃正交平面内（O ´-O ´）测量的角度
副后角 副后刀面与副切削刃切削平面间的夹角。
上述的几何角度中，最常用的是前角、后角、主偏角、刃倾角、副偏角和副后角，它们反映出刀具的切削特点。
4. 刀具工作角度
切削过程中，由于刀具的安装位臵、刀具与工件间相对运动情况的变化，实际起作用的角度与标注角度有所不同，我们称这些角度为工作角度。现在仅就刀具安装位臵对角度的影响叙述如下：
（1）刀柄中心线与进给方向不垂直时对主、副偏角的影响
当车刀刀柄与进给方向不垂直时，实际工作的主偏角 和副偏角 将发生变化。如图4-6所示。
图4-6刀柄中心线不垂直进给方向对主、副偏角的影响
（2）切削刃安装高于或低于工件中心时，对前角、后角的影响
切削刃安装高于或低于工件中心时，按参考平面定义，通过切削刃作出的实际工作切削平面 、基面 将发生变化，所以使刀具实际工作前角 和后角 也随着发生变化，如图4-7所示。
图4-7切削刃安装高于工件中心时，对前角、后角的影响
金属切削原理及应用
本节要点：切削力、切削温度、刀具寿命及影响因素；提高加工质量的途径。 金属切削过程是工件上多余的金属材料不断被刀具切下成为切屑，形成已加工表面的过程。这一过程会发生一系列的物理现象(切削热、刀具磨损等) ，直接或间接影响工件的加工质量和生产率。
1. 切屑的形成和切屑种类
（1）切屑的形成过程
金属切削的特点是被切金属层在刀具的挤压、摩擦作用下产生变形后转变为切屑形成已加工表面。
如图4-8所示，为了进一步分析切削层变形的规律，通常把被切削刃作用的金属层划分为三个变形区。第I 变形区位于切削刃和前刀面的前方，面积是三个变形区中最大的，为主变形区；第II 变形区是与前刀面相接触的附近区域，切屑沿前刀面流出时，受到前刀面的挤压和摩擦，靠近前刀面的切屑底层会进一步发生变形；第III 变形区是已加工表面靠近切削刃处的区域，这一区域金属受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压、摩擦与回弹，发生变形造成加工硬化。
图4-8金属切削过程中的滑移线和流线
（2）切屑的类型
当工件材料的性能不同或切削条件不同时，会产生不同类型的切屑，并对切削加工产生不同的影响，常见的切屑种类大致有四类，如图4-9所示。
图4-9切屑类型
a) 带状切屑 b) 节状切屑 c) 粒状切屑 d)崩碎状切屑
1）带状切屑 切屑靠近前刀面的一面很光滑，另一面呈毛茸状，是带状切屑。当切削塑性较大的金属材料（碳素钢、合金钢、铜和铝合金）或刀具前角较大，切削速度较高时，经常出现这类切屑。
2）挤裂切屑（又称节状切屑） 则剪切面上的局部材料就会破裂成节状，但与前刀面接触的一面互相连接而未被折断，这就是挤裂切屑。工件材料塑性越差或用较大进给量低速切削钢材时，较容易得到这类切屑。
3）粒状切屑（又称单元切屑） 在切屑形成过程中，若整个剪切面上所受到的剪应力均超过材料的破裂强度时，则切屑就成为粒状切屑，形状似梯形。
4）崩碎切屑 切削铸铁、黄铜等脆性材料时，切削层几乎不经过塑性变形阶段就产生崩裂，得到的切屑呈现不规则的粒状，工件加工后的表面也极为粗糙。
在生产中常见的是带状切屑，当进给量增大，切削速度降低，则可由带状切屑转化为挤裂切屑。在形成挤裂切屑的情况下，如果进一步减小前角，或加大进给量降低切削速度，就可以得到粒状切屑，这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。
2. 切削力
（1）切削力的来源、合力及其分力
金属切削时，切削力来源于两个方面，一是克服在切屑形成过程中，工件材料对弹性变形和塑性变形的变形抗力，二是克服切屑与前刀面和后刀面的摩擦阻力。变形力和摩擦力形成了作用在刀具上的合力F ，常将合力F 分解为互相垂直
F F F 的c 、f 和p 三个分力，如图4-10所示。
