機械基礎 課件 第3-5章 金屬切削加工、平面機構的結構分析、平面連桿機構

第3章金屬切削加工

金屬切削加工是用刀具從毛坯上切除多余金屬，使零件具有符合要求的幾何形狀、尺寸及表面粗糙度的加工過程。

金屬切削加工可分為鉗工和機械加工。我們主要介紹機械加工。

機械加工是由工人操縱機床來完成的加工過程。其主要方式有車削、鉆削、銑削、刨削、磨削等。

在現(xiàn)代機械制造中，除了很少一部分零件可以采用精密鑄造或精密鍛造的方法直接獲得外，絕大部分零件，特別是精度較高和表面粗糙度值較小的零件，一般都要進行切削加工。因此，切削加工在機械制造過程中占有重要的地位?！?.1金屬切削加工的基礎知識3.1.1切削運動與切削要素（1）切削運動

機械零件的形狀通常由外圓面、內圓面、平面和曲面所組成。切削加工應具備形成這些典型表面的切削運動，它包括主運動和進給運動兩部分。1）主運動

主運動是從工件上切下多余金屬層所必須的基本運動。主運動既可由工件，也可由刀具來實現(xiàn)。2）進給運動

進給運動是使新的金屬層不斷投入切削，從而加工出完整表面所需的運動。進給運動可以是連續(xù)的或間斷的，運動方向可以是直線、圓周或曲線。

不同加工方式的主運動和進給運動，見下表3)工件上的表面切削加工過程中，在切削運動的作用下，工件表面一層待切削的金屬不斷地被切下來變?yōu)榍行?，從而加工出所需要的加工表面。在加工表面形成的過程中，工件上有3個依次變化著的表面，它們分別是待加工表面、過渡表面和已加工表面，如圖3.1所示。①待加工表面即將被切去金屬層的表面。②渡表面切削刃正在切削而形成的表面，過渡表面又稱加工表面或切削表面。③已加工表面已經切去多余金屬層而形成的加工表面。(2)切削要素切削要素包括切削用量要素和切削層尺寸平面要素。下面以車削加工為例介紹這些要素。1)切削用量切削用量是切削加工過程中切削速度、進給量和切削深度（舊稱背吃刀量)的總稱。它是用于調整機床、計算切削力、切削功率、核算工序成本等所必需的參數(shù)。切削速度(ν)

在單位時間內，工件和刀具沿主運動方向相對移動的距離稱為切削速度。

如主運動為旋轉運動，則式中dw——工件待加工表面的最大直徑或刀具的最大直徑，mm；n——工件或刀具每分鐘的轉速，r／min。進給量(f)

如主運動為往復運動，則其平均速度式中L——往復運動行程長度，mm；

nr——主運動每分鐘的往復次數(shù)，str／min。

工件或刀具每旋轉一周，刀具或工件沿進給方向的相對位移量稱為進給量，單位為mm／r。

對于主運動為往復直線運動(如刨削等)，一般僅規(guī)定間歇進給的進給量，其單位為mm／d·str(d·str為雙行程)。切削深度(ap)

待加工表面和已加工表面之間的垂直距離稱為切削深度。

切削深度的大小直接影響主切削刃的工作長度，反映了切削負荷的大小。對于外圓車削，則式中dw、dm——分別為工件待加工表面和已加工表面的直徑，mm。3.1.2車削加工概述(1)車削加工在機械加工中的地位和作用車削加工是指在車床上應用刀具與工件作相對切削運動，用以改變毛坯的尺寸和形狀等，使之成為零件的加工過程。車工在切削加工中是最常用的一種加工方法。車床占機床總數(shù)的1/2左右，故在機械加工中具有重要的地位和作用。(2)車床加工范圍在車床上所使用的刀具主要是車刀，還有鉆頭、鉸刀、絲錐及滾花刀等。車床主要用來加工各種回轉表面，如：內外圓柱面；內外圓錐面;端面；內外溝槽；內外螺紋；內外成形表面;絲杠、鉆孔、擴孔、鉸孔、鏜孔、攻絲、套絲及滾花等，如圖3.2所示。(3)車床種類及編號1）車床的種類車床的種類很多，最常用的為普通車床、六角車床、立式車床、自動和半自動車床、數(shù)控車床等。其中，應用最廣泛的是普通車床。2)車床的編號由于車床的種類很多，為便于組織生產和供使用部門選用和管理，有必要對車床進行分類和編號，以便根據(jù)車床的型號，即可了解車床的類別，主要規(guī)格、性能和特征。我國自1957年1月頒布“機床型號編制辦法”以來，已進行了多次修改。1995年實施的《金屬切削機床型號編制方法》(GB/T15375—2008)是目前所采用的標準。機床的類代號用大寫的漢語拼音字母表示。必要時，每類可分為若干分類。分類代號在類代號之前，作為型號的首位，并用阿拉伯數(shù)字表示。第一分類代號前的“1”省略，第“2”“3”分類代號則應予以表示。機床的類代號，按其相對應的漢字字意讀音。例如，銑床類代號“X”，讀作“銑”機床的類和分類代號見表3.2。現(xiàn)舉幾個機床型號的實例加以說明。3.1.3車削加工

在車床上用車刀加工工件的工藝過程稱為車削加工。車削加工是機械加工中應用最廣泛的一種加工方法。

通常車床占機床總數(shù)的一半以上。為了滿足不同零件加工的需要以及提高車削加工的生產率，車床有很多類型。主要的有普通車床、六角車床、立式車床、自動和半自動車床、數(shù)控車床等。而其中應用最廣泛的是普通車床。

(一)普通車床普通車床通用性強，但自動化程度低，適用于單件、小批生產?，F(xiàn)以常用的C6132(舊型號C616)型普通車床為例，介紹其組成和傳動。C6132型普通車床的組成C6132型普通車床的外形結構如圖所示。它是由床身、床頭箱、變速箱、掛輪箱、進給箱、光杠、絲杠、溜板箱、刀架和尾架等主要部件組成。C6132型普通車床的傳動分析C6132型普通車床傳動路線如圖所示。C6132型普通車床傳動系統(tǒng)如圖所示1)主軸變速箱它內裝主軸和變速機構。變速是通過改變設在床頭箱外面的手柄位置，可使主軸獲得12種不同的轉速。主軸是空心結構，棒料能通過主軸孔的最大直徑是29mm。主軸的右端有外螺紋，用以聯(lián)接卡盤、撥盤等附件。主軸右端的內表面是錐孔，可插入錐套和頂尖。當采用頂尖并與尾架中的頂尖同時使用安裝軸類工件時，其兩頂尖之間的最大距離為750mm。床頭箱的另一重要作用是將運動傳給進給箱，并可改變進給方向。2）進給它是進給運動的變速機構。它固定在床頭箱下部的床身前側面。變換進給箱外面的手柄位置，可將床頭箱內主軸傳遞下來的運動轉為進給箱輸出的光桿或絲杠獲得不同的轉速，以改變進給量的大小或車削不同螺距的螺紋。3)變速箱安裝在車床前床腳的內腔中，并由電動機通過聯(lián)軸器直接驅動變速箱中齒輪傳動軸。變速箱外設有兩個長的手柄，是分別移動傳動軸上的雙聯(lián)滑移齒輪和三聯(lián)滑移齒輪，可共獲6種轉速，通過皮帶傳動至床頭箱。4)溜板箱溜板箱是進給運動的操縱機構。它使光桿或絲杠的旋轉運動，通過齒輪和齒條或絲杠和開合螺母，推動車刀作進給運動。溜板箱上有3層滑板，當接通光桿時，可使床鞍帶動中滑板、小滑板及刀架沿床身導軌作縱向移動；中滑板可帶動小滑板及刀架沿床鞍上的導軌作橫向移動。故刀架可作縱向或橫向直線進給運動。當接通絲杠并閉合開合螺母時，可車削螺紋。溜板箱內設有互鎖機構，使光桿、絲杠兩者不能同時使用。5)刀架它是用來裝夾車刀，并可作縱向、橫向及斜向運動。6)尾架它用于安裝后頂尖，以支持較長工件進行加工，或安裝鉆頭、鉸刀等刀具進行孔加工。偏移尾架可以車出長工件的錐體。7)光桿與絲杠將進給箱的運動傳至溜板箱。光桿用于一般車削，絲杠用于車螺紋。8）床身它是車床的基礎件，用來聯(lián)接各主要部件并保證各部件在運動時有正確的相對位置。在床身上有供溜板箱和尾架移動用的導軌。9)前床腳和后床腳前床腳和后床腳是用來支承和聯(lián)接車床各零部件的基礎構件，床腳用地腳螺栓緊固在地基上。車床的變速箱與電機安裝在前床腳內腔中，車床的電氣控制系統(tǒng)安裝在后床腳內腔中。(2)車削加工前的準備工作1）車刀的安裝

