《机械制造技术基础实验指导书》.doc

实验一 切削加工质量的综合实验
一、 实验目的
1、通过综合实验加深理解《机械制造技术基础》课程的相关理论知识，引导学生自主学习，以提高学生分析问题和解决问题的能力。
2、以保证切削加工质量为目标，展开对机床、刀具、夹具和工件所组成的工艺系统各因素的认识和分析，进行一系列的设计、试验和测量，从实验过程和实验结果中对影响加工质量的因素进行综合分析。
3、通过以学生动手为主的综合实验，使课程实验成为提高学生综合素质、工程设计能力，工程实践能力和创新能力的重要环节。
二、 实验要求
学生在掌握所学课程的基本知识和理论、熟悉机械加工方法和工艺知识的基础上，根据某一零件图加工质量的要求自拟加工工艺并设计实验方案，选择合理的加工方法、刀具和加工工艺参数等。对试件进行切削加工，控制加工精度和表面粗糙度，分析影响零件加工质量的各种因素，以及寻找控制零件加工质量的基本措施和方法。
三、 实验仪器及设备
CA6140型车床、三向通用测力仪、应变放大器、数据采集卡、计算机、表面粗糙度仪、车刀量角台、各种工件材料毛坯、不同角度和材料的车刀、游标卡尺、直尺、千分尺等。
四、 实验内容
图1为综合实验总体结构框图。从图中可以看出影响加工质量的各种因素，包括机床、工件、刀具和切削条件等几个方面。怎样进行实验设计，如何选用不同的加工方法和工艺参数进行独立自主的实验以完成零件图上加工质量的要求是本实验的主要内容。

图1 制造技术综合实验总体结构图
在实验过程中必须掌握基本的实验手段:
1、掌握使用车刀量角台测量车刀几何角度的基本方法，加深对车刀各几何角度、各参考平面及其相互关系的理解，绘出所选用车刀的标注角度图。
2、了解测力仪工作原理及测力系统的工作过程，自选切削参数和实验设计，实测切削力，了解并掌握切削参数（f、ap、κr、γ0、VC）对切削力的影响规律，并能够通过实验建立切削力的经验公式；
4、使用通用量具和表面粗糙度仪检测所加工的试件，综合分析影响零件切削加工质量的因素。

五、 实验基本步骤
1、 在实验前必须认真阅读实验指导书，理解综合实验的目的、要求、内容，熟悉实验使用的仪器、设备；了解实验机床结构、调整方法和操作过程；掌握仪器的测量原理、测试方法和实验数据处理方法等。实验前自拟实验设计方案、工艺路线和加工方法，经指导教师审核实验方案和相关表格，认可后方可在机床上进行实验操作。。
2、 设计或选择所要加工的零件，绘制零件图（可参考附录三所提供的综合实验典型零件），熟悉零件加工技术要求。
3、 根据零件图的加工要求设计加工方法，制定加工工艺，拟出实验方案、内容和步骤，准备实验。
4、 根据实验方案，要求合理选择刀库中的刀具，并对刀具角度进行测量（刀具角度如何测量详见附录一），画出刀具标注角度图。
5、 调试机床，安装刀具，装夹试件，然后按图纸要求对试件进行切削试验。
6、 进行切削力测量实验方案设计并进行操作，建立车削力的经验公式。（切削力测量原理与方法详见附录二）。
7、 测量试件加工后的尺寸精度，找出加工工艺系统中各种对试件尺寸、形状精度产生影响的因素。
8、 测量试件加工后表面粗糙度，分析表面粗糙度与切削用量和刀具几何参数的关系。
9、 整理和总结实验数据，提交实验报告。在实验报告中主要写出有关实验的原理、内容和步骤，仪器的使用、调试方法，实验数据分析处理的过程和结果，总结分析影响加工质量的各种因素，提出合理的改进措施等等。
六、 实验数据的处理与实验报告
实验结束后，按照实验指导书要求应及时将实验数据进行处理，完成实验报告，上交实验指导教师，以便进行考核和评分。每次实验，应由实验室的指导教师在实验报告上签字。