图4-10 切削合力及其分力
切削力F c ——在主运动方向上的分力，它与加工表面相切, 并与基面垂直。
F c
F f 是计算刀具强度，设计机床零件，确定机床功率等的主要依据。 进给力F f ——在进给运动方向上的分力，它处于基面内与进给方向相反。是设计机床进给机构和确定进给功率的主要依据。
背向力F p ——在切深方向上的分力，它处于基面内并垂直于进给运动方向。
F p 是计算工艺系统刚度等的主要依据。它也是使工件在切削过程中产生振动的
力。
由图8-18可以看出进给力F f 和背向力F p 的合力F D 作用在基面上且垂直于
主切削刃。
F r 、F D 、F f 、F p 之间的关系为：
F r =F C +F D =F C +F f +F p
F f =F D sin k r 22222 F p =F D cos k r
（2）影响切削力的主要因素
工件材料
工件材料的强度、硬度越高，剪切屈服强度
加，则切削力越大。
刀具几何参数
前角γ0增大，切削变形减小，故切削力减小。主偏角对切削力F c 的影响较
F F F 小，而对进给力f 和背向力p 影响较大，由图4-11可知当主偏角增大时，f 增
F 大，p 减小。
τs 也越高，切削时产生的切削力就越大。工件材料的塑性、冲击韧度越高，切削变形越大，切屑与刀具间摩擦增
图4-11 主偏角对F f 和F p 的影响
切削用量
切削用量对切削力的影响较大，背吃刀量和进给量增加时，变形抗力和摩擦力加大，切削力随之增大，切削塑性材料时，切削速度对切削力的影响，如图4-12所示，在低速范围内，随着切削速度的增加，积屑瘤逐渐长大，刀具实际前角增大，使切削力逐渐减小。在中速范围内，积屑瘤逐渐减小并消失，使切削力逐渐增至最大。在高速阶段，由于切削温度升高，摩擦力逐渐减小，使切削力得到平稳下降。
图4-12 切削速度对切削力的影响
其它因素
刀具材料与工件材料之间的摩擦系数 会直接影响到切削力的大小。一般按立方碳化硼刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、硬质合金刀具、高速钢刀具的顺序，切削力依次增大。切削液的润滑作用愈好，切削力的降低愈明显。在较低的切削速度下，切削液的润滑作用更为突出。
3. 切削热和切削温度
切削过程中，由于切削层变形及刀具与工件、切屑之间的摩擦产生的热称为切削热。切削热产生后是通过切屑、工件、刀具以及周围介质(如空气、切削液) 传导和辐射出去的。
切削热的产生与传导影响切削区的温度，切削区的平均温度称为切削温度。切削温度过高是刀具磨损的主要因素；工件的热变形则影响工件的尺寸精度和表面质量。实际上，切削热对加工的影响是通过切削温度体现的。
切削时消耗的功越多，产生的切削热就越多，所以工件的强度、硬度越高或增加切削用量，都会使切削温度上升。但是切削用量的增加也增加了散热条件，
a v 如c 增加一倍，切削温度升高20%～30%；f 增加一倍，切削温度升高10%；p 增
加一倍，切削温度只升高3%。为了有效地控制切削温度，选用大的背吃刀量和进给量比选用大的切削速度有利。
切削热对切削加工的影响是加快刀具的磨损；导致工件的膨胀，引起工件变形，影响加工精度。浇注切削液对降低切削温度、减少刀具磨损和提高加工表面质量有明显的作用。切削液的润滑可以减小摩擦，减少切削热的产生。
4. 切削液的选择
切削液的作用
切削液进入切削区，可以改善切削条件，提高工件加工质量和切削效率。切削液的主要作用如下：
1）冷却作用 切削液能从切削区域带走大量的热，降低切削温度。
2）润滑作用 切削液能渗入到刀具与切屑和加工表面之间，形成一层润滑膜或化学吸附膜，能减小它们之间的摩擦。
3）清洗作用 切削液大量的流动，可以冲走切削区域和机床上的切屑以及脱落的磨粒。
