《机械制造工程学》实验指导书

《机械制造技术基础》实验指导书赵艳红徐明编写沈阳理工大学应用技术学院装备制造工程分院2目录实验一、刀具角度测量实验....................................................................3实验二、动态切削力的测量实验............................................................6实验三．加工误差的统计分析实验........................................................8实验四、工艺系统静刚度的测量实验..................................................103实验一、刀具角度测量实验一、实验目的和要求1、熟悉车刀切削部分的构造要素；2、通过实验加深理解刀具标注角度参考平面的定义，三个平面的空间位置及相互关系；3、熟悉万能车刀测角仪的测量原理，掌握车刀几何角度的测量方法，加深理解车刀几何角度及其在切削过程中的作用；4、用所测量的刀具几何角度画一张车刀的角度标注图；5、记载自己所测刀具的编号、刀具材料、几何角度。二、实验设备车刀若干，万能刀具角度测量仪器4台三、实验方法1、熟悉车刀切削部分的构造要素，重点观察车刀的形状、主切削刃、副切削刃、前刀面、主后刀面、副主后刀面的位置。图2-1为车刀切削部分的构造要素。图2-1车刀切削部分的构造要素2、掌握刀具几何角度的定义前角γ0：在正交平面内测量的前刀面与基面的夹角。后角α0：在正交平面内测量的主后刀面与切削平面的夹角。主偏角κr：在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角。副偏角κr′：在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角。刃倾角λs：在切削平面测量的主切削刃与基面的夹角。副后角α′0：在副正交平面内测量的副后刀面与副切削平面的夹角。4刀具每个角度的标注如图2-2所示。图2-2车刀的几何角度标注3、车刀几何角度的测量方法（1）刀具角度测量台刀具角度测量台如图2-3所示。图2-3车刀角度测量台（2）刀具角度的测量方法（以车刀为例）1）主偏角κr的测量a)转台调零：将转台左侧的刻度线对到底盘的零度；b)将刀具安装在滑块上，刀尖顶在指针平面中心线上。此时，扇形盘平面与进给方向重合；c)转动转台，使刀具的主切削刃与指针平面紧贴；d)读取转台左侧刻线所示的圆盘刻度，就是主偏角κr。2）副偏角κ′r的测量a)在1）项的基础上，转动转台使副切削刃与指针平面紧贴；5b)读取转台左侧刻线所示的圆盘刻度，就是主偏角κ′r。3）刃倾角λs的测量a)在测量主偏角的位置上，此时，扇形面为切削平面，在该平面内将指针的刃口A与主切削刃重合；b)读取指针所指的刻度就是刃倾角λs。4）前角γ0的测量a)在测量主偏角的位置上，将转台转过90°，此时，扇形面为正交平面，在该平面内将指针的刃口A与前刀面重合；b)读取指针所指的刻度就是前角γ0。5）后角α0的测量a)在4）的基础上（此时，扇形面为正交平面），将指针的刃口B与后刀面重合；b)读取指针所指的刻度就是后角α0。6）副后角α′0的测量a)在2）的基础上，将转台转过90°，此时，扇形面为副正交平面。将指针的刃口C与副后刀面重合；b)读取指针所指的刻度就是后角α′0。四、填写实验报告为了继续进行后续的相关实验项目，要将对车刀的实际测量结果进行认真的整理、记录。6实验二、动态切削力的测量实验一、实验目的和要求1、了解各种测力仪的工作原理；2、研究在一定刀具几何角度的条件下，切削深度和进给量对切削力的影响及变化规律。3、掌握用实验的方法建立切削力的经验公式的方法和技能。