安裝車刀時，應注意下列幾點：①車刀刀尖應與工件軸線等高。

②刀桿應與工件軸線垂直。

③車刀伸出方刀架的長度，一般不超過刀桿高度的1.5倍。

④每把車刀安裝在刀架上時，不可能剛好對準工件軸線，一般會低，因此，可用一些厚薄不同的墊片來調整車刀的高低。⑤車刀位置裝正后，應交替擰緊刀架螺釘。2）工件的安裝在車床上裝夾工件的基本要求是定位準確，夾緊可靠。因此，車削時必須把工件夾在車床的夾具上，經過校正、夾緊，使它在整個加工過程中始終保持正確的位置，這個工作稱為工件的安裝。在車床上安裝工件應使被加工表面的軸線與車床主軸回轉軸線重合，保證工件處于正確的位置;同時要將工件夾緊，以防止在切削力的作用下，工件松動或脫落，保證工作安全。工件的裝夾常用的有以下5種方法：①三爪卡盤裝夾三爪卡盤是車床上應用最廣的通用夾具，由于三爪卡盤的3個爪是同時移動自行對中的，適合于安裝棒料、圓盤形等工件。它的構造如圖3.4所示。當轉動小圓錐齒輪時，大圓錐齒輪便隨著轉動，它背面的平面螺紋就使卡盤的3個卡爪同時向中心靠近或退出。使用三爪卡盤裝卸工件迅速方便并能自動定心，但定心精度不高，工件上同軸度較高的表面，應在一次安裝中車出。

當轉動小圓錐齒輪時，大圓錐齒輪便隨著轉動，它背面的平面螺紋就使卡盤的三個卡爪同時向中心靠近或退出。使用三爪卡盤裝卸工件迅速方便并能自動定心，但定心精度不高(O.05～O.15mm)，工件上同軸度較高的表面，應在一次安裝中車出。②四爪卡盤安裝

四爪卡盤的構造如圖所示。它的四個卡爪可以單獨調整。每個卡爪后面有半瓣螺母與調節(jié)螺桿相配合，當轉動螺桿時，卡爪即可沿卡盤的徑向滑槽移動。

四爪卡盤由于4個卡爪是分別調整，且夾緊力大，所以適合于安裝毛壞形狀不規(guī)則或較大的工作。在四爪卡盤上安裝時，需對工件進行找正，圖示為在四爪卡盤上按劃線找正的情形。用手轉動卡盤檢查劃針所指的劃線是否偏離轉動中心，如有偏離，再分別調整相應之卡爪，找正較費時。③頂尖安裝常用的頂尖有死頂尖和活頂尖兩種,如圖3.6所示。

頂尖適合于安裝長軸類工件,如圖3.7(a)所示。工件裝夾在前后頂尖之間,由卡箍、撥盤帶動旋轉,有時也可用三爪卡盤代替撥盤,如圖3.7(b)所示。前頂尖裝在主軸上,與主軸一起旋轉,后頂尖裝在尾架的頂尖套中。頂尖不能將工件頂?shù)锰o或太松,以免影響加工質量。

用頂尖安裝時，工件兩端面先用中心鉆(圖示)鉆出中心孔，中心孔的圓錐部分與頂尖配合；圓柱部分是用來容納潤滑油和保證錐面處配合貼切。兩頂尖裝夾工件，多用于工件在加工過程中，需多次裝夾，而要求有同一的定位基準，以保證加工精度。