4）防锈作用 在切削液中加入防锈剂，可在金属表面形成一层保护膜，对工件、机床、刀具和夹具等都能起到防锈作用。
常用切削液的种类与选用
1）水溶液 它的主要成分是水，其中加入了少量具有防锈和润滑作用的添加剂。水溶液的冷却效果良好，多用于普通磨削加工。
2）乳化液 它是将乳化油(由矿物油、表面活性剂和其它添加剂配成) 用水稀释而成，用途广泛。低浓度的乳化液冷却效果较好，主要用于磨削、粗车、钻孔加工等。高浓度的乳化液润滑效果较好，主要用于精车、攻丝、铰孔、插齿加工等。
3）切削油 它主要是矿物油(如机械油、轻柴油、煤油等) ，少数采用动植物油或复合油。普通车削、攻丝时，可选用机油。精加工有色金属或铸铁时，可选用煤油。加工螺纹时，可选用植物油。在矿物油中加入一定量的油性添加剂和极压添加剂，能提高其高温、高压下的润滑性能，可用于精铣、铰孔、攻丝及齿轮加工。
5. 刀具磨损和刀具寿命
1）刀具的磨损形式
刀具的磨损形式有以下三种，如图4-13所示。
(a)后刀面磨损 (b)前刀面磨损 (c)前后刀面同时磨损
图4-13 刀具磨损形式
2）前刀面磨损
切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，刀具前刀面上会形成月牙洼磨损。当月牙洼发展到前缘与切削刃之间的棱边变得很窄时, 切削刃强度降低，容易导致切削刃破损。前刀面月牙洼磨损值以其最大深度KT 表示。
3）后刀面磨损
后刀面与工件表面实际接触面积很小，所以接触压力很大，存在着弹性和塑性变形，切铸铁和以较小的切削厚度切削塑性材料时，主要也是发生这种磨损。后刀面磨损带宽度往往是不均匀的，可划分为三个区域，如图4-14所示。
图4-14 后刀面磨损情况
C 区刀尖磨损 强度较低，散热条件又差，磨损比较严重，其最大值为VC 。 N 区边界磨损 切削钢材时主切削刃靠近工件待加工表面处的后刀面(N区) 上，磨成较深的沟，以VN 表示。这主要是工件在边界处的加工硬化层和刀具在边界处较大的应力梯度和温度梯度所造成的。
B 区中间磨损 在后刀面磨损带的中间部位磨损比较均匀，其平均宽度以VB 表示，而其最大宽度以VB max 表示。
4）前后刀面同时磨损
在常规条件下，加工塑性金属常常出现前后刀面同时磨损的情况。
刀具的磨损过程及磨钝标准
5）刀具的磨损过程
如图4-15所示，刀具的磨损过程可分为三个阶段：
图4-15刀具的磨损过程
①初期磨损阶段 新刃磨的刀具表面较粗糙，并存在显微裂纹、氧化或脱碳等缺陷，而且切削刃较锋利，后刀面与加工表面接触面积较小，压应力较大，所以容易磨损。
②正常磨损阶段 经过初期磨损后，进入比较缓慢的正常磨损阶段。后刀面的磨损量与切削时间近似地成比例增加。正常切削时，这个阶段时间较长，是刀具的有效工作时间。
③急剧磨损阶段 当刀具的磨损带达到一定程度，后刀面与工件摩擦过大，导致切削力与切削温度迅速升高，磨损速度急剧增加。生产中为了合理使用刀具，保证加工质量，应该在发生急剧磨损之前就及时换刀。
6）刀具的磨钝标准
刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。ISO 标准统一规定以1/2背吃刀量处的后刀面上测定的磨损带宽度VB 作为刀具的磨钝标准。自动化生产中的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损尺寸作为刀具的磨钝标准，称为径向磨损量NB 。
在国家标准GB/T16461-1996中规定高速钢刀具、硬质合金刀具的磨钝标准见表4-1。
表4-1 高速钢刀具、硬质合金刀具的磨钝标准
8）刀具寿命 在实际生产中，为了更加方便、快速、准确地判断刀具的磨损情况，一般以刀具寿命来间接地反映刀具的磨钝标准。刀具寿命T 的定义为：刀具由刃磨后开始切削，一直到磨损量达到刀具的磨钝标准所经过的总切削时间（单位min ）。