【思考题】:
1、 切削速度VC、进给量f和刀具前角对切屑形态有什么影响?描绘实验中的切 屑形态。
2、 切削试件时，如何调整机床的主轴转速？手动和机动进给时试件的表面粗糙 度有什么变化?
3、 切槽刀、车孔刀的刚度较差，如何减小其对加工误差的影响？
4、 加工锥面时，机床如何调整？
5、 加工偏心时，如何计算垫片厚度？
6、 检测试件的形状误差，分析产生的原因？
7、 用试切法调整切削深度ap时应注意什么？
8、 刀具的前角γ0和主偏角κr对切削力大小有怎样的影响？
9、 切削用量和刀具的几何角度与工件的表面粗糙度有什么样的关系？
10、在干切削实验中，保证刀头强度的条件下如何减小切削力和切削热？
11、在车床上如何加工出下图所示零件中的孔？

12、除单因素实验之外，你还了解哪些更快捷、更准确的实验方法？优化设计有哪些方法？

实验二 组合夹具拆装实验
一、 实验目的与要求
组合夹具是在夹具设计高度标准化、通用化、系列化的基础上发展起来的一种夹具。它由一套预先制造好的，具有各种形状、规格和系列尺寸的标准元件和组件所组成。通过组合夹具拆装实验，可使学生加深对夹具的组成、定位夹紧等基本概念和应用方法的理解。要求学生根据给定的零件自行设计夹具拆装方案，或利用给定的组合夹具元件改进组装方案，夹具的定位、夹紧方案正确，结构合理，满足加工要求。
二、 实验仪器及设备
组合夹具元件库、拆装、调整工具以及样件等。
三、 实验内容
1、掌握组合夹具的组成、结构及各部分的作用；
2、理解组合夹具各部分连接方法，掌握组合夹具的装配过程；
3、了解夹具与机床连接、定位方法以及加工前的对刀方法；
4、完成工件加工过程中某一道工序的组合夹具拆装或改进。
四、 实验基本步骤
1、熟悉组合夹具的总体结构，找出夹具中的定位元件、夹紧元件、对刀元件、夹具体及导向元件，熟悉各元件之间的连接及定位关系。
2、使用工具，按顺序将把现有的夹具各连接元件拆开，注意各元件之间的连接状况，注意拆装顺序和各元件的归类摆放。
3、根据工件的加工要求选取某一道工序进行工装夹具设计，拟定工件在夹具中的定位和夹紧方案。
4、选取需要的元件，利用工具按正确的顺序装配各元件，并调整好各工作表面之间的位置。
5、将工件安装到夹具中，使工件在夹具中具有正确的定位、夹紧可靠。
6、将夹具安装到机床的工作台上，调整好刀具和工件的相对位置，注意夹具在机床上的定位，调整好夹具相对机床的位置，将夹具夹紧。
五、 实验报告及要求
分析组合夹具的组成和适用范围。画出你所选择样件的那一道工序的加工工序图，给出定位、夹紧方案。写出你的设计思想和具体的实验步骤，总结实验心得和体会。
【思考题】:
1、 组合夹具的基础件有几种？结构特点如何？有什么作用？
2、 组合夹具的支承件有几种？结构特点如何？有什么作用？
3、 组合夹具的定位件有几种？结构特点如何？有什么作用？
4、 组合夹具的导向件有几种？结构特点如何？有什么作用？
5、 组合夹具的压紧件和紧固件有几种？如何使用？
6、 组合夹具的合件和其他部件有什么用途？
7、 组合夹具可多次组装，每一次组装后是专用夹具吗？
8、 某零件某道工序可设计专用夹具，试比较组合夹具与专用夹具的优缺点？
9、 组合夹具的键定位和螺栓紧固联接与整体结构的夹具体比较有什么优缺点？
10、组合夹具能满足任何加工要求吗？试举例？
11、通用夹具、成组夹具、可调夹具、组合夹具各适合什么场合？
12、你所拆装的那道工序组合夹具设计是否合理？你如认为需要改进，应怎样改进更为合理？