④中心架和跟刀架的使用當車削細長軸（長徑比>10)或端面帶有深孔的細長工件時，由于工件本身的剛性很差，當受切削力的作用，往往容易產生彎曲變形和振動，容易把工件車成兩頭細中間粗的腰鼓形。為止上述現(xiàn)象發(fā)生，需要附加輔助支承，即中心架或跟刀架。中心架（見圖3.9)主要用于加工有臺階或需要調頭車削的細長軸，以及端面和內孔(鉆中孔)。中心架固定在床身導軌上的，車削前調整其3個爪與工件輕輕接觸，并加上潤滑油。對不適宜調頭車削的細長軸，不能用中心架支承，而要用跟刀架支承進行車削，以增加工件的剛性，如圖3.10所示。跟刀架固定在床鞍上，一般有兩個支承爪，它可跟隨車刀移動，抵消徑向切削力，提高車削細長軸的形狀精度和減小表面粗糙度。⑤用心軸安裝工件精加工盤套類零件時，如孔與外圓的同軸度，以及孔與端面的垂直度要求較高時，常采用心軸安裝。這時應先加工好孔，再以孔定位，安裝在心軸上加工外圓和端面。根據(jù)工件的形狀尺寸與精度要求可采用不同結構的心軸。當工件長度大于孔徑時，可采用稍帶有錐度（1:1000至1:2000)的心軸（見圖3.11(a))，靠心軸圓錐表面與工件間的摩擦力而將工件夾緊。當工件長度比孔徑小時，則應使用帶螺母壓緊的圓柱心軸（見圖3.11(b))，為了保證內外圓同軸度要求，孔與心軸之間的配合間隙應盡可能小。(3)基本車削方法1)車外圓車外圓時常見的方法有以下3種（見圖3.12)：①用直頭車刀車外圓這種車刀強度較好，常用于粗車外圓。②用45°彎頭車刀車外圓這種車刀適用車削不帶臺階的光滑軸。③用主偏角為90°的偏刀車外圓這種車刀適于加工細長工件的外圓。①車端面車端面常用的刀具有偏刀和彎頭車刀兩種（見圖3.13)。②車臺階A.低臺階車削方法較低的臺階面可用偏刀在車外圓時一次走刀同時車出，車刀的主切削刃要垂直于工件的軸線（見圖3.14(a))，可用角尺對刀或以車好的端面來對刀（見圖3.14(b))，使主切削刃和端面貼平。B.高臺階車削方法車削高于5mm臺階的工件，因肩部過寬，車削時會引起振動。因此，高臺階工件可首先用夕卜圓車刀把臺階車成大致形狀，然后將偏刀的主切削刃裝得與工件端面有5°左右的間隙，分層進行切削（見圖3.15)，但最后一刀必須用橫走刀完成，否則會使車出的臺階偏斜。為使臺階長度符合要求，可用刀尖預先刻出線痕，以此作為加工界限。3)切斷和車外溝槽在車削加工中，經常需要把太長的原材料切成一段一段的毛坯，然后再進行加工，也有一些工件在車好以后，再從原材料上切下來，這種加工方法稱為切斷(見圖3.16(a))。有時為了車螺紋或磨削時退刀的需要，在靠近臺階處車出各種不同的溝槽（見圖3.16(b))。4)孔加工在車床上加工圓柱孔時，可用鉆頭、擴孔鉆、鉸刀及鏜刀進行鉆孔、擴孔、鉸孔、和鏜孔工作。①鉆孔、擴孔和鉸孔在實體材料上加工出孔的工作，稱為鉆孔。在車床上鉆孔（見圖3.17)，把工件裝夾在卡盤上，鉆頭安裝在尾架套筒錐孔內，鉆孔前先車平端面，并定出一個中心凹坑，調整好尾架位置并緊固于床身上，然后開動車床，搖動尾架手柄使鉆頭慢慢進給，注意經常退出鉆頭，排出切屑?？足@通后，應把鉆頭退出后再停車。在車床上鉆孔的精度較低，表面粗糙，多用于對孔的粗加工。擴孔常用于鉸孔前或磨孔前的預加工，常使用擴孔鉆作為鉆孔后的預精加工。為了提高孔的精度和降低表面粗糙度，常用鉸刀對鉆孔或擴孔后的工件再進行精加工。在車床上加工直徑較小，而精度要求較高的孔，通常采用鉆、擴、鉸的加工工藝來進行。②車孔車孔是對鉆出、鑄出或鍛出的孔的進一步加工（見圖3.18)，以達到圖紙上精度等技術要求。在車床上車孔要比車外圓困難，因鏜桿直徑比外圓車刀細得多，而且伸出很長，因此，往往因刀桿剛性不足而引起振動，所以切深和進給量都要比車外圓時小些，切削速度也要小10%?20%。車不通孔時，由于排屑困難，故進給量應更小些。5)車圓錐面圓錐面具有配合緊密、定位準確、裝卸方便等優(yōu)點，并且即使發(fā)生磨損，仍能保持精密的定心和配合作用，因此圓錐面應用廣泛。圓錐分為外圓錐（圓錐體）和內圓錐（圓錐孔）兩種。圓錐面的車削方法有轉動小刀架車圓錐（見圖3.19(a))和偏移尾架法車圓錐（見圖3.19(b))等。6)車螺紋車螺紋前，首先把工件的螺紋外圓直徑按要求車好，然后在螺紋的長度上車一條標記，作為退刀標記，最后將端面處倒角，裝夾好螺紋車刀。其次調整好車床，為了在車床上車出螺紋，必須使車刀在主軸每轉一周得到一個等于螺距大小的縱向移動量。因此，刀架是用開合螺母通過絲杠來帶動的，只要選用不同的配換齒輪或改變進給箱手柄位置，即可改變絲杠的轉速，從而車出不同螺距的螺紋。7)車特形面有些機器零件，如手柄、手輪、圓球、凸輪等，它們不像圓柱面、圓錐面那樣母線是一條直線，而是一條曲線，這樣的零件表面稱為特形面。在車床上加工特形面的方法有雙手控制法、用樣板刀法和用靠模板法等。8)滾花有些機器零件或工具，為了便于握持和夕卜形美觀，往往在工件表面上滾出各種不同的花紋，這種工藝稱為滾花。這些花紋一般是在車床上用滾花刀滾壓而成的?；y有直紋和網(wǎng)紋兩種。滾花刀相應有直紋滾花刀和網(wǎng)紋滾花刀兩種。(4)車削工藝過程示例制訂車削工藝應考慮下列內容：①根據(jù)毛坯和零件的技術要求(包括精度、粗糙度以及熱處理等），確定零件的加工順序。②確定每一加工步驟中工件的安裝方法及所用的機床、刀具、量具等以及檢驗方法。③合理選用切削用量?，F(xiàn)以單件小批加工階梯軸為例（毛坯選用035圓鋼），說明其車削工藝過程見表3.4。3.2銑削加工3.2.1銑削概述(1)銑削加工在機械加工中的地位和作用銑削加工是在銑床上使用旋轉多刃刀具，對工件進行切削加工的方法。銑削加工時，銑刀的旋轉是主運動，工件的移動是進給運動。銑刀可使用較大的切削速度，無空回程，故生產效率高。銑削是金屬切削加工中常用的方法之一，在機械加工中具有較為重要的地位和作用。(2)銑床加工范圍銑床是用銑刀進行切削加工的機床，它的用途極為廣泛。在銑床上采用不同類型的銑刀，配備萬能分度頭、回轉工作臺等附件，可完成如圖3.20所示的各種典型表面加工。(3)銑床種類及型號銑床種類很多，常用的有臥式銑床、立式銑床、龍門銑床、數(shù)控銑床及銑鏜加工中心等。在一般工廠，臥式銑床和立式銑床應用最廣。其中，臥式萬能升降臺銑床簡稱萬能臥式銑床，應用最多。1)臥式萬能升降臺銑床臥式萬能升降臺銑床簡稱萬能銑床,是銑床中應用最廣的一種,如圖3.21所示。其主軸是水平的,與工作臺面平行。下面以X6132銑床為例,介紹萬能銑床型號以及組成部分和作用。萬能銑床的型號2)立式升降臺銑床立式升降臺銑床與臥式升降臺銑床的主要區(qū)別僅在于它的主軸是垂直安置的，可用各種端銑刀(也稱面銑刀）或立銑刀加工平面、斜面、溝槽、臺階、齒輪、凸輪以及封閉的輪廓表面等。

如圖3.22所示為常見的一種立式升降臺銑床外形圖。除立銑頭外，其他主要組成部件與臥式升降臺銑床相同。銑頭可在垂直平面內調整角度，主軸可沿其軸線方向進給或調整位置。3）龍門銑床龍門銑床是一種大型高效能通用機床。它主要用于加工各類大型工件上的平面、溝槽，它不僅對工件可進行粗銑、半精銑，也可進行精銑加工。如圖3.23所示為具有4個銑頭的中型龍門銑床。4個銑頭分別安裝在橫梁和立柱上，并可單獨沿橫梁或立柱的導軌作調整位置的移動。每個銑頭既是一個獨立的主運動部件，又能由銑頭主軸套筒帶動銑刀主軸，沿軸向實現(xiàn)進給運動和調整位置的移動，根據(jù)加工需要每個銑頭還能旋轉一定的角度。加工時，工作臺帶動工件作縱向進給運動，其余運動均由銑頭實現(xiàn)。由于龍門銑床的剛性和抗振性比龍門刨床好，它允許采用較大切削用量，并可用幾個銑頭同時從不同方向加工幾個表面，機床生產效率高，在成批和大量生產中得到廣泛應用。龍門銑床的主參數(shù)是工作臺面寬度。(4)銑削方式

銑削是一種高生產率的平面加工方法，而銑平面又是銑削加工的主要工作之一。銑削平面的方式有周銑法和端銑法兩種。1）周銑法

用銑刀圓周上的切削刃來銑削工件表面的方法稱為周銑法。

根據(jù)銑刀旋轉方向與工件移動方向間的關系，周銑法又可分為逆銑法和順銑法。

在切削部位銑刀的旋轉方向和工件的進給方向相反為逆銑法，反之則為順銑法。目前生產中大都采用逆銑法。2）端銑法

用端銑刀的端面齒來銑削平面的方法稱為端銑法(也稱立銑)。

端銑同時參加切削的刀齒多，切削力變化小，切削平穩(wěn)。端銑刀的裝夾剛性大，振動小，可鑲硬質合金刀片，采用高速銑削。因此端銑加工質量好，生產率高，是平面加工的主要方式。3.2.2銑削加工(1)銑削的基本操作1）平面銑平面可用圓柱銑刀、端銑刀或三面刃盤銑刀在臥式銑床或立式銑床上進行銑削。①用圓柱銑刀銑平面圓柱銑刀一般用于臥式銑床銑平面，如圖3.26(a)所示。圓柱銑刀通過長刀桿安裝在臥式銑床的主軸上，刀桿上的錐柄與主軸上的錐孔相配，并用一拉桿拉緊。刀桿上的鍵槽與主軸上的方鍵相配，用來傳遞動力。②用端銑刀銑平面

端銑刀一般用于立式銑床上銑平面，有時也用于臥式銑床上銑側面，如圖3.26(b)所示。端銑刀一般中間帶有圓孔。通常先將銑刀裝在短刀軸上，再將刀軸裝入機床的主軸上，并用拉桿螺絲拉緊。用端銑刀銑平面與用圓柱銑刀銑平面相比，其特點是:切削厚度變化較小，同時切削的刀齒較多，因此切削比較平穩(wěn);

端銑刀的主切削刃擔負著主要的切削工作，而副切削刃又有修光作用，所以表面光整;

