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《机械制造技术基础》实验指导书

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11

实验四、工艺系统静刚度的测量实验13

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。
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；
b) 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。
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，VB>VD，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F z，在切削状态下，F z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F z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。

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和均方差S。
或 1——1
或 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/6S 1——3

六、 实验步骤
1、 调整机床：
试加工m件（m≥10），求出其平均尺寸m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/）下限尺寸：D－0.015+3σm（1+1/）
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。

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/2YQ
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。
β
图1-1 刚度测定加载装置
1
2
3
4
5
6

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Fy Fy。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；
3、 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