附录一：车刀几何角度测量方法

一、 回转工作台式量角台的构造
图1-1为回转工作台式量角台组成原理。底盘1为圆盘形，在零度线左右方向各有1000角度，用于测量车刀的主偏角和副偏角，通过底盘指针2读出角度值；工作台3可绕底盘中心在零刻线左右1000范围内转动；定位块4可在平台上平行滑动，作为车刀的基准；测量

1－底盘、2－工作台指针、3－工作台、4－定位块、
5－测量片、6－大扇形刻度盘、7－立柱、8－大螺帽、
9－旋钮、10－小扇形刻度盘
图1-1 量角台的构造 图1-2 测量片
片5，如图1-2所示，有主平面（大平面）、底平面、侧平面三个成正交的平面组成，在测量过程中，根据不同的情况可分别用以代表剖面、基面、切削平面等。大扇形刻度盘6上有正负450的刻度，用于测量前角、后角、刃倾角，通过测量片5的指针指出角度值；立柱7上制有螺纹，旋转升降螺母8可调整测量片相对车刀的位置。
二、 测量内容
利用车刀量角台分别测量外圆车刀的几何角度：κr、κr＇、λs、γo、αo、αo ＇等基本角度。记录测得的数据，并计算出刀尖角ε和楔角β。
三、 测量方法
1、根据车刀参考平面及几何参数的定义，首先确定参考辅助平面的位置，在按照几何角度的定义测出几何角度。
2、通过测量片的测量面与车刀刀刃、刀面的贴合（重合）使指针指出所测的各几何角度。
四、 测量步骤
1、测量前的调整：调整量角台使平台、大扇形刻度盘和小扇形刻度盘指针全部指零，使定位块侧面与测量片的大平面垂直，这样就可以认为测量片：
1） 主平面垂直于平台平面，且垂直于平台对称线。
2） 底平面平行于平台平面。
3） 侧平面垂直于平台平面，且平行于平面对称线。
2、测量前的准备：将车刀侧面紧靠在定位块的侧面上，使车刀能和定位块一起在平台平面上平行移动，并且可使车刀在定位块的侧面上滑动，这样就形成了一个平面坐标，可以使车刀置于一个比较理想的位置。
3、测量车刀的主（副）偏角
1） 定义：主（副）刀刃在基面的投影与走刀方向夹角。
2） 确定走刀方向：由于规定走刀方向与刀具轴线垂直，在量角台上即垂直于零度线，故可以把主平面上平行于平台平面的直线作为走刀方向，其与主（副）刀刃在基面的投影有一夹角，即为主（副）偏角。
3） 测量方法：顺（逆）时针旋转平台，使主刀刃与主平面贴合。如图1-3所示，即主（副）刀刃在基面的投影与走刀方向重合，平台在底盘上所旋转的角度，即底盘指针在底盘刻度盘上所指的刻度值为主（副）偏角κr（κr＇）的角度值。
4、测量车刀刃倾角（λs）
1）定义：主刀刃和基面的夹角。
2）确定主切削平面：主切削平面是过主刀刃与主加工表面相切的平面，在测量车刀的主偏角时，主刀刃与主平面重合，就使主平面可以近似地看作主切削平面（只有当λs =0时，与主加工表面相切的平面才包含主刀刃），当测量片指针指零时底平面可作为基面。这样就形成了在主切削平面内，基面与主刀刃的夹角，即刃倾角。
3）测量方法：旋转测量片，即旋转底平面（基面）使其与主刀刃重合。如图1-4所示，测量片指针所指刻度值为刃倾角。
5、测量车刀主剖面内的前角γo 和后角αo
1） 定义：主前角是指在主剖面内，前刀面与基面的夹角。主后角是指在主剖面内后刀面与主切削平面的夹角。
2） 确定主剖面：主剖面是过主刀刃一点，垂直于主刀刃在基面的投影。
3） 在测量主偏角时，主刀刃在基面的投影与主平面重合（平行），如果使主刀刃在基面的投影相对于主平面旋转900，则主刀刃在基面的投影与主平面垂直，即可把主平面看作主剖面。当测量片指针指零时，底平面作为基面，侧平面作为