刀具寿命反映了刀具磨损的快慢程度。刀具寿命长表明刀具磨损速度慢；反之表明刀具磨损速度快。影响切削温度和刀具磨损的因素都同样影响刀具寿命。
刀具寿命是一个具有多种用途的重要参数，如用来确定换刀时间；衡量工件
材料切削加工性和刀具材料切削性能优劣；判定刀具几何参数及切削用量的选择是否合理等，都可用它来表示和说明。
6. 提高切削加工质量的途径
零件的加工质量包括加工精度和表面质量两部分。切削加工时，影响零件加工质量的因素很多。以下主要讨论刀具以及切削用量对加工质量的影响。
合理选用刀具角度
1）前角对刀具的切削影响最大。选择前角的原则是既要保证刃口锋利，也要保证其强度。用硬质合金车削钢材时可取10°～25°；车削灰铸铁可取5°～15°；车削铝合金可取30°～35°。强力切削时，为增强刀具的强度，则采用负的前角。
2）后角用来减小主后面与工件过渡表面之间的摩擦，并与前角共同影响刃口的锋利程度与强度。后角的选择原则是在保证加工质量和刀具耐用度的前提下，尽可能取小值。粗加工时后角应小些(可取6°～8°) ；精加工时应取较大的后角(10°～12°) 。
3）主偏角的大小间接影响刀具的耐用度，工艺系统刚性差时，必须选用较大的主偏角。一般主偏角在30°～75°之间选取，加工细长轴类的工件时要选用90°的主偏角。
4）副偏角的主要作用是减小副切削刃与已加工表面的摩擦。外圆车刀的副偏角常取6°～10°。粗加工时可取得大一些；精加工时可取得小一些。为了降低已加工表面的粗糙度数值，有时还可磨出一段副偏角为零的修光刃。
5）刃倾角主要作用是影响刀尖的强度和控制切屑的流向。粗车一般钢材和灰铸铁时，常取λs =-5°～0°，以提高刀尖强度；精车时常取λs =0°～5°，以防止切屑划伤已加工表面。刃倾角及其作用见图4-16。
图4-16 刃倾角对切屑流向的控制
合理选择切削用量
以车削为例的选择原则为：粗加工 主要目的在于尽快切除加工余量，以提高生产率，降低成本。因此，在生产中应首先根据工件的加工余量合理选择背吃刀量。若工艺系统刚度好，应尽可能选大值；若工艺系统刚度差，应按刚度选取。然后，根据加工条件选择尽可能大的进给量，再按刀具耐用度的要求选择一个合适的切削速度。
精加工 目的在于保证加工精度和表面质量。为保证表面质量，首先应确定合理的切削速度。硬质合金刀具耐热性好，可选用较高切削速度；高速钢刀具耐热性差，多选用较低的切削速度。其次，再根据加工精度和表面粗糙度的要求，选择合适的进给量和背吃刀量。
三、金属切削机床
本节要点：金属切削机床的分类与型号；机床的传动链与切削运动计算。 金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的一种机器，人们习惯上称为机床。机床是机械制造系统中最重要的组成部分，它为加工过程提供刀具与工件之间的相对位臵和相对运动，为改变工件形状、质量提供能量。
1、机床的分类
根据国家标准GB/T15375-94，按加工性质和所用刀具的不同，机床可分为12大类：车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨插床、拉床、特种加工机床、锯床和其它机床。
按机床通用性程度，可分为：通用机床（或称万能机床）、专门化机床和专用机床三类。通用机床适用于单件小批量生产，加工范围较广，可以加工多种零件的不同工序。例如普通车床、卧式镗床、万能升降台铣床等；专门化机床用于大批量生产中，加工范围较窄，可加工不同尺寸的一类或几类零件的某一种（或几种）特定工序。例如，精密丝杠车床、曲轴轴颈车床等；专用机床通常应用于成批及大量生产中，这类机床是根据工艺要求专门设计制造的，专门用于加工某一种（或几种）零件的某一特定工序。例如，加工车床导轨的专用磨床、加工车床主轴箱的专用镗床等。
在同一种机床中，按加工精度的不同，可分为：普通精度级、精密级和高精度级机床。