二、实验仪器及耗材1、压电式切削测力仪；2、YE5850电荷放大器；3、机床：J1MK460×100精密车床；4、其它测量工具；5、45钢试件；6、计算器、笔、尺等（学生自备）。三、测力仪的工作原理1、压电式切削测力仪YDC-Ⅲ89型压电式切削测力仪的结构如图2-1所示，该测力仪为大连理工大学开发的专利产品，采用刀杆式结构，用一个三向压电石英力传感器作为力——电转换元件。它不仅大刚度、高灵敏度、高固有频率、宽频率响应范围，线性良好的动、静态性能，而且结果简单，体积小，除刀体结构有一点变化外和正常的刀具一样，在正常的切削加工状态下，就可以实时、准确地测量出三向静、动态切削力。其工作原理可简单地叙述为：根据正压电效应，当石英晶片受到外力作用时，石英晶片的表面会产生正、负电荷，电荷的多少与所受外7力的大小成严格的线性关系。2、电阻应变式切削测力仪电阻应变式切削测力仪的工作原理是在测力仪的弹性体（特制刀杆）上粘贴电阻应变片，构成电桥，如图2-2所示。电桥的平衡条件是R1/R2=R3/R4，既B、D两点的电位相同，表现为检流计中无电流。在切削力的作用下，弹性元件的变形，各电阻应变片的阻值将发生变化。R1受张力，长度增加。截面积减少，于是电阻增大。R2受压缩，长度减少，截面积增加，于是电阻减小。电桥的平衡被打破，VBVD，检流表中有电流通过，电流的大小与切削力成正比。3、机械式切削测力仪机械式切削测力仪的结构如图2-6所示，受结构的限制，只能测量垂直分力Fz，在切削状态下，Fz所产生的扭矩，使测力仪的横梁产生扭转变形，带动杠杆转动一个角度，通过活塞杆，将变形量以一定的关系传递给百分表。这一系列的变形传递关系与Fz成正比关系，通过事先标定好的百分表读数——切削力的关系，就可以进行切削力的实际测量了。四、实验内容1、熟悉实验设备的构成、工作原理。2、每4个学生一组，在实验指导老师指导下完成如下内容（1）确定实验参数：在指定切削速度(500r/min)的前提下，在一定范围内确定实验参数;进给量f：0.15~0.5mm/min，背吃刀量ap：0.2~1.0mm。（2）操作切削力测量系统软件系统，配合指导老师操作机床，进行切削加工；（3）记录实验数据；（4）整理实验数据；（5）建立切削力与背吃刀量及进给量相关的经验公式；3、填写实验报告。8实验三加工误差的统计分析实验一、实验目的：在一定的加工条件下，用数理统计分析的方法，分析工艺系统的尺寸分布，加工能力和工艺系统中可能存在的误差因素。二、实验内容：按自然加工顺序，对所加工的100个试件的尺寸进行测量，绘出频率直方图,并对其工艺能力和废品率进行分析。三、试验样件及技术要求如图1-1所示，由于每个零件均进行多次的重复性加工实验，因此，直径尺寸的具体值由实验教师给出。四、实验设备无心外圆磨床，杠杆千分尺（0.002），卡尺(0.02)等五、实验原理1、直方图分析法在生产过程中，由于系统性误差和随机性误差的存在，使同一批工件在同样生产条件下，加工出来的同一个几何要素的加工尺寸不一样，按尺寸的大小分组，按实测的尺寸结果，统计各组内出现的试件的频数就可以画出对应的直方图（参见图1-2）。根据直方图的形状和由测量值计算得到的参数，可以估算出该工序的工艺特征和工艺能力。需要计算的参数为样本的平均值X和均方差S。ninXiX1/或kjnFXjX1/1——1ninXXiS121/)(或kjnXXjFS121/)(1——2式中n:样本数，即加工的工件数。Xi：试件的测量尺寸，Xj：每组的组中值，F：每组频数。如果系统稳定，加工误差将符合正态分布，其尺寸分散范围在6S，则该工序的工艺能力等级系数Cp为公式1-3所示。根据Cp的大小可以判断工艺等级，结合直方图分析，可计算合格率、废品率、常值系统误差，提出提高该工序产品合格率的可行措施。Cp=T/6S1——3图1-145钢实验用小轴±0.0159六、实验步骤1、调整机床：试加工m件（m≥10），求出其平均尺寸Xm和均方差σm，按上限尺寸和下限尺寸求出机床的调整尺寸的上下限，按技术要求调整好机床，要注意要按顺序使工件一个接一个独立地进入磨削区，这样可保证加工每个零件的工艺条件是相同的，同时千万不可将加工顺序搞乱。