工件表面与成形优化技巧

图2.1为机械零件上常用的表面。组成机械零件的常用表面有平面、圆柱面、圆锥面、成形表面（例如螺纹表面、齿轮渐开线齿形表面等），此外，还有球面、圆环面、双曲面等。

这些表面的几何本质是由一条线（称为母线）沿着另一条线（称为导线）相对运动而形成的轨迹。图2.2中，（a）为平面，由直线1（母线）沿着直线2（导线）运动而形成；（b）、（c）为圆柱面和圆锥面，由直线1（母线）沿着圆2（导线）运动而形成；（d）为圆柱螺纹的螺旋面，由该螺纹轴向剖面中的“∧”截形线1（母线）沿着螺旋线2（导线）运动而形成；（e）为直齿圆柱齿轮的渐开线柱面，由渐开线1（母线）沿直线2（导线）运动而形成。

图2.1　机械零件上常用的表面

图2.2　零件表面的形成

由图2.2可以看出，有些表面的母线和导线可以互换，如平面、圆柱面和直齿圆柱齿轮的渐开线柱面等，这些表面称为可逆表面；而另一些表面，其母线和导线不可互换，如圆锥面、螺旋面等，称为不可逆表面。很明显，可逆表面的加工方法要比不可逆表面的加工方法多。

母线和导线统称为发生线。有些表面的两条发生线完全相同，但母线的原始位置不同，也可形成不同的表面。如图2.3所示，母线均为直线1，导线均为圆2，轴线均为O—O，所需的运动也相同，但因母线1相对于旋转轴线O—O的原始位置不同，因此，所产生的表面也就不同，它们分别为圆柱面、圆锥面和双曲面。

在机床上加工零件表面的过程中，工件、刀具之一或两者同时按一定的规律运动，就可形成所需的发生线，进而生成所要求的表面。形成发生线的方法有以下4种。

图2.3　母线原始位置变化时形成的不同表面

（1）成形法

成形法是利用成形刀具对工件进行加工的方法，如图2.4（a）所示。刀刃为切削线1，它的形状与需要形成的发生线完全重合，故形成发生线不需要专门的运动，而由刀刃本身来实现。考虑到工件宽度存在误差，所以成形刀刃应比发生线长。

图2.4　形成发生线所需的运动(www.xing528.com)

（2）轨迹法

采用轨迹法加工时，如图2.4（b）所示，刀具切削刃与工件被加工表面为点接触，此接触点1按一定的规律作直线运动A1或曲线运动A2，形成所需的发生线2，故用轨迹法形成发生线需要一个独立运动。

（3）相切法

如图2.4（c）所示，用砂轮、铣刀等旋转类刀具加工时，刀具圆周上有多个切削点1依次与工件表面相接触，除旋转运动外，刀具（或砂轮）中心还要沿某一轨迹3运动，刀具上多个切削点在运动过程中共同形成了发生线2，故用相切法得到发生线需要两个成形运动。

（4）展成法

展成法是利用工件和刀具作展成切削运动的方法，如图2.4（d）所示，刀具切削刃为切削线1，可以是直线（齿条刀）或曲线（插齿刀），它与需要形成的发生线2的形状完全不同。切削线1与发生线2作无滑动的纯滚动，发生线2即是切削线1的一系列连续运动位置的包络线。在形成发生线2的过程中，或者仅由切削刃1沿着由它生成的发生线2滚动，或者切削刃1（刀具）和发生线2（工件）共同完成复合的纯滚动，这种运动称为展成运动。用展成法形成发生线的典型例子是渐开线。形成渐开线时，工件的旋转与刀具的旋转（或移动）必须保持严格的运动协调关系，才能形成正确的发生线（渐开线）。因此，用展成法形成发生线需要两个相互联系的运动，这两个运动组成了一个复合的展成运动。

要获得所需工件的表面形状，必须使刀具和工件按上述方法完成一定的运动，称为表面成形运动。表面成形运动中最常见的是直线运动和旋转运动，如图2.5所示，用外圆车刀车削外圆柱面，工件旋转运动B1相当于产生了圆周母线，车刀的纵向直线移动A2则产生了导线（直线）。故外圆柱面是由两个表面成形运动B1和A2实现的。当使用牛头刨床刨削平面时，如图2.6所示，滑枕带着刨刀的直线往复运动产生直母线；工作台带着工件作间隙的直线移动产生导线。

图2.5　车削外圆柱面的成形运动

图2.6　刨削平面的成形运动

图2.7（a）为用成形车刀车削回转体表面的情况，其母线由直线段与曲线段组合形成，这条组合线轮廓由成形车刀刀刃提供，不需要成形运动；导线由圆周运动B1形成。图2.7（b）为用螺纹车刀车削螺纹，其母线是由与螺纹轴向剖面形状一致的螺纹车刀的刃形本身提供；其导线为一阿基米德螺旋线，用轨迹法形成。工件的旋转运动B11和刀尖的直线运动A12按严格的运动关系复合而成，故车削螺纹为复合的成形运动。

图2.7　常见典型表面的成形运动

某些零件（如螺旋桨）的表面形状十分复杂，加工时的表面成形运动也十分复杂，可分解成更多的简单或复合的成形运动。