此外，端銑刀的刀齒易于鑲裝硬質合金刀片，可進行高速銑削，且其刀桿比圓柱銑刀的刀桿短些，剛性較好，能減少加工中的振動，有利于提高銑削用量。因此，端銑既提高了生產率，又提高了表面質量，所以在大批量生產中，端銑已成為加工平面的主要方式之一。2)銑斜面工件上具有斜面的結構很常見，銑削斜面的方法也很多，下面介紹常用的4種方法。①使用傾斜墊鐵銑斜面如圖3.27(a)所示，在零件設計基準的下面墊一塊傾斜的墊鐵，則銑出的平面就與設計基準面成傾斜位置，改變傾斜墊鐵的角度，即可加工不同角度的斜面。②用萬能銑頭銑斜面如圖3.27(b)所示，由于萬能銑頭能方便地改變刀軸的空間位置，因此，可轉動銑頭以使刀具相對工作傾斜一個角度來銑斜面。③用角度銑刀銑斜面如圖3.27(c)所示，較小的斜面可用合適的角度銑刀加工。當加工零件批量較大時，則常采用專用夾具銑斜面。④用分度頭鐵斜面如圖3.27(d)所示，在一些圓柱形和特殊形狀的零件上加工斜面時，可利用分度頭將工件轉成所置銑出斜面。3)銑槽在銑床上能加工的溝槽種類很多，如直槽、角度槽、V形槽、T形槽、燕尾槽及鍵槽等。現(xiàn)僅介紹鍵槽、T形槽和燕尾槽的加工。①銑鍵槽常見的鍵槽有封閉式和敞開式兩種。

在軸上銑封閉式鍵槽，一般用鍵槽銑刀加工，如圖3.28(a)所示。鍵槽銑刀一次軸向進給不能太大，切削時要注意逐層切下。

敞開式鍵槽多在臥式銑床上用三面刃銑刀進行加工，如圖3.28(b)所示。若用立銑刀加工，則由于立銑刀中央無切削刃，不能向下進刀。因此，必須預先在槽的一端鉆一個落刀孔，才能用立銑刀銑鍵槽。②T形槽及燕尾槽如圖3.29所示，T形槽應用很多，如銑床和刨床的工作臺上用來安放緊固螺栓的槽就是T形槽。要加工T形槽及燕尾槽，必須首先用立銑刀或三面刃銑刀銑出直角槽，然后在立銑上用T形槽銑刀銑削T形槽和用燕尾槽銑刀銑削成形。但由于T形槽銑刀工作時排屑困難，因此，切削用量應選得小些，同時應多加冷卻液，最后再用角度銑刀銑出倒角。4)銑齒形齒輪齒形的加工原理可分為兩大類:

展成法（又稱范成法），是利用齒輪刀具與被切齒輪的互相嚙合運轉而切出齒形的方法，如插齒和滾齒加工等;

成形法（又稱型銑法），是利用仿照與被切齒輪齒槽形狀相符的盤狀銑刀或指狀銑刀切出齒形的方法，如圖3.30所示。在銑床上加工齒形的方法屬于成形法。銑削時，常用分度頭和尾架裝夾工件，如圖3.31所示?？捎帽P狀模數(shù)銑刀在臥式銑床上銑齒，也可用指狀模數(shù)銑刀在立式銑床上銑齒。(2)銑床附件及其應用銑床的主要附件有分度頭、平口鉗、萬能銑頭及回轉工作臺，如圖3.32所示。1）分度在銑削加工中，常會遇到銑六方、齒輪、花鍵及刻線等工作。這時，就需要利用分度頭分度。因此，分度頭是萬能銑床上的重要附件。分度頭的作用：能使工件實現(xiàn)繞自身的軸線周期地轉動一定的角度（即進行分度）；利用分度頭主軸上的卡盤夾持工件，使被加工工件的軸線，相對于銑床工作臺在向上90°和向下10°的范圍內傾斜成需要的角度，以加工各種位置的溝槽、平面等（如銑圓錐齒輪）；與工作臺縱向進給運動配合，通過配換掛輪，能使工件連續(xù)轉動，以加工螺旋溝槽、斜齒輪等。萬能分度頭由于具有廣泛的用途，在單件小批量生產中應用較多。2)平口鉗平口鉗是一種通用夾具貝經常用其安裝小型工件。3）萬能銑頭在臥式銑床上裝上萬能銑頭，不僅能完成各種立銑的工作，而且還可根據(jù)銑削的需要，把銑頭主軸扳成任意角度。萬能銑頭的底座用螺栓固定在銑床的垂直導軌上。銑床主軸的運動通過銑頭內的兩對錐齒輪傳到銑頭主軸上。銑頭的殼體可繞銑床主軸軸線偏轉任意角度。銑頭主軸的殼體還能在銑頭殼體上偏轉任意角度。因此，銑頭主軸就能在空間偏轉成所需要的任意角度。4)回轉工作臺回轉工作臺又稱轉盤、平分盤、圓形工作臺等，它的內部有一套蝸輪蝸桿。

搖動手輪，通過蝸桿軸，就能直接帶動與轉臺相聯(lián)接的蝸輪轉動。

轉臺周圍有刻度，可用來觀察和確定轉臺位置。

擰緊固定螺釘，轉臺就固定不動。

轉臺中央有一孔，利用它可方便地確定工件的回轉中心。

3.3刨削加工3.3.1刨削概述(1)刨削加工在機械加工中的作用刨削加工是在刨床上利用刨刀（或工件）的直線往復運動進行切削加工的一種方法。刨刀或工件所作的直線往復運動是主運動，進給運動是工件或刀具沿垂直于主運動方向所作的間歇運動。在實際生產中，一般用于毛坯加工、單件小批生產、修配等。(2)刨削加工的范圍刨削加工主要用來加工各種平面、直線形（母線為直線）溝槽和直線形成形面等，如圖3.33所示。(3)刨床的種類刨床類機床主要有牛頭刨床、龍門刨床和插床3種類型。1)牛頭刨床牛頭刨床是刨削類機床中應用較廣的一種，如圖3.34所示。它適合刨削長度不超過1000mm的中小型零件。下面以B6065型牛頭刨床為例，介紹牛頭刨床的型號和組成。牛頭刨床由床身、滑枕、橫梁、工作臺及刀架等組成。①底座吊裝和安裝（支承和平衡)刨床。②床身安裝在底座上，主要用來支承和聯(lián)接各零部件。其頂面的水平導軌供滑枕作水平直線往復運動，側面導軌供帶動工作臺的橫梁升降運動。另外，床身內部還裝有控制滑枕速度和行程長度的變速機構和搖臂機構。③滑枕主要用來帶動刀架（或包彳刀）沿水平方向作直線往復運動，其運動快慢、行程長度、起始位置均可調整。④橫梁主要用來帶動工作臺作上下和左右進給運動，其內部有絲杠螺母副。⑤工作臺主要用來直接安裝工件或裝夾工件的夾具，臺面上有T形槽供安裝螺栓壓板和夾具用。⑥刀架主要用來夾持刀具，其結構如圖3.35所示。轉動刀架進給手柄，刀架可上下移動，以調整刨削深度或加工垂直面時作進給運動。松開轉盤上的螺母，將轉盤扳轉一定角度后，可使刀架作斜向進給，以加工斜面。滑板上裝有可偏轉的刀座，其上的抬刀板可使刨刀抬起，使刨刀在回程時充分抬起，防止劃傷已加工表面和減少摩擦阻力。2)龍門刨床和插床①龍門刨床

