機械加工成形原理分析

摘 要：不同的零件具有不同的尺寸和幾何形狀，但是其內外輪廓的組成都是一些簡單的表面，例如箱體的組成部分包括圓弧、圓柱面和平面等，階梯軸的組成元素包括端面、回轉曲面以及螺紋等。不同金屬具有不同的切削機床的運作方式和結構，但是從零件表面組成元素的角度來看，又有相似之處。過去傳統的零件表面成形理論的接受過于粗略，因此本文將對其欠缺部分進行系統的描述，借助機床零件表面的發生線成形原理，大致分為簡單表面和復合表面對其進行詳細闡述，從而達到完善機械加工成形理論的目的。

關鍵詞：機械加工;零件表面;成形理論

一、 簡述機械加工成形原理

通過觀察我們可以發現，金屬切削機床可以加工的零件的表面都是線性表面，其表面均是由兩條發生線遵循一定的規律運動而形成的。我們可以把這兩條發生線分為導線和母線，之所以將其命名為母線。是因為它總是按照一定的方式和規則沿著另一條發生線，即導線，進行運動，從而形成某種特定的表面。簡而言之，母線和導線的相對運動形成了線性表面，或者說是零件的線性表面成形過程是兩條發生線的形成過程，這就是所謂的零件表面成形原理。所以說，兩條發生線的運動形成了金屬切削機床的形成運動。

（一）簡述表面發生線的形成方法

形成零件表面發生線，即母線和導線的方法共包括展成法、相切法、成形法和軌跡法等四種方法。而零件某一個表面的母線和導線形成的方法可以一樣，也可能存在差別。例如直齒圓柱齒輪的齒廓面在滾齒機上進行加工時，工件和滾刀的相對復合運動形成的漸開的母線，就是由展成法形成的，而導線作為呈直線的齒向線，是由相切法形成的。但同樣是加工直齒圓柱齒輪的齒廓面，此時選擇在插齒機上加工，導線就成了漸開線，由展成法形成，而變成直線齒向線的母線是由軌跡法所形成的。再比如說，圓柱面用尖頭車刀加工時，母線變成了園，導線變成了直線，但兩條線都是由軌跡法形成的。而用成形圓弧車刀車削成形圓弧溝槽時，母線變成了和刀具圓弧相吻合的弧線，這是由成刑法形成的，導線變成了圓，由軌跡法形成。因此，零件某一表面的成形運動和形狀要受制于具體的加工方法，并不是單純地取決于表面本身。下面將分別介紹四種發生線形成方法。

1. 展成法

展成法是零件表面加工時切削工具與工件作的相對展成運動，可以用來形成漸開線。這種方法主要運用了齒輪嚙合的原理，要求刀具和工件按照既定的規則進行相對運動，共同完成復合運動，此種方法需要兩個成形運動。

2. 相切法

相切法使用的刀具要求是柱狀的或者盤狀的多齒刀具，每個刀齒要依次削形成一系列的刀刃的軌跡線，包絡線就是和這些刀刃的軌跡線相切的線，也就是將要形成的發生線。相切法也需要兩個成形運動，包括刀具軸線沿著將要形成的發生線的等距離的運動以及刀具的旋轉運動。

3.成形法

此種表面發生線的形成方法有一個顯著的特點，即將要形成的發生線和刀刃的形狀是完全一致的，也正因如此，成形法可通過刀具自行實現發生線，不需要刀具和工件之間的相對成形運動。

4. 軌跡法

將要形成的表面和刀具的切削呈現點接觸，該點沿著將要形成的發生線進行運動，其所形成的運動軌跡就是發生線，因此，軌跡法需要一個成形運動。

當然，上述的四種方法只適用于發生線的形成，不能用于整個表面的形成。從發生線的形成原理可以得出，部分表面的母線和導線不能交換，否則得不到預期的表面效果，這樣的表面叫做不可逆表面，而有些表面的母校和導線可以相互交換，因此叫做可逆表面。不同的零件表面，其母線沿導線運動的規則是不相同的，有的規律很簡單，例如圓柱面和平面，但有一些相對復雜，例如螺紋面和圓錐面。根據其規律的簡易程度，本文將零件表面分為簡單表面和復合表面，并據此分別進行歸納和闡述。

（二） 簡述簡單表面的成形原理

簡單表面的母線沿著導線作平移，導線是簡單的成形線、直線或者圓。例如平面可以由一條直線沿另一條直線平移，相似的原理有用尖頭刨刀在牛頭刨床上加工平面：工件在棘輪機構帶動下作的橫向步進運動中實現發生線的導線，刨刀空回程的同時，刨刀刀尖在工件表面的直線切削運動形成發生線的母線。再比如說漸開線和與齒輪軸線平行的直線的相對運動實現直齒圓柱齒輪的齒廓面。由于簡單表面一般都是線性構成，所以大多都是可逆表面，母線和導線可以相互交換。直齒圓柱齒輪的齒廓面在進行滾齒機上加工時，首先形成漸開的母線，直齒圓柱齒輪的齒廓面在普通銑床上也可以運用成形法，通過成形齒輪銑刀完成。

（三）簡述復合表面的成形原理

復合表面的成形原理相對簡單表面來說更為復雜，其導線各不相同，母線沿著導線運動的規律也更為復雜，其導線形成的運動是由兩個或兩個以上的簡單運動復合而成的復合運動。由于其運動過程較為復雜，所以復合表面通常是不可逆表面。

二、 加工精度與機床加工成形原理

經過上述探討我們可以發現，母線和導線的實現就構成了零件表面的整個加工過程。發生線的形狀誤差會直接影響零件表面質量，例如在遇到車削圓柱面的情況時，，工件的旋轉運動的誤差會直接影響圓柱面的圓度，刀具直線運動的誤差會直接影響圓柱面的圓柱度。因此要重視發生線成形運動的精度和強度。發生線精度的提高可以通過機床部件的改良設計來實現，很多機床把刀具和工件之間的相對運動拆分為簡單的旋轉和直線運動，旋轉運動的精度通過運動的勻速性和圓度來體現，而直線度和勻速性體現了直線運動的精度。

三、結論

通過對機床上零件表面成形原理的詳細闡述和探究，可以彌補以往傳統機械加工成形原理的漏洞，進一步完善機械加工知識體系中關于零件表面成形原理理論的構造。在分別系統闡述簡單表面和復雜表面的問題中，本文舉證了不少的例子進行解析，以便對零件表面成形原理有一個更深刻更細致的了解和認識，機床零件表面成形原理可廣泛用于數控機床，特別是多自由度數控加工機床的運動方案設計，以及制造裝備的技術研發和運動分析等領域。

參考文獻：

[1]杜磊.機械加工成形原理探討[J].科技致富向導，2012（9）：8.

[2]張軍平，張國榮.機械加工成形原理問題研究[J].科技致富向導，2011（4）：146，153.

[3]陶秀峰.關于機械加工成形的分析[J].東方教育，2014（11）：309-309.

[4]宋金榮，張鐵鋼，王秀芝等.探討機械加工的成形原理分析[J].城市建設理論研究（電子版）， 2013（13）.