上限尺寸：D+0.015－3σm（1+1/m）下限尺寸：D－0.015+3σm（1+1/m）2、测量数据：按着加工的自然顺序，用千分尺对每个被加工工件的直径尺寸进行测量并记录在案，为了验证实验结果的统一性，分成十组进行独立的测量，每组的测量数据不近相同，但总的结果还是一致的，将测量结果填入测量数据表（取m=5）。3、画直方图：确定直方图的的组数，对于样本空间为100的实验，一般选择6到12组，组距取微米的整数倍，为了避免数据恰好落在组界上，组界要选在数据尾数的1/2处，将每组的组界、频数、频率、组中值等填写在分布图数据表中。在图上用双点划线画出X和公差带的中心位置，结合公差带的宽度T和尺寸的分散范围6S，可以计算出工艺能力系数Cp，和该工序的工艺等级。4、计算工艺能力系数Cp、估算废品率5、分析实验结果：对加工的100个零件进行实际测量得到的结果进行讨论分析、进行归纳总结并填写实验报告。10实验四、工艺系统静刚度的测量实验五、实验目的和要求1、了解机床刚度的测定方法之一—动载法；2、比较机床各部件刚度的大小，分析影响机床刚度的各个因素；3、巩固和验证有关工艺系统刚度的概念。六、实验内容用动载法测定车床刚度。实验系统将动态测量并记录切削力的变化，同步测量并记录前顶针、刀架及后顶针的动态位移量，计算出各部件刚度及机床刚度。七、实验设备1.CM6140车床一台、X5646/1多功能铣床一台；2.压电三向切削力测量仪两套；3.位移传感器或千分表三套；4.计算机数据处理系统一套。八、实验原理工艺系统在载荷的作用下会产生相应的变形。载荷越大变形也越大，反之亦然。机床静刚度Ks是机床在稳态下工作（无振动）的刚度，它衡量机床抵抗静载变行的能力。静刚度的概念，一般用下式表示：Ks=F/Y式中：Ks—静刚度（N/mm）F—切削力（N）Y—在F作用下刀刃与加工面之间的相对位移（mm）。但是从工艺观点来研究问题时，我们认为在切削分力Fy方向上的变行要比其它切削分力作用方向上的变行大得多，所以Fy对加工精度的影响占主要地位，故又可以用下式表示工艺系统刚度Ks=Fy/Y工艺系统在受力情况下的总位移量Y是各个组成环节的位移量迭加，根据测量数据可得出：刀架刚度KSD=Fy/YD前顶尖刚度KSQ=Fy/2YQ11后顶尖刚度KSH=Fy/2YH在根据车床变形Ys为前后顶尖变行位移的平均值和刀架变行位移之和。Ys=Fy/Ks=1/2（Fy/2KSQ+Fy/2KSH）+Fy/KSD化简后1/Ks=1/4（1/KSQ+1/KSH）+1/KSD这样车床静刚度Ks即可求出。实验方法1：三向测力环测量图1-1所示为三向刚度仪测定车床静刚度的静态测设备。1、前顶尖；2、接长套筒；3、测力环4、加力螺钉；5、弓行加载器；6、摸拟刀杆图中弓形加载架刚度足够大，其变形略去不计，通过加载器上的加力螺钉4进行加力Fy。Fy经钢球传至测力环3，由测力环的千分表指示出所加Fy力的数值。床头、尾座、刀架部件均在Fy力作用下发生变性位移，三个部位各安装一个测量位移的设备（如千分表等测量微位移的设备），测其变行位移YSQ、YSH、YSD。再根据公示计算出床头、刀架、尾座各部件的刚度，然后计算出机床静刚度Ks。实验方法2：应用压电式三向测力仪测量模拟实际加工状态，应用如图1-2的三向测力仪，进行准动态加载，得到切削力FyFy。同时测量的各点的位移值，得到一组测量数据。九、实验步骤1、安装实验设备2、在指导教师指导下，测量实验基础数据，填入表格；β图1-1刚度测定加载装置123456123、系统调零；4、进行准动态施加模拟切削力，系统自动实时动态测量切削力和各测量点的位移；并打印出多点的实验数据、据次可计算出关键部位的刚度及工艺系统的刚度值。十、填写实验报告十一、实验结果分析