图1-3 测量车刀的主偏角图 1-4 测量车刀刃倾角

主切削平面，这样就形成了在主剖面内，基面与前刀面的夹角，即前角（γo）；主切削平面与后刀面的夹角，即后角（αo）。
4） 测量方法：使底平面旋转与前刀面重合。如图1-5所示， 测量片指针所指刻度值为前角；使侧平面（即主切削平面）旋转与后刀面重合。如图1-6所示， 测量片指针所指刻度值为后角。
6、副后角的测量与主后角的测量方法相近，所不同的是须把主平面作为副剖面。

图1-5 测量车刀前角 图1-6 测量车刀后角
表1-1 主剖面参考系的基本角度
车刀编号
车刀名称
前 角
γo
后 角
αo
主偏角
κr
副偏角
κr＇
刃倾角
λs
副后角
αo ＇
1
外圆车刀

2
端面车刀

3
车槽刀

4
车孔刀

附录二：车削力的测量原理及其经验公式的建立方法

车削力是切削过程中产生的重要物理现象之一，切削力的大小与工件材料和切削因素有关。切削力直接影响切削热的产生，并进一步影响工艺系统的变形、刀具磨损、刀具使用寿命、加工精度和已加工表面质量，它又是计算功率消耗，制定切削用量，设计机床、刀具、夹具的重要参数。因此精确地测量切削力对于选择理想的切削参数及合理的切削力是很重要的，本实验使用的测力仪是电阻应变式的测力仪。
一、 仪器的工作原理
1、电阻应变片及其工作原理
如图2-1所示:电阻应变片由基底1、敏感元件2和引线3组成。敏感元件为高阻金属丝，电阻值为:R=pL/A
△R/R=K △L/L=K。 K为灵敏系数
电阻变化率可近似看作与应变成正比。当电阻应变片贴在弹性体上时，则电阻值随弹性体应变而发生变化。

图2-1 电阻应变片
2、电桥测量电路
电桥电路就是把电阻应变片上电阻值的微小变化转换成电压信号的变化，如图2-2所示。通过适当的粘贴，使电阻应变片贴在测力仪弹性元件的适当位置，并将其串联成电桥。切削时当弹性元件受力变形，于是紧贴在其上的电阻发生变化。应变片R1及R3受拉发生变形，而R2及R4同时也受压发生变形，于是电桥失去平衡而产生输出电压（或电流）。

（a） （b）
图2-2 电桥测量基本电路
设变形前R1、R2、R3和R4组成的电桥电路平衡，即R1/R3=R2/R4，u输出为零，既u1=u2。
当电阻变化时，u1、u2分别增加和减少，所以变形后输出电压为:
u=u1-u2
若使R1=R2=R3=R4=R(一般力传感器的测量电桥的电阻应变片值为120Q)，且△R1≈△R2≈-△R3≈-△R4，则可以推出 U=E Kε
根据虎克定律，弹性体中:F=Kˊε，∴ε=F/Kˊ
∴ u=EKε=EKF/Kˊ
所以电压输出信号近似与弹性体受力成正比。实际测量时，为了提高测量精度，常将贴在不同位置的相同阻值的应变片，串并接于电桥电路中，组成复杂的桥路。但由于电阻应变片的电阻值变化很小，输出的电信号也很小，所以一般还需经过放大器进行放大，然后才能更好的进行数据的采集和处理。
3、测力系统及其工作原理
测量切削力的测力仪种类很多，有机械式的、油压式和电测力仪，但其工作原理都是一样的。目前使用较多的是电测力仪，它的测量精度和灵敏度较高。电测力仪又有电阻应变式、电感式、电容式和电压式等。这里我们采用的是电阻应变式通用型三向测力仪（SDC-C4M），它可以同时测量Fx，Fy和Fz三个方向上力的大小。如图2－3，为用通用型三向测力的测力系统工作原理图。

