车床

车床，是机床的一种，将工件固定在主轴上高速旋转，以进给运动中的刀具加工。

车床是由电力驱动马达，经皮带及齿轮等传动系统使主轴转动，带动主轴夹头上之工件旋转，再利用固定于刀架上之车刀进行车削之机床，主要加工工件为圆型杆件，切削工作有车端面、内外直径、圆弧、锥度、钻孔、搪孔、偏心、压花、切断、切槽、车螺牙。一般车床配备各种专用刀具，可完成内外圆加工、钻孔、车螺纹、切断车槽、端面加工、车外圆、钻中心孔、车孔，铰孔、车圆锥、车成形面、滚花、盘绕弹簧等加工程序。

## 历史

车床是一种古老的工具，其雏型可追溯至古埃及。1797年，英国人亨利·莫兹利发明了近代所认知的车床。

## 构造

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以下以卧式普通车床为例介绍。

### 头座

头座（Head stock）：包含有传导机构与莫氏锥度之中空主轴组成。主轴后段装置齿轮，与传导机构之塔轮或齿轮连接，带动主轴运转。主轴前段可装置夹头、面盘等夹具夹持工件。

### 主轴变速箱

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- H1：机油量观察窗
- H2：中级齿轮杆
- H3：主轴高低速变换杆
- H4：主轴（Main Spindle）
- H5：不倒翁齿轮-前进/后退，啮合/脱开
- H6：变速箱，图中为八段变速
- H7：导螺杆（或称丝杠）（Ball Screw）
- H8：进给杆（或称光杠）（Feed Rod）
- H9：刀架移动开关
- H10：挂轮护盖

主电动机经过包含 H2、H3 在内的传动链带动主轴 H4 旋转，主轴再经由 H5、H6 控制下带动 H7 或 H8，实现主轴旋转与刀架进给的联动。

H7 称为丝杠、H8 称为光杠，皆因其螺纹（螺丝）与光滑表面而得名。

H9 是一个四向五位（即可在十字形的轨迹上扳动）的手柄，上下扳动可以更改光杠旋转方向，中间位置切断来自主轴的传动链、停止光杠转动并防止运动干涉，再左右扳动则接通快速进给电动机实施快速走刀。也有车床的该手柄只能上下扳动（两向三位）、快速走刀是装在溜板箱上的单独手柄。

如果变速箱内置的档位无法满足加工要求，可打开 H10 盖子、将特定齿数的齿轮挂装在轴上，扳动手柄选择挂轮即可按照挂轮所设定的传动比走刀。

### 床台

床台（Lathes bed）：有两条精度很高的V形导轨和矩形导轨，其导轨一般都经过高频硬化处理制成。导轨分两部分，以引导刀座（Carriage）与尾座（Tail stock）移动。床台下方装置一导螺杆，其螺杆会配合主轴之转速，可配合刀座部分的自动进刀机构进行车螺纹、工件滚纹（或称压花）之工作。

床台的断面形状，依制造工厂有不同设计样式，大致分为英式和美式两种。

英式床台和美式床台比较

英式床台｜美式床台

- 因为床身的面宽，磨耗比较少。｜1. 走刀架是用宽的滑动面支持能比较做的薄。

- 因为接触面少，移动刀架不费力。｜2. 有凸起的轨道能正确引导走刀架。

- 走刀架薄，走刀架上的滑动力变大。｜3. 切屑能少掉到床面上。

- 因为床身面宽，加在单位面积的压力小，压出的油也少。｜4. 能少在床面上放置工具及车刀。

- 由于面平注油不易流掉。｜5. 尾轴架能正确地向主轴线引导。

### 溜板箱与刀座

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溜板箱架在床身上，侧面垂下部分装有传动机构以从丝杠与光杠接受运动，带动上方承装的刀架进刀切削。

刀座（或称刀架，Carriage）：包含复式刀座与自动进刀机构等。复式刀座可操作横向进刀与纵向进刀。一般而言，车床纵向进刀由溜板箱上的大手轮（进刀手轮）操作、横向进刀由刀座上的手轮操作。自动进刀机构进行车螺纹、工件滚纹的原理系利用车床上工件作一等速运转，配合刀座之刀具以等速直线移动的方式进行车削。

- 1: 方形刀架
- 2: 复式刀架上座
- 2a: 复式刀架进刀手轮
- 2b: 分度盘
- 3: 横向滑板
- 3a: 对侧支架
- 3b: 横向进刀手轮
- 4: 床鞍（Saddle）
- 5: 裙床（或称溜板箱）（Apron）
- 5a: 纵向进刀手轮（Handwheel）
- 5b: 螺纹 / 光滑面切削控制杆
- 5c: 纵横进刀控制杆