主要用于大型工件及大、中型工件的多件同時加工。加工時，工件安裝在工作臺上，工作臺沿床身導軌作往復直線運動。

刀具則根據(jù)加工要求，安裝在垂直刀架與側刀架上，分別沿橫梁和立柱作間歇進給運動。橫梁可以沿著兩個立柱垂直升降，以適應不同高度工件的加工。

龍門刨床工作臺的往復運動均采用直流電動機驅動，或者采用液壓傳動，可以無級變速，并且運動平穩(wěn)，操作方便。②插床又稱立式刨床，主要用于單件、小批生產中插削內鍵槽和多邊形孔等。加工時，插刀安裝在滑枕的刀架上，由滑枕帶動作直線往復運動（主運動）；工件安裝在工作臺上，可作縱向、橫向和圓周向的進給運動。3.3.2刨削加工刨削主要用于加工平面、溝槽和成形面。(1)刨平面1)刨水平面刨削水平面的順序如下：①正確安裝刀具和零件。②調整工作臺的高度，使刀尖輕微接觸零件表面。③調整滑枕的行程長度和起始位置。④根據(jù)零件材料、形狀、尺寸等要求，合理選擇切削用量。⑤試切，先用手動試切。進給1?1.5mm后停車，測量尺寸，根據(jù)測得結果調整背吃刀量，再自動進給進行刨削。⑥檢驗。零件刨削完工后，停車檢驗，尺寸和加工精度合格后即可卸下。2）刨垂直面和斜面刨垂直面的方法如圖3.38所示。此時采用偏刀，并使刀具的伸出長度大于整個刨削面的高度。刀架轉盤應對準零線，以使刨刀沿垂直方向移動。刀座必須偏轉10°?15°，以使刨刀在返回行程時離開零件表面，減少刀具的磨損，避免零件已加工表面被劃傷。刨垂直面和斜面的加工方法一般在不能或不便于進行水平面刨削時才使用。刨斜面與刨垂直面基本相同，只是刀架轉盤必須按零件所需加工的斜面扳轉一定角度，以使刨刀沿斜面方向移動。如圖3.9所示，采用偏刀或樣板刀，轉動刀架手柄進行進給，可刨削左側或右側斜面。(2)刨溝槽1)刨直槽用切刀以垂直進給完成，如圖3.40所示。2)刨V形槽其方法如圖3.41所示，先按刨平面的方法把V形槽粗刨出大致形狀如圖3.41(a)所示；然后用切刀刨V形槽底的直角槽，如圖3.41(b)所示;再按刨斜面的方法用偏刀刨V形槽的兩斜面，如圖3.41(c)所示;最后用樣板刀精刨至圖樣要求的尺寸精度和表面粗糙度，如圖3.41(d)所示。3)刨T形槽和刨燕尾槽應先在零件端面和上平面劃出加工線。刨燕尾槽的側面時，須用角度偏刀（見圖3.42)刀架轉盤要扳轉一定角度。

3.4磨削加工3.4.1磨削概述(1)磨削加工在機械加工中的地位和作用磨削加工是機械制造中最常用的加工方法之一。

它的應用范圍很廣，可磨削難以切削的各種高硬超硬材料:可磨削各種表面;可用于粗加工、精加工和超精加工。

磨削比較容易實現(xiàn)生產過程自動化，在工業(yè)發(fā)達國家，磨床已占機床總數(shù)的25%左右，個別行業(yè)可達到40%?50%。(2)磨削的加工范圍

磨削加工可磨削內外圓柱面、圓錐面、平面、齒輪、螺紋、花鍵以及復雜的成形表面，是零件精加工的主要方法。常見的磨削加工形式如圖所示。(3)磨床的種類常用的磨床有萬能外圓磨床、普通外圓磨床、內圓磨床、平面磨床、無心磨床、工具磨床、齒輪磨床及螺紋磨床等多種類型。下面介紹常見的幾種磨床。1)萬能外圓磨床

萬能外圓磨床的外形如圖所示。由床身、工作臺、頭架、尾架、砂輪架和內圓磨頭等部分組成。萬能外圓磨床上工作臺的直線往復運動，以及砂輪的自動徑向進給與快速自動后退和趨近等都采用液壓傳動，如圖3.45所示。

由液壓傳動系統(tǒng)控制的工作臺，沿床身上的導軌作縱向的直線往復運動?？v向行程長度通過調整擋塊的位置來控制。工件安裝在頭架頂尖和尾架頂尖之間，并由撥盤帶動旋轉。橫向送進是由砂輪架的橫向移動實現(xiàn)的，它可以液壓驅動，也可以手動。當一個工件加工完成時，砂輪架可由液壓傳動系統(tǒng)自動快速退回，以便裝卸工件。砂輪上附有內圓磨頭，翻下內圓磨頭可以磨削內孔。

圖示位置為工作臺向左運動，其進、回油路如下：

進油路：油池-油泵-轉閥-節(jié)流閥-換向閥-油缸右腔、工作臺向左移動。

回油路：油缸左腔-換向閥-油池。

當工作臺向左移至使固定在工作臺側面的行程擋塊與換向手柄相碰時，自右向左推動換向手柄移至虛線位置，并使換向閥中的活塞向左移至虛線位置。于是進、回油路換向，使工作臺向右返回。如此反復循環(huán)，從而實現(xiàn)了工作臺的縱向往復運動。

液壓傳動的優(yōu)點是傳動平衡、結構緊湊、操縱方便、能無級調速、并易于實現(xiàn)自動化。2)平面磨床主要用來磨削工件的平面，如圖3.46所示。3)內圓磨床主要用來磨削圓柱孔、圓錐孔、端面等，如圖3.47所示。4)無心磨床主要用來磨削大批量的細長軸及無中心孔的軸、套、銷等零件的外圓。它是高效率、高自動化的磨床。其原理是將工件放置在磨輪與導輪之間的托板上，磨輪與導輪同向轉動并帶動工件旋轉磨削外圓。導輪軸線的略微傾斜所產生的軸向分力使工件自動沿軸向移動進給，如圖3.48所示。3.4.2磨削加工

（1）外圓磨削

外圓磨削主要用于磨削外圓、錐面及端面等。常采用的磨削方法為縱磨法，如圖a所示。對于磨削粗短軸的外圓則常采用橫磨法，如圖b所示。（2）內圓磨削內圓磨削方法與外圓磨削相似，只是砂輪的旋轉方向與磨削外圓時相反，如圖3.50所示。操作方法以縱磨法應用最廣，且生產率較低，磨削質量較低。（3）平面磨削

平面磨削用于精加工各種零件的平面。平面磨床分為周磨和端磨兩類(如圖)。每一類又有矩形工作臺和圓形工作臺兩種形式。應用最廣泛的是矩形工作臺的周磨平面磨床。

平面磨床工作臺通常采用電磁吸盤來安裝工作，工作方便。3.5工藝過程的基本知識3.5.1生產過程與工藝過程(1)生產過程生產過程是指將原材料轉變?yōu)槌善返乃袆趧舆^程的總和。一臺產品的生產過程包括原材料、半成品、元器件、標準件、工具、工裝、設備的購置、運輸、檢驗、保管，專用工具、專用工裝、專用設備的設計與制造等生產準備工作和毛坯制造、零件加工、熱處理、表面處理、產品裝配與調試、性能試驗以及產品的包裝、發(fā)運等工作。(2）工藝過程生產過程中，直接改變生產對象的形狀、尺寸、相對位置和性能，使其成為成品或半成品的過程，稱為工藝過程。它可通過不同的工藝方法來完成，是生產過程的一部分。

因而工藝過程又可具體分為鑄造、鍛造、沖壓、焊接、機械加工、特種加工、熱處理、表面處理及裝配等工藝過程。用切削的方法逐步改變毛坯的形狀、尺寸和表面質量，使之成為合格的零件所進行的勞動過程，稱為機械加工工藝過程。在機械制造業(yè)中，機械加工工藝過程是最主要的工藝過程。

在機械加工工藝過程中，針對零件的結構特點和技術要求，要采用不同的加工方法和裝備，按照一定的順序進行加工，才能完成由毛坯到零件的過程。1)工序工序是指一個或一組工人，在一個工作地對同一個或同時幾個工件所連續(xù)完成的那一部分工藝過程。劃分工序的主要依據(jù)是工作地點是否改變和加工是否連續(xù)。這里的連續(xù)，是指工序內的工作需連續(xù)完成，不能插入其他工作內容或者階段性加工。

生產規(guī)模不同，加工條件不同，其工藝過程及工序的劃分也不同。如圖3.52所示的階梯軸，因不同的生產批量，就有不同的工藝過程及工序，見表3.5與表3.6。工序是組成工藝過程的基本單元，也是制訂生產計劃、進行經濟核算的基本單元。工序又可細分為安裝、工位、工步、走刀等組成部分。2)安裝安裝是指工件(或裝配單元)通過一次裝夾后所完成的那一部分工序。一道工序中，工件可能被安裝一次或多次。3）工位工位是指在一次裝夾中，工件在機床上所占的每個位置上所完成那一部分工序。