按机床的质量和尺寸不同，可分为：仪表机床、中型（一般）机床、大型机床（质量达10t ）、重型机床（质量30t 以上）、超重型机床（质量在100t 以上）。
按机床自动化程度，可分为：手动、机动、半自动和自动机床。
此外，机床还可以按主要工作器官的数目进行分类，如：单刀机床、多刀机
床、单轴机床、多轴机床等。
2. 机床型号的编制方法
机床的型号是用来表示机床的类别、主要参数和主要特性的代号。目前，机床型号的编制采用汉语拼音字母和阿拉伯数字按一定规律组合表示。例如，CM6132型精密卧式车床，型号中的代号及数字的含义如下：
C M 6 1 3 2
主参数代号（床身上最大回转直径320mm ）
机床系别代号（卧式车床系）
机床组别代号（落地及卧式车床组） 机床通用特性代号（精密机床）
机床类别代号（车床类）
（一）通用机床型号的编制方法
（1）机床的类代号 用大写的汉语拼音字母表示，并按相应的汉字字意读音。当需要时，每类又可分为若干分类，分类代号用阿拉伯数字表示，放在类代号之前，但第一分类不予表示。机床的类代号、分类代号及其读音见表8-5。
表4-2 机床类代号和分类代号
（2）机床的通用特性和结构特性代号 通用特性代号位于类代号之后，用大写汉语拼音字母表示。。如“CK ”表示数控车床； “MBG ”表示半自动高精度磨床。
对于主参数相同，而结构、性能不同的机床，在型号中用结构特性区分。如CA6140中的“A ”和CY6140中的“Y ”，均为结构特性代号，它们分别表示为沈阳第一机床厂和云南机床厂生产的基本型号的卧式车床。
表4-3机床通用特性代号
（3）机床的组别、系别代号 组、系代号用两位阿拉伯数字表示，前一位表示组别，后一位表示系别。每类机床按其结构性能及使用范围划分为用数字0~9表示的10个组。在同一组机床中，又按主参数、主要结构及布局型式划分为用数字0~9表示的10个系。
（4）机床主参数、设计顺序号及第二主参数 机床主参数是表示机床规格大小的一种尺寸参数。例如，CA6140型卧式机床中主参数的折算值为40（折算系数是1/10），其主参数表示在床身导轨面上能车削工件的最大回转直径为400mm 。
某些通用机床，当无法用一个主参数表示时，则用设计顺序号来表示。 第二主参数是对主参数的补充，如最大工件长度、最大跨距、工作台工作面长度等，第二主参数一般不予给出。
（5）机床的最大改进顺序号 当机床的性能及结构有重大改进，并按新产品重新设计、试制和鉴定时，在原机床型号尾部加重大改进顺序号，即汉语拼音字母A 、B 、C ……。
根据通用机床型号编制方法，举例如下：
(1) MG1432A：表示高精度万能外圆磨床，最大磨削直径为320mm ，经过第一次重大改进，无企业代号。
(2) Z3040×16/S2:表示摇臂钻床，最大钻孔直径为40mm, 最大跨距为1600mm ，沈阳第二机床厂生产。
(3)CKM1116/NG：表示数控精密单轴纵切自动车床，最大车削棒料直径为16mm ，宁江机床厂生产。
（二）专用机床型号的编制方法
设计单位代号同通用机床型号中的企业代号。设计顺序号按各单位设计制造专用机床的先后顺序排列。例如，B1-015：表示北京第一机床厂设计制造的第15种专用机床。
3、零件表面的切削加工成形方法和机床的运动
零件表面的切削加工成形方法
机械零件的任何表面都可以看作是一条线（称为母线）沿另一条线（称为导线）运动的轨迹。如图4-17所示。
图4-17 零件表面的形成
1—母线；2—导线
母线和导线统称为发生线。切削加工中发生线是由刀具的切削刃与工件间的相对运动得到的。刀具和工件之间的相对运动都是由机床来提供。
机床的运动
机床在加工过程中，必须形成一定形状的发生线（母线和导线），才能获取所需工件表面形状。因此，机床必须完成一定的运动，这种运动称为表面成形运动。此外，还有多种辅助运动。