图2－3测力系统工作原理图
车削加工过程中，随着测力仪中电阻应变片的变化，电桥电路将输出相应的电信号，由于电信号很小必须通过应变放大器（XY-FS21）进行放大处理，安装在计算机上的数据采集卡将采集到的放大信息输入到计算机中，通过计算机软件的数据处理，将原来的电信号还原成力信号，最终的显示结果就是切削力的大小，以上内容就是切削力测力系统的工作过程。
二、 内容与方法
切削力实验的设计方法很多，最简单、常用的一种方法就是单因素法，即固定其他因素不变，只改变一个因素，测出Fx，Fy和Fz后，然后处理数据，建立切削力经验公式。
若加工同一种材料的零件，固定切削速度和刀具几何参数，可分别改变进给量和切削深度来进行切削力的测量。通过实验数据的记录，便可进行数据处理和建立切削力的经验公式。
三、 实验数据的处理与经验公式的建立
切削力的经验公式通常是以切深ap和进给量f为变量的幂函数，以主切削力Fz为例，其形式为：

首先建立切削力与每一单独变化因素间的关系式（如Fz－ap与Fz－f），分别求出各指数和系数，然后经过综合，求出总的系数。
1、图解法
在单因素实验构思下，固定其他因素不便，只改变一个因素，分别表达切深ap、进给量f与切削力Fz关系的单项切削力的指数公式：
；
将等号两边取对数，则有

显然Fz－ap与Fz－f的关系曲线在双对数坐标纸上是直线。
系数为lgFz－lgap线上在ap＝1mm时的Fz的值。
系数为lgFz－lgf线上在f＝1mm/r时的Fz的值。
指数为lgFz－lgap线的斜率，指数为lgFz－lgf线的斜率。
用实验数据可在双对数坐标纸上画出几条lgFz－lgap与lgFz－lgf的直线，分别求出和，对于多组数据就取平均值，以提高实验精度。
然后取任意一对lgFz－lgap与lgFz－lgf直线，便可求出系数。计算如下：
由于是在f＝f0（改变ap实验时所固定的f的值）的情况下得到的故有
＝ 则;
而式是在ap＝ap0（改变f实验时所固定的ap的值）的情况下得到的故又有
＝ 则；
由于实验误差与不一定相等，因此取两者的平均值最好，即：
＝（＋）
2、一元线性回归法
理论上lgFz－lgap与lgFz－lgf应是线性关系，但实际的实验点往往不可能全部落在一条直线上，上述图解法是用眼睛观察绘出的一条直线，使各实验点均布在该直线上下，因此所求得的指数、系数存在一定误差。一元线性回归法是运用数理统计中回归分析的方法，建立一元线性回归方程，因为它是建立在误差平方和为最小的“最小二乘法”基础上得出的一条直线，因此误差最小。
四、 实验记录表格
表2－1 切削力测量的实验条件
机 床

测 力 仪

应变放大器

测力仪
标定常数
Kz＝ N/µε
Ky＝ N/µε
Kx＝ N/µε
工 件
材 料

硬 度

刀 具
结 构
材 料
角 度

表2－2 切削力实验记录
切削用量
工件直径dw/mm
转速nw/r/min
切削速度v/m/min

切削深度ap
进给量f/mm/r
主切削力Fz/N

附录三：综合实验典型零件图

图3－1 车外圆 图3－2 车端面

图3－3 车台阶

图3－4 车窄槽

图3－5 车宽槽

图3－6 车偏心

图3－7 车通孔

图3－8 车环槽

图3－9 车宽环槽

图3－10 车不通孔

图3－11 车大锥

图3－12 车锥面

图3－13 车长锥面

组合夹具元件及其功能
组合夹具是在机床夹具通用化、标准化、系列化的基础上发展起来的新型夹具。它由预先制造好的标准化组合夹具元件，根据被加工工件的工序要求组装而成的。因此组合夹具具有通用性和专用性双重性质。组合夹具元件按用途不同，可分为基础件、支承件、定位件、导向件、压紧件、紧固件、合件和其他件。
一、基础件
基础件是组合夹具中最大的元件，通常用作组装夹具的基础，通过它把其他元件连接在一起，成为一套夹具。基础件按其形状特征可划分为正方形、长方形、圆形等等，其具体结构可参见下图4－1。

(a)正方形基础件 (b) 长方形基础件 (c)圆形基础件
图4－1基础件
二、支承件
支承件是组合夹具中的骨架元件，它在夹具中起到上下连接的作用，即把上面的支承件、定位件、导向件等元件通过它与其下面的基础件连成一体。如图4－2所示。