4)工步工步是指在加工表面（或裝配時的連續(xù)表面)不變、加工工具不變和切削用量不變的條件下，所連續(xù)完成的那部分工序。工步是構成工序的基本單元，一道工序包括一個或幾個工步。5）走刀走刀是指刀具相對工件加工表面進行一次切削所完成的那部分工作。每個工步可包括一次走刀或幾次走刀。3.5.2生產類型生產類型是指企業(yè)生產專業(yè)化程度的分類。人們按照產品的生產綱領、投人生產的批量，可將生產分為單件生產、批量生產和大量生產3種類型。(1)單件生產單個生產不同結構和尺寸的產品貝艮少重復甚至不重復，這種生產稱為單件生產。例如，新產品試制、維修車間的配件制造和重型機械制造等都屬此種生產類型。其特點是:生產的產品種類較多，而同一產品的產量很小，工作地點的加工對象經常改變。(2)大量生產同一產品的生產數(shù)量很大，大多數(shù)工作地點經常按一定節(jié)奏重復進行某一零件的某一工序的加工，這種生產稱為大量生產。例如，自行車制造和一些鏈條廠、軸承廠等專業(yè)化生產即屬此種生產類型。其特點是：同一產品的產量大，工作地點較少改變，加工過程重復。(3)批量生產一年中分批輪流制造幾種不同的產品，每種產品均有一定的數(shù)量，工作地點的加工對象周期性地重復，這種生產稱為成批生產。例如，一些通用機械廠、某些農業(yè)機械廠、陶瓷機械廠、造紙機械廠、煙草機械廠等的生產即屬這種生產類型。其特點是:產品的種類較少，有一定的生產數(shù)量，加工對象周期性地改變，加工過程周期性地重復。同一產品（或零件)每批投人生產的數(shù)量，稱為批量。根據(jù)批量的大小又可分為大批量生產、中批量生產和小批量生產。小批量生產的工藝特征接近單件生產，大批量生產的工藝特征接近大量生產。3.5.3機械加工工藝規(guī)程概述(1)機械加工工藝規(guī)程的概念機械加工工藝規(guī)程是將產品或零部件的制造工藝過程和操作方法按一定格式固定下來的技術文件。它是在具體生產條件下，本著最合理、最經濟的原則編制而成的，經審批后用來指導生產的法規(guī)彡性文件。機械加工工藝規(guī)程包括零件加工工藝流程、加工工序內容、切削用量、采用設備及工藝裝備、工時定額等。(2)機械加工工藝規(guī)程的類型根據(jù)原機械電子工業(yè)部指導性技術文件《工藝管理導則工藝規(guī)程設計》(JB/Z338.5)中規(guī)定，工藝規(guī)程的類型如下：1)專用工藝規(guī)程針對每一個產品和零件所設計的工藝規(guī)程。2)通用工藝規(guī)程①典型工藝規(guī)程為一組結構相似的零部件所設計的通用工藝規(guī)程。②成組工藝規(guī)程按成組技術原理將零件分類成組，針對每一組零件所設計的通用工藝規(guī)程。③標準工藝規(guī)程已納入國家標準或工廠標準的工藝規(guī)程。3.5.4工藝路線的擬訂工藝路線是指從毛坯制造開始經機械加工、熱處理、表面處理生產出產品、零件所經過的工藝流程。工藝路線是工藝規(guī)程的總體布局，它主要涉及零件表面加工方法的選擇、加工階段的劃分、加工工序數(shù)目的確定和工序的安與樣。(1)表面加工方法的選擇在選擇零件各表面的加工方法時，主要應從以下5個方面來考慮：1)零件的結構2)各種加工方法所能達到的經濟精度和表面粗糖度3)工件材料的性質4)工件的結構形狀和尺寸5)生產率和經濟性(2)加工階段的劃分零件的加工質量要求較高或結構較為復雜時，一般工藝路線較長，工序較多。從零件的整個機械加工工藝過程來看，可劃分為以下5個加工階段：1)粗加工階段2)半精加工階段3）精加工4)光整加工階段5)超精密加工階段(3)加工順序的安排要滿足零件圖樣的全部技術要求及生產的高效率和低成本，不僅要正確選擇定位基準和每個表面的加工方法，而且要合理地安排工序順序。這不僅指安排好機械加工間的順序，而且要合理地安排好機械加工與熱處理、表面處理及與輔助工序（如清洗、檢驗等）間的工序順序。1)機械加工順序的安排①基面先行；

②先主后次；③先粗后精；

④先面后孔。2)熱處理工序的安排熱處理工序在工藝過程中的安排是否恰當，是影響零件加工質量和材料使用性能的重要因素。熱處理的方法、次數(shù)和在工藝過程中的位置應根據(jù)材料和熱處理的目的而定。3)檢驗工序的安排檢驗工序是輔助工序中最重要的工序，為了確保零件的加工質量，在工藝過程中合理地安排檢驗工序是非常必要的。一般在重要工序的前后、零件送往另一個車間之前、各加工階段之間及工藝過程的最終都應安排檢驗工序，以保證加工質量。零件的清洗工序一般安排在最終檢驗工序之前。第4章平面機構的結構分析組成機構的目的是為了使機構按照預定的要求進行有規(guī)律的運動而不能亂動，也就是說機構要有確定的運動。為此，要分析機構的自由度和具有確定運動的條件。這個問題對設計新機械、擬訂運動方案或認識和分析現(xiàn)有機械都是非常重要的。實際機械的外形和結構往往比較復雜，為便于分析研究，常常需要用簡單線條和符號繪制出機構的運動簡圖，作為機械設計的一種工程語。所謂平面機構，是指組成機構的所有構件均在同一平面或相互平行的平面內運動的機構;否則，則稱為空間機構。迄今工程中常用的機構大多屬于平面機構。本章只討論平面機構。4.1平面機構的組成4.1.1運動副及其分類

機構是由若干個構件組成的。構件是機器中獨立的運動單元體，零件是機器中加工制造的單元體，一個構件可以是一個零件，也可以是由若干個零件剛性聯(lián)接在一起的一個獨立運動的整體。

兩個構件直接接觸而又能產生一定形式的相對運動的聯(lián)接，稱為運動副。兩構件接觸不外乎點、線、面3種方式。通常把面接觸的運動副，稱為低副;把點、線接觸的運動副，稱為高副。(1)低副按兩構件的相對運動情況來分類，常用的低副如下：1)移動副兩構件接觸處只允許作相對移動，如圖4.1(a)所示。2)回轉副兩構件接觸處只允許作相對轉動，如圖4.1(b)、（c)所示。

如圖4.1(a)所示為移動副及其運動簡圖符號;如圖4.1(b)、（c)所示為回轉副及其運動簡圖符號，回轉副有時也稱鉸鏈。(2)高副高副最常見的形式有以下兩種:如圖4.2(a)所示的凸輪與從動件之間的聯(lián)接是點接觸;如圖4.2(b)所示的齒輪之間的聯(lián)接是線接觸。通常也相應稱為凸輪副和齒輪副。以上運動副中，各構件的相對運動均在同一平面或相互平行的平面內運動，故又稱平面運動副。4.1.2運動鏈運動鏈是兩個構件或兩個以上的構件通過運動副聯(lián)接而成的相對可動的系統(tǒng)。運動鏈可以是首末封閉的閉鏈，如圖4.3(a)、（b)所示;也可以是未封閉的開鏈，如圖4.3(c)所示。一般機構都是閉鏈。在運動鏈中，將其中一個構件固定作為機架，其余各構件相對機架有確定運動的運動鏈，稱為機構。機構中按給定運動規(guī)律獨立運動的構件，稱為原動件;其余活動構件，稱為從動件。