（1）表面成形运动 表面成形运动按其组成情况不同，可分为简单成形运动和复合成形运动二种。
如果一个独立的成形运动是单独的旋转运动或直线运动，则此成形运动称为简单成形运动。例如，用车刀车削外圆柱面时（见图4-18a ）工件的旋转运动B1产生圆导线，刀具纵向直线运动A2产生直线母线，即加工出圆柱面。运动B1和A2是两个相互独立的表面成形运动，因此，用车刀车削外圆柱面时属于简单成
形运动。
图4-18 成形运动的组成
如果一个独立的成形运动，是由两个以上的旋转运动或（和）直线运动，按某种确定的运动关系组合而成，则此成形运动称为复合成形运动。例如，用螺纹车刀车削螺纹表面时（见图4-18b ），工件的旋转运动B11和车刀的直线运动A12按规定作相对运动，形成螺旋线导线，三角形母线（由刀刃形成，不需成形运动）沿螺旋线运动，形成了螺旋面。形成螺旋线导线的两个简单运动B11和A12，由于螺纹导程限定而不能彼此独立，它们必须保持严格的运动关系，所以B11和A12这两个简单运动组成了一个复合成形运动。
成形运动中各单元运动根据其在切削中所起的作用不同，又可分为主运动和进给运动。
（2）辅助运动 机床在加工过程中还需一系列辅助运动，其功能是实现机床的各种辅助动作，为表面成形运动创造条件。它的种类很多，如进给运动前后的快进和快退；调整刀具和工件之间正确相对位臵的调位运动；切入运动；分度运动；工件夹紧、松开等操纵控制运动。
4. 机床传动的基本组成和传动原理图
1）机床传动的基本组成部分
机床传动必须具备以下三个基本部分：
（1）运动源 为执行件提供动力和运动的装臵。通常为电动机，如交流异步电动机、直流电动机、直流和交流伺服电动机、步进电动机、交流变频调速电动机等。
（2）传动件 传递动力和运动的零件。如齿轮、链轮、带轮、丝杠、螺母等，除机械传动外，还有液压传动和电气传动元件等。
（3）执行件 夹持刀具或工件执行运动的部件。常用执行件有主轴、刀架、工作台等，是传递运动的末端件。
5. 机床的传动链
为了在机床上得到所需要的运动，必须通过一系列的传动件把运动源和执行件，或把执行件与执行件联系起来，以构成传动联系。构成一个传动联系的一系列传动件，称为传动链。根据传动链的性质，传动链可分为两类。
（1）外联系传动链 联系运动源与执行件的传动链，称为外联系传动链。它的作用是使执行件得到预定速度的运动，并传递一定的动力。还起执行件变速、换向等作用。外联系传动链不要求两末端件之间有严格的传动关系。如卧式车床中，从主电动机到主轴之间的传动链，就是典型的外联系传动链。
（2）内联系传动链 联系两个执行件，以形成复合成形运动的传动链，称为内联系传动链。它的作用是保证两个末端件之间的相对速度或相对位移具有严格的比例关系，以保证被加工表面的性质。如在卧式车床上车螺纹时，连接主轴和刀具之间的传动链，就属于内联系传动链。
6. 机床传动原理图
下面以卧式车床的传动原理图为例，说明传动原理图的画法和所表示的内容。如图4-19所示，即从电动机—1—2—u v —3—4—主轴，这条传动链亦称主运动传动链，其中1—2和3—4段为传动比固定不变的定比传动结构，2—3段是传动比可变的换臵机构u v ，调整u v 值用以改变主轴的转速。从主轴—4—5—u f —6—7—丝杠—刀具，得到刀具和工件间的复合成形运动（螺旋运动），这是一条内联系传动链，其中4—5和6—7段为定比传动机构，5—6段是换臵机构调整u f u f ，值可得到不同的螺纹导程。在车削外圆或端面时，主轴和刀具之间的传动联系无严格的传动比要求，二者的运动是两个独立的简单成形运动，因此，除了从电动机到主轴的主传动链外，另一条传动链可视为由电动机—1—2——5—u f u v —3—6—7—刀具(通过光杠) ，此时这条传动链是一条外联系传动链。
图4-19 卧式车床传动原理图