（a）V形基座 (b)方形垫板 (c)正方形支承

（d）V形垫板 （e）支承角铁
图4－2常用支承件
三、定位件
定位件用于保证夹具中各元件的定位精度和连接强度及整个夹具的可靠性，并用于被加工工件的正确安装和定位。定位件有定位键、定位销、定位支承、顶尖等元件。下图中给出了一些常用的定位元件外形结构。

（a）平键 （b）长平键 （c）平偏心键

（e）圆形定位盘 （f）直柄顶尖
图4－3定位件
四、导向件
导向件用于保证切削刀具的正确位置，加工时起到引导刀具的作用，它主要用于钻、扩、铰。镗及攻丝等工序的夹具。有的导向件可作为工件定位，有的可作为组合夹具系统中元件的导向。图4－4所示为几种常见钻模板的样式。

（a）十字槽右弯头钻模板 （b）左弯头钻模板

（c）十字槽钻模板 （d）沉头钻模板
图4－4导向件
五、压紧件
压紧件主要用于将工件压紧在夹具上，以保证工件定位后的正确位置，并使工件在切削力的作用下保持位置不变。压紧件有平面压紧件、回转压紧件、压块、异形压紧件等类型。
具体结构可参考图4－5所示的几个例子。

（a）平压板 （b）伸长压板 （c）铰链压板

（d）偏心轮 （e）双头压板 （f）U形压板
图4－5压紧件
六、紧固件
紧固件主要用于连接组合夹具中的各种元件及紧固被加工工件。紧固件可分为螺栓、螺钉、垫圈和螺母等。如图4－6所示。

（a）双头螺栓 （b）方形槽用螺栓 （c）长方形槽用螺栓

（d）关节螺栓 （e）圆柱头螺钉 （f）带肩螺母
图4－6紧固件
七、合件
合件由若干零件装配而成，一般在使用中不再拆卸。它能提高组合夹具的万能性，扩大使用范围，加快组装速度，简化夹具结构等。比如图4－7所示的两种合件。

（a）顶尖座 （b）垂直键槽折合板
图4－7合件
八、其他件
其他件主要作为夹具辅助元件使用，虽然这类元件大多数结构简单，但充分利用好这些元件，可以改善夹具结构，提高夹具的工作效率。像下图所示的连接板、平衡块、回转板等元件。

（a）回转板 （b）连接板 （c）平衡块
图4－8其他件

制造技术综合实验报告

（机制专业）

学 号：

姓 名：

日 期：

1、 车刀几何角度测量
（1）车刀的组成及其标注角度
（2）角度测量台的组成及刀具角度测量方法
（3）角度测量
车刀编号
车刀名称
前 角
γo
后 角
αo
主偏角
κr
副偏角
κr＇
刃倾角
λs
副后角
αo ＇
1
外圆车刀

2
端面车刀

3
车槽刀

4
车孔刀

（a）切断刀（车槽刀）的标注角度
（b）45度弯头外圆车刀的标注角度
(4)车刀切削部分的材料分类及选用
（5）车刀各角度选用原则
(1)(2)(3)ab准备材料完全才可做实验！！！

2、车削力测量及其经验公式建立
（参考冯子敬的机械制造工程原理 切削力经验公式建立）
（1）实验条件
机 床

测 力 仪

应变放大器

测力仪
标定常数
Kz＝ N/µε
Ky＝ N/µε
Kx＝ N/µε
工 件
材 料

硬 度

刀 具
结 构
材 料
角 度

（2）实验记录（附实验测量图）

切削用量
工件直径dw/mm
转速nw/r/min
切削速度v/m/min

切削深度ap
进给量f/mm/r
主切削力Fz/N

（3）经验公式建立
FX FY FZ

3、切削加工及其质量分析（零件参看指导书）
（1）零件图（ΦD=60mm）
（2）加工工艺
（3）切削加工切削用量选择
（4）切削加工实验及数据测量
（粗、半精、精加工切削用量）
（5）影响加工质量因素分析
(1)(2)(3)（4）准备材料完全才可做实验！！！

4、组合夹具拆装实验
（1）夹具组成及功用（准备材料）
（2）零件工序简图及定位夹紧分析
（3）组合夹具组成及功用

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