從動件的運動規(guī)律取決于原動件的運動規(guī)律和機構的結構及尺寸。4.2機構運動簡圖4.2.1機構運動簡圖機構是由若干構件通過若干運動副組合在一起的。在研究機構運動時，為了便于分析，常常撇開它們因強度等原因形成的復雜外形及具體構造，僅用簡單的符號和線條表示，并按一定的比例定出各運動副及構件的位置。這種簡明表示機構各構件之間相對運動關系的圖形，稱為機構運動簡圖。4.2.2機構運動簡圖繪制(1)繪制機構運動簡圖的一般步驟①分析機構的組成和運動情況，找出機架、原動件與從動件。②從原動件開始，沿運動的傳遞順序，分析構件間的相對運動性質，確定構件、運動副的類型和數(shù)目。③合理選擇視圖，通常選擇平行于構件運動的平面作為視圖平面。④選擇適當?shù)拈L度比例尺μ(m/mm)，定出各運動副之間的相對位置，用構件和運動副的規(guī)定符號繪制機構運動簡圖，即(2)常用運動副的符號常用運動副的符號見表4.1。

(3)構件的表示構件的表示見圖4.4。例4.1試繪制如圖4.5(a)所示抽水唧筒的機構運動簡圖。4.3平面機構自由度的計算4.3.1自由度和運動副約束對于一個作平面運動的構件而言，僅有3個獨立運動的參數(shù)，即沿x軸、y軸的移動和繞垂直于xoy平面的軸的轉動，如圖4.6所示。人們把構件相對于參考系所具有的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，稱為構件的自由度。一個作平面運動的自由構件具有3個獨立運動的數(shù)目，即具有3個自由度。兩個構件通過運動副連接以后，相對運動受到限制。運動副對兩構件間的相對運動所加的限制，稱為約束。引入1個約束將減少1個自由度，運動副所引入的約束的數(shù)目與其類型有關。低副引入兩個約束，減少兩個自由度。每個高副引入一個約束，使構件失去一個自由度。4.3.2平面機構自由度計算公式機構的自由度是機構所具有的獨立運動的數(shù)目，設一個平面機構包含N個構件，其中1個構件為機架，則有n=N-1個活動構件。由于1個活動構件有3個自由度，在未用運動副連接之前，這些活動構件的自由度總數(shù)應為3n。當用運動副連接之后，各構件具有的自由度數(shù)減少。設有PL個低副和PH個高副，則機構中全部運動副引入的約束總數(shù)為2PL+PH。因此，活動構件的自由度總數(shù)減去運動副引入的約束總數(shù)就是該機構的自由度，以F表示，即F=3n–2PL–PH例4.2試計算如圖4.7所示機構的自由度。當運動鏈自由度大于0時，如果原動件數(shù)少于自由度數(shù)，那么，運動鏈就會出現(xiàn)運動不確定現(xiàn)象，不能成為機構。如果原動件數(shù)大于自由度數(shù)，則運動鏈中最薄弱的構件或運動副可能被破壞，也不能成為機構。例4.4計算如圖4.9所示牛頭刨床中驅動滑枕機構的自由度。4.3.3機構具有確定運動的條件大多數(shù)機構都只有一個自由度，對于這樣的機構，只要使其某一個構件按給定的運動規(guī)律運動，機構的運動便完全確定了，即只需要一個主動件。而對于具有兩個自由度的機構，要使其具有完全確定的運動，就必須同時給定機構兩個獨立的運動規(guī)律，即需要兩個主動件，以此類推。因此，機構具有確定的相對運動的條件是:輸入的給定運動規(guī)律的主動件數(shù)W應等于機構自由度數(shù)F即W=F式(4.2)用于判斷、檢驗或確定機構所需的主動件個數(shù)。4.3.4計算平面機構自由度時應注意的特殊情況在利用式(4.1)計算機構自由度時，不能忽視下面3種特殊情況，否則將得不到正確的結果。這些特殊情況是：(1)復合鉸鏈兩個以上的構件在同一處以回轉副相聯(lián)就形成復臺鉸鏈。如圖4.10所示為3個構件在A點形成的復合鉸鏈，由其俯視圖可知，這3個構件共形成兩個回轉副。以此類推，k個構件形成的復合鉸鏈應具有(k-1)個回轉副。統(tǒng)計回轉副數(shù)目時，應注意這一情況，以免遺漏。

(2)局部自由度局部自由度是指不影響機構其他構件的運動的局部運動自由度。在計算機構自由度時，必須將局部自由度除去。如圖4.11所示凸輪機構，初看起來．機構自由度F=3n-2PL-PH＝3×3-2×3-1=2。但實際上該機構的自由度為1，亦即我們只要給凸輪1以確定的轉動，從動件2的往復移動規(guī)律就是完全確定的。(3)虛約束

虛約束是指機構中某些對機構運動無約束作用的約束。工程中，往往為了改善機構或構件的受力情況或滿足其他一些工作需要而使用虛約束，但不影響機構運動。因此，計算機構自由度時，應正確判斷并加以去。平面機構的虛約束常出現(xiàn)在以下場合：①兩個構件組成多個軸線重合的轉動副或組成多個方向一致的移動副時，只需考慮其中一處約束，其余各處帶入的均為虛約束。圖4.12表示回轉構件1的軸在固定件2的兩個軸承中轉動。這兩個回轉副只起一個回轉副的約束作用，因為一個軸承就足以使軸1繞軸線a-a轉動。引入另一軸承是為了改善軸和軸承的受力情況。因此，計算自由度時應只算作一個回轉副。值得注意的是，必須滿足一定的幾何條件:左右兩軸承必須共軸線，兩個運動副才算是完全相同的重復約束，其中一個才可作為虛約束而除去不計。②機構運動時，兩構件上兩點間的距離始終保持不變，如果將此兩點用構件和運動副連接，則會帶進虛約束。在如圖4.13所示的平行四邊形機構中，連桿2始終與機架4保持平行并作平移運動。③機構中對運動不起作用的對稱部分引入的約束。如圖4.14所示，中心齒輪1通過兩個對稱布置的小齒輪2和3驅動內齒輪4?？傊瑱C構中的虛約束是在一些特定幾何條件下出現(xiàn)的。為保證實現(xiàn)這些幾何條件，對制造和裝配提出了必要的精度要求。若這些幾何條件不能滿足，則引入的虛約束就是真約束，“機構”將不能運動。使用虛約束時，必須注意這一點。在沒有必要時，應少用虛約束。

第5章平面連桿機構平面連桿機構由若干個剛性構件用低副連接而成，且各構件均在同一平面或互相平行的平面內運動，又稱平面低副機構。

低副連接使構件間接觸面上的壓強小、磨損輕、易潤滑;另外，兩構件接觸表面都是圓柱面或平面，制造比較簡單，因此，平面連桿機構在各種機械及儀器設備中獲得廣泛應用。

其缺點是：由于低副中存在間隙較大，運動時產生較大的累積誤差，所以不容易精確實現(xiàn)復雜的運動規(guī)律，且構件運動時所產生的慣性力也難以平衡。

因此，常用于速度較低的運動場合。平面連桿機構中最常見的是由4個構件組成的平面四桿機構。

在平面四桿機構中，鉸鏈四桿機構是最基礎的形式，其他各種平面連桿機構都可以由它演化而來。因此，本章主要討論平面連桿機構的類型、特點、應用、結構及常用的設計方法。5.1鉸鏈四桿機構的類型及其演化所有運動副都是轉動副的平面四桿機構，稱為鉸鏈四桿機構，如圖5.1所示。固定不動的構件4稱為機架，與機架相連的構件1、3稱為連架桿，連架桿中能夠繞機架作整周運動的構件1稱為曲柄，只能在某一范圍內繞機架作往復擺動的構件3稱為搖桿，與兩連架桿連接的構件2稱為連桿，連桿作復雜的平面運動。5.1.1鉸鏈四桿機構的類型在鉸鏈四桿機構中，可根據(jù)兩連架桿是曲柄還是搖桿將其分為3種基本類型：曲柄搖桿機構、雙曲柄機構和雙搖桿機構。(1)曲柄搖桿機構如圖5.2(a)所示的鉸鏈四桿機構中，構件1為曲柄，可繞固定鉸鏈4做整周轉動，桿3為搖桿，只能繞固定鉸鏈D作往復搖動，故稱其為曲柄搖桿機構。在曲柄搖桿機構中，若取曲柄為原動件，可將曲柄的連續(xù)轉動轉變成搖桿的往復擺動。如圖5.3所示的雷達天線俯仰角調整機構；圖5.所示的汽車刮雨器機構等。