传动原理图表示了机床传动的最基本特征。因此，用它来分析、研究机床运动时，最容易找出两种不同类型机床的最根本区别，对于同一类型机床来说，不管它们的具体结构有何差异，其传动原理图都是完全相同的。
6. 机床传动系统图和运动计算
1）机床传动系统图
机床的传动系统图是表示机床全部运动传动关系的示意图。它比传动原理图更准确、更清楚、更全面地反映了机床的传动关系。
机床的传动系统画在一个能反映机床外形和各主要部件相互位臵的投影面上，并尽可能绘制在机床外形的轮廓线内。图中的各传动元件是按照运动传递的先后顺序，以展开图的形式画出来的。该图只表示传动关系，并不代表各传动元件的实际尺寸和空间位臵。在图中通常注明齿轮及蜗轮的齿数、带轮直径、丝杠的导程和头数、电动机功率和转数、传动轴的编号等。传动轴的编号，通常从运动源（电动机）开始，按运动传递顺序，依次用罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ……表示。图4-20是一台中型卧式车床主传动系统图。
图4-20 12级变速车床主传动系统图
7. 传动路线表达式
为便于说明机床的传动路线，通常把传动系统图数字化，用传动路线表达式（传动结构式）来表达机床的传动路线。图4-20车床主传动路线表达式为：
⎡36⎤⎢36⎥⎡60⎤⎡42⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥24φ126电动机(1440r/min)——Ⅰ—⎢⎥—Ⅱ—⎢42⎥—Ⅲ—⎢30⎥—Ⅳ（主轴） 2218φ256⎢48⎥⎢⎥⎢⎥⎢30⎥⎣62⎦⎣72⎦⎢⎥⎣42⎦
1）主轴转数级数计算
根据前述主传动路线表达式，可知，主轴正转时，利用各滑移齿轮组齿轮轴向位臵的各种不同组合，主轴可得3×2×2=12级正转转速。同理，当电机反转时主轴可得12级反转转速。
2）运动计算
机床运动计算通常有两种情况：
(1)根据传动路线表达式提供的有关数据，确定某些执行件的运动速度或位移量；
(2)根据执行件所需的运动速度、位移量，或有关执行件之间需要保持的运动关系，确定相应传动链中换臵机构的传动比，以便进行调整。
例4、1根据图4-23所示主传动系统，计算主轴转速。
主轴各级转速数值可应用下列运动平衡式进行计算。
n 主=n 电×Z Z Z D （1-ε）×I—II ×II —III ×III —IV '—IV Z ' I —II Z ' II —III Z III D '
式中 n 主——主轴转速（r/min）；
n 电 ——电动机转速（r/min）；
D、D ＇——分别为主动、被动皮带轮直径（mm ）；
ε——三角带传动的滑动系数，可近似地取ε=0.02；
'-III 、Z III '-IV ——分别为Ⅰ-Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅲ- Z I -II 、Z II -III 、Z III -IV 及Z I '-II 、Z II
Ⅳ轴之间主动和被动齿轮齿数。
主轴各级转速均可由上述运动平衡式计算出来，如计算所得主轴最高转速和最低转速分别为：
n 主m ax =1440⨯
n 主m in ⨯(1-0. 02) ⨯⨯⨯=1389r /min [***********]=1440⨯⨯(1-0. 02) ⨯⨯⨯=30. 8r /min 256486272
例4、2根据图4-21所示的车削螺纹进给传动链，确定挂轮变速机构的换臵公式。
图4-21 车削螺纹进给传动链
由图示得到的运动平衡式为：
1⨯6040a c ⨯⨯⨯⨯12=L 工 6040b d
式中 L 工——被加工螺纹的导程（mm ）。
将上式化简后，得到挂轮的换置公式
a c L 工⨯=b d 12
应用此换臵公式，适当的选择挂轮a 、b 、c 、d 的齿数，就可车削出导程为u 挂=L 工的螺纹。