1 上夹持有车刀。有些车床的该部件可同时夹持四把车刀，用每次旋转90°的手柄选择一把车刀进行加工，省去频繁换刀的麻烦。

2 可以在2b上旋转，使横向进刀变为斜向进刀，用于加工斜面。

当5b扳到螺纹档位时，溜板箱内两个半螺母扣在丝杠上，同时光杠上滑移齿轮到床身齿条的传动链断开，刀架由丝杠带动进行螺纹的车削；反之由光杠配合床身齿条带动进行外圆切削。

5c控制2或3是否与光杠联动，即是否自动进刀。

### 尾座

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尾座（Tail stock）：位于床台的右侧位置。尾座的轴孔为莫氏锥度，可装置钻头、绞孔刀与螺丝攻进行内孔加工之工作。亦可配合工件长度的需要，在导轨（Ways）上移动尾座；此时尾座可装置顶心顶住夹头所夹持之工件，避免夹头所夹持之工件过长而不易夹持。

- T1：尾座手轮（Handwheel）
- T2：减速齿轮箱（可选）
- T3：身体
- T4：可调底座
- T5：顶心（Taper）
- T6：锁定杆

### 床座

床座包含床台（床轨）及基座（床架），下部为基座；上部为床台。

## 附件

由于工作上的需要，设有许多的附件。

### 夹头（Lathe chuck）

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夹头是机床上用来夹持工件的机械装置。

### 花盘（Face plate）

花盘又称面盘，是一台车床的基本夹具附件，用于木材或金属车削车床。它是一个圆形金属（通常是铸铁）板。面盘上有很多放射状或不规则平行的细长沟，用于装置较大或不规则形状工作物之搪孔工作、钻孔工作、用其他方法无法夹持加工之工作物。

### 顶心（顶尖、顶针）、牵转具（夹头、卡箍）

（Lathe Center）顶心用来支撑工作物的，装在主轴端称活顶心又称前顶尖，装在尾座称为死顶心又称后顶尖。

牵转具，中空部位可用以夹持工作物。

- 心形牵转具又称为鸡心夹头，通常用来夹持圆形的工作物。
- 夹子形牵转具：夹子形牵转具通常用来夹持方形之工作物。

### 驱动盘（Driven Disc）

驱动盘，安装于车床主轴上，当其回转时，使夹持于两顶心间之工作物旋转，以便进行车削加工。

### 筒夹（Collet chuck）

筒夹是一种零件，它主要负责把小直径的工作物夹紧于主轴端。主要用于六角车床及自动车床。

### 中心架（Steady Rest）

避免工作物产生挠曲现象，用来支撑细长工作物，装设在刀具座上并随之移动的稳定扶架。

### 角板（Angle plate）

使用于工作物不能直接安装于面盘上的一种辅助工具。

### V槽块（V夹块）

用来订定工作物中心位置。

### 车刀（Turnig Tool）

用于加工，工作物外表。

## 车削加工

车削是一种加工工艺，主要通过刀具的直线或曲线运动，将装夹在车床主轴端面上旋转的工件切削加工成合格的零件。

车削圆锥时，如采用转动小拖板法，不受锥度大小的限制，但不能加工较长的圆锥。

车削的特点有：加工平稳，易于保证工件表面位置精度；生产率高；生产成本低；所用刀具简单；应用范围广。

### 硬车技术（Hard turning）

- 硬车削用于加工高硬度工件。
- 硬车削加工质量好，可以部分替代磨削。
- 刀具使用立方氮化硼（CBN）、陶瓷等材料。
- 大多数情况下，硬车削不使用冷却液。

### 切削液

切削液是金属切削加工效率及车刀寿命的重要配套材料。

### 辊纹

辊纹，（又称滚花、滚纹、压花），为机件表面增加摩擦力或便于持握而特别制成凹凸纹路，这些花纹一般是在车床上用滚花刀滚压挤件使其表面产生花纹。

辊纹对车床来说是损耗极大的工作，应以低转速来操作。辊纹部位离夹头 50 厘米以上时，应以尾座台顶工作物中心，将工作物支撑牢固。

## 转动切削参数

切削参数要考虑基本的转折过程是：

- 选择最合适的类型的工具
- 夹紧系统
- 切削速度（V c）在米/分钟
- 外径车削
- 每分钟转数（RPM）车床主轴
- 切削深度
- 剪切
- 类型的车床及配件适合