在曲柄搖桿機構中若以搖桿為主件，則可將搖桿的往復擺動轉變?yōu)榍倪B接轉動。如圖所示的縫紉機踏板機構等。(2)雙曲柄機構在鉸鏈四桿機構中，如果兩個連架桿都能繞機架作整周運動，則稱為雙曲柄機構，如圖5.2(c)所示。在雙曲柄機構中，主動曲柄一般作等速轉動，從動曲柄作變速轉動。如圖5.6所示的慣性篩子機構，當主動曲柄等速回轉一周時，從動曲柄變速回轉一周，從而使篩子具有較大變化的加速度，篩子中的物料由于慣性作用而被篩選。在雙曲柄機構中，若其相對兩桿平行且相等，則稱為正平行四邊形機構，如圖5.7所示。如圖5.8所示的機車車輪聯(lián)動機構，即是利用正平行四邊形機構來傳遞運動和動力的。這種機構運動時兩曲柄轉向相同，角速度相等，連桿作平移運動。如圖5.9所示的攝影平臺；5.10所示的鏟斗機構

在雙曲柄機構中，若其對邊相等而不平行時，則成為反平行四邊形機構。如圖所示的車門機構，運動時主、從動曲柄作反向轉動，使兩扇車門同時敞開或關閉。（3）雙搖桿機構

若以和最短桿相對的構件為機架(如圖所示)，則因兩連架桿均為搖桿，則稱其為雙搖桿機構。

如圖所示的鶴式起重機即為雙搖桿機構的應用例子，當搖桿AB擺動時，另一搖桿CD隨之擺動，使懸掛在E點上的重物在近似的水平直線上運動，避免重物平移時因不必要的升降而消耗能量。5.1.2鉸鏈四桿機構類型的判斷鉸鏈四桿機構3種類型的判別取決于連架桿是否為曲柄及曲柄的數(shù)目。在圖5.13所示的鉸鏈四桿機構中，設機構中各桿長度為a、b、c、d，取AD為機架，AB、CD為連架桿，欲使AB為曲柄，則必須使曲柄AB的B點能順利通過AB1、AB2兩個極端位置。當B點運動到B1極端位置時，機構形成了三角形當B點運動到B1極端位置時，機構形成了三角形AC2D。由三角形三邊關系可知：

并且a＜b，a＜c，a＜d即鉸鏈四桿機構中，存在曲柄時必要的桿長條件為：最短桿與最長桿長度之和小于或等于其它兩桿長度之和。但這只是必要條件，機構中是否一定存在曲柄，還要看哪個構件為機架，若以最短桿AB為連架桿，則AB為曲柄，另一連架桿CD為搖桿，該機構為曲柄搖桿機構，如圖5.2（a）（b）所示；若取最短桿AB為機架，則兩連架桿BC和AD都能相對機架作整周轉動，該機構為雙曲柄機構，如圖5.2（c）所示；若取最短桿AB相對的CD桿為機架，則兩連架桿BC和AD相對機架CD都只能在一定角度內擺動，該機構為雙搖桿機構，如圖5.2（d）所示。由此可得，鉸鏈四桿機構存在曲柄的充分條件如下：①最短桿與最長桿之和小于或等于另外兩桿長度之和；②最短桿為機架或連架桿。鉸鏈四桿機構中，若最短桿與最長桿長度之和大于其余兩桿長度之和，則不論取哪個構件為機架，均無曲柄存在，只能得雙搖桿機構。5.1.3鉸鏈四桿機構的演化

（1）

曲柄滑塊機構在實際機械中，除了鉸鏈四桿機構以外，還廣泛地采用著其他形式的平面四桿機構，這些平面四桿機構都可看作由鉸鏈四桿機構演化而來的。

曲柄轉動中心距導路之間的距離e稱為偏距。若e≠0，稱為偏置式曲柄滑塊機構，如圖5.14(b)所示；若e=0，如圖5.14（c）所示，稱為對心式曲柄滑塊機構。

曲柄滑塊機構廣泛地應用于往復式機械中，如活塞式內燃機、沖床等。如圖5.15所示為曲柄滑塊機構在沖床中的應用。（2）導桿機構導桿機構可以看成是改變曲柄滑塊機構中的固定構件演化而來的，如圖5.16（a）所示的曲柄滑塊機構中，以桿1為機架時，即得圖5.16（b）所示的導桿機構，在機構中與滑塊作相對移動的構件4稱為導桿。當L1≤L2時，導桿4能作整周轉動，稱為轉動導桿機構，圖5.17所示的小型刨床機構簡圖中，采用的就是轉動導桿機構。同樣以桿1為機架，當A>4時，導桿4只能在一定角度內擺動，稱為擺動導桿機構。如圖5.18所示為擺動導桿機構在牛頭刨床中的應用。（3）搖塊機構

若改取圖a所示曲柄滑塊機構的機架為桿2，即得圖c所示的搖塊機構。

一般取桿1和桿4為原動件，當桿1作轉動和擺動時，桿4相對桿3滑動，并一起繞C點擺動，桿3即為搖塊。這種機構廣泛應用于液壓驅動裝置、擺缸式內燃機等機械中。

圖示的卡車車廂自動翻轉卸料機構就是搖塊機構的應用例子。(4)定塊機構

若再將圖a中的機架改取為3，即得圖d所示的定塊機構了。

這種機構一般取桿1為原動件，使桿2繞c點往復擺動，而桿4僅相對桿3作往復移動。桿3為定塊。這種機構用于抽水泵和抽油泵中。如圖5.20所示是定塊機構在手壓唧水機中的應用。

除此之外，通過改變構件的形狀和相對尺寸還可以演化出一些其它形式的四桿機構。

例如圖a所示為一曲柄滑塊機構，當因結構需要使曲柄尺寸過小而不便加工，或因運動要求需加大曲柄的重量以增大慣性力時，則將回轉副B同心放大至將A也包括在內，使圖a中的桿1放大成圖b中的圓盤1，圓盤1的幾何中心為B，轉動中心則為偏心A，故稱圓盤1為偏心輪。該機構則稱為偏心輪機構。

當偏心輪1轉動時，通過桿2使滑塊3往復移動。偏心輪中A點和B點的距離稱為偏心距e，它與原曲柄長度相等，其它各桿長也都相等，故圖a和圖b兩機構為等效機構。

同理，圖c所示曲柄搖桿機構與圖d所示的偏心輪機構同樣等效。

偏心輪機構廣泛應用于剪床、沖床、顎式破碎機等機械中。

綜上所述，雖然不同形式的四桿機構，各有其不同特點，卻有其規(guī)律性的內在聯(lián)系，都可以認為是由曲柄搖桿機構演化而來的。4．雙滑塊機構

雙滑塊機構則是含有兩個移動副的四桿機構，它也是由曲柄滑塊機構演化來的。

如在圖a所示的曲柄滑塊機構中，由于鉸鏈B相對于鉸鏈C運動的軌跡為圓弧aa，所以若將連桿2作成滑塊形式并使之沿圓弧導軌aa運動(如圖b所示)，顯然其運動性質并未發(fā)生變化，若再將圖a中桿2的長度增至無限長，則圓弧導軌aa將成為直線，于是該機構將演化成圖c所示的雙滑塊機構。5.2平面四桿機構的基本特性

5.2.1急回特性

在如圖5.22所示的曲柄搖桿機構中，曲柄作整周轉動，當其處于兩個極限位置時（即AB運動到AB1、AB2時），搖桿3分別處于C1D和C2D兩個極限位置，其夾角ψ稱為搖桿3的擺角；曲柄1相應的兩個位置AB1和AB2之間所夾的銳角θ稱為極位夾角。如圖5.22所示，曲柄AB沿順時針方向由AB1轉過φ1=180°+θ到達位置