### 切削速度

切削速度快慢，取决于很多因素，特别是质量和类型的工具使用，切削深度，硬度和可加工的材料有被加工进给速度和使用。主要限制了机器的速度原因是它的范围、主轴马达功率和刚性固定的工件和刀具。

公式：

$$V_c \left ( \mathrm {m \over min} \right)\ =\ \frac{n\ \mathrm{(min^{-1})}\ \times\ \pi \times\ \mathrm{D_c (mm)}}{1000 \left ( {mm \over m} \right) }$$

其中 Vc 是切削速度，n 是机床的每分钟转数，Dc 是工件的直径。

过度的切削速度可导致：

- 工具快速磨损。
- 工作物的品质降低。

切削速度过低会导致：

- 影响排屑，刃尖容易产生积屑。
- 低效率。
- 加工成本变高。

### 旋转速度的工件

在传统的车床有一个有限的范围内的速度，取决于速度的主要引擎和变速齿轮箱。在数位车床，这个速度与控制系统的反馈，通常采用可变频率和速度，可以选择任何一个范围内的速度高达全速。

刀具的旋转速度与切削速度成正比，与刀具的直径成反比。

$$n\ (min^{-1})= {V_c \left ({m \over min} \right )*1000 \left ({mm \over m} \right ) \over \pi * D_c (mm)}$$

## 种类

由于工业的发达使得实际工作需求日益增进下，为适应各种加工产品及近代自动化加工潮流势，以符合生产需要，发展多种不同功能与特性：

### 普通车床（Centre lathe）

普通车床，为目前使用最广泛的车床种类。早期的普通车床传动是借由皮带传导的塔轮变速，现今已改用齿轮变速箱传动。齿轮变速箱的优点为可精确掌握主轴之转速，且无主轴转速过高，皮带摩擦消耗、滑动之情形，因为其主轴是水平放置，所以又名卧式车床。若床面为凹口者，则为凹口车床（Gap lathe）。

### 桌上车床（Bench lathe）

桌上型车床又称台式车床，其型式及构造类似普通车床，通常安装于工作桌上使用而得名，适用于生产精密量具、仪器及小零件之生产。

### 立式车床（Vertical Lathe）

立式车床的主轴为垂直安装，床台则成水平方向，工件置于可旋转的床台上。特别适于加工直径大，但长度短之工件。

### 六角车床（Turret lathe）

六角车床又称转塔车床，以六角形旋转刀塔取代普通车床之尾座而设计。特别适于加工需多种加工程序(如钻孔、铰孔、搪孔)中大量之工件，适合大量生产。

### 自动车床（Automatic Lathe）

自动车床，能够自动照工作物加工次序车削，车制完成后会自动退刀、进料，并进行下一个成品的车削，适合较小直径工件之大量生产。

### 靠模车床（Copying Lathe）

靠模车床又称仿削车床，利用触针依照模型或样板的形状移动，车刀也随之移动车削工作物，因此可以正确地车削出与模型一样的工件。

### 数控机床（Computerized Numerical Control Lathe）

全名为“电脑数值控制车床”，简称“数控机床”。优点为适于加工生产中大数量、设计复杂、要求精密度高的工件。

## 安全标准

当在车床工作时，必须遵守某些规定，以确保不会发生任何事故造成可能的伤害。

1｜使用安全设备：护目镜、安全面罩等。

2｜不要穿着宽松的衣服，长发需要戴好工作帽，头发塞入帽中。

3｜不可佩带麻布手套工作，因不慎被旋转中的机械钩到时可能不会立即破裂，易有连带将手掌卷入的风险。

4｜所穿工作服必须是全棉的，不能是化学纤维，如果发生工作意外，化纤服装不会像棉制品一样易于扑救，而会化为液滴粘在身上。增加医疗难度。

5｜建议使用安全鞋。

6｜始终保持工作场所清洁。

7｜不要佩戴首饰，如：项链、手镯、戒指。

8｜要知道如何控制和操作的车床并必须知道如何停止运作。

9｜必需在光线充足的地方，但灯光不宜过多，以免造成太大的眩光。

10｜加工过程中不能用手或棉纱擦拭零件；不能用手拉切屑，要用专用的钩子刷子清除切屑；不能用手去刹住转动的卡盘，行走时注意不要被长切屑绊脚。

## 参考资料

### 书目

- 《机械加工法》，Amstead, Ostwald, Begeman著，罗仕鹏，黄纯权，陈再万编译，高立图书，1995年4月，ISBN 957-584-159-X，第十五章 机床的基本元件