《机械制造技术》实验指导书.doc

《机械制造技术》实验指导书

梁平 编

合肥工业大学机汽学院
工业工程教研室

实验一 C6140传动系统和机构分析(现场教学)

一、实验的目的和要求
1、 了解C6140机床的用途，总体布局，以及机床的主要技术性能。
2、 对照C6140机床传动系统图，分析机床的传动路线。
3、 了解和分析C6140机床主要零部件的构造和工作原理。

二、实验的内容
1、由指导人结合现场（以 CA6140为例）介绍机床的用途、布局、各操作手柄的作用及其操作方法。然后开车、空载运转表演，以观察机床各部件的运动。
2、揭开主轴箱盖，根据机床传动系统图和主轴箱展开图，看清各档传动路线及传动件的构造。
（1） 看懂标牌符号的意义，明确主轴箱各操纵手柄的作用。
（2） 了解主传动系统的传动路线，主轴的正转、反转、高速、低速是如何调整实现的。
（3） 结合现教图了解摩擦离合器的结构原理及其调整操纵情况。
（4） 操纵II-III轴上两个滑移动，操纵IV轴上的两个滑移齿轮及IV轴上的一个滑轮齿轮，注意他们的动作过程和啮合位置。
（5） 结合现教图观察主轴前轴承、中轴承、后轴承，轴上齿轮离合器的构造，了解前后轴承的作用及调整方法。
（6） 观察卸荷皮带轮的结构。
（7） 了解主轴箱的润滑系统及各传动件的润滑油流经路径。
3、挂轮架
了解挂轮架的构造、用途和调整方法。
4、进给箱
结合进给箱展开图及传动系统图，观察基本组、增倍组操纵机构，螺纹种类移换机构，以及光杠、丝杠传动的操纵机构。
5、溜板箱
纵向、横向的机动进给及快速移动机构。丝杠、光杠进给的互锁机构、对开螺母机构。结合现教图了解超越离合器及过载保险装置。
6、刀架
刀架总体是由床鞍、横刀架、转盘、小刀架及方刀架五部组成。结合这些部件的结构和装配图分析其工作原理。
7、尾架
观察尾架的构造，尾架套筒的夹紧方法。尾架套筒与机床主轴中心线同轴度的调整方法。
8、床身
了解床身的整体结构，床身导轨分几组？各给的作用是什么？

三、思考题
1、卸载皮带轮是如何使皮带的拉力不传给轴而传给箱体？带轮的扭矩又是怎样传轴的？用简图说明之。
2、 摩擦片离合器的工作原理是什么？控制摩擦离合器，完成主轴正、反转，通过什么环节以保持离合器的自锁？
3、 超越集合器、安全离合器的用途和工作原理是什么？

实验二 车刀几何角度测量

一、实验目的与要求
1、掌握测量车刀几何角度的基本方法与所用仪器的工作原理。
2、弄清车刀各几何角度的定义及其在图纸上的标注方法。
3、巩固和加深对刀具几何角度定义的理解。
二、仪器和用具
1、车刀量角台。
2、直头外圆车刀、弯头外圆车刀、偏刀、切断刀。
三、车刀量角台的结构和工作原理
1、构造
车刀量角台的机构如图１－１所示。它主要由底盘、立柱、刻度板、小刻度盘、大指针、小指针、滑体、定位块、弯板等组成。
在设计、制造和检验车刀时，均以平行于单刀刀杆底面的平面作为基面，因此，在测量车刀的几何角度时，同样应以车刀底面作为基准。

2、工作原理
车刀的几何角度是在车刀的各辅助平面内测量的，而车刀上除了法剖面以外的所有剖面军垂直于车刀的基面。
因此，在设计量角台时，以工作台平面作为车刀的基面（车刀靠工作台平面和定位块定位），以大指针的平面C所在的平面代表个剖面，当工作台转到不同位置时，可能测出车刀各剖面内角度（包括切削平面内角度）。
测量基面内角度时，大指针C面代表走刀方向，将小指针指着测出的刃倾角λs的话：这时大指针（面所在的平面即为车刀的法剖面，因此，能测出车刀法剖面内角）。
测量车刀几何角度时，车刀置于工作台台面上，侧面靠定位块。
四、实验方法及步骤
（一）测主刀刃上的角度；
①主偏角Kr
大小指针为零，转动工作台使主刀刃靠大指针平面C，这时C面为主切削平面，则指针板上刻度线所对底盘上的角度即为Kr。
②刃倾角λs
调整滑体高度，使大指针底边靠刀刃。则大指针所指角度即为λs（右负、左正）。
③前角γ0
使工作台沿逆时针方向转９０゜ 这时C面为主剖面。调整滑体、定位块，使大指针底边靠前刀面，则大指针所指的角度为γ0（右负、左正）。
④后角а0
　　调整滑体和定位块位置，使大指针侧边靠后刀面，则大指针所指的角度为а0。

（二）测副刀刃上的角度；
①副偏角K,r
大小指针对零，转动工作态使副刀刃靠大指针C面，这时C面为副切削平面。指针板上刻度线所对底盘上刻度即为K,r。
②副后角а,0
　使工作台顺时针转过９０゜ ，调整滑体、定位块，使大指针侧边靠副后刀面，则大指针所指的角度为а,0。
（三）法剖面的角度：
①法剖面的前角γn
在主偏角的前提下，使工作台逆时针方向转９０゜ ，这时C面为主剖面，调整小指针，使小指针的角度指着测出的刃倾角λs的角度（这时大指针垂直于刀刃）。调整滑体，定位块，使大指针底边靠前刀面，则大指针所指的角度为γn（右负、左正）。
②法剖面的后角аn
　　　调整滑体和定位块位置，使大指针侧边靠后刀面，则大指针所指的角度为аn。

车刀几何角度测量实验报告

年 月 日
（一）实验目的与要求：

（二）实验数据记录

刀

号

车
刀
名
称

刀杆
尺寸
B×H
(mm×mm)
主剖面参考系的基本角度
（单位 度）
派生角
（单位 度）
法剖面
的前角
和后角
主
偏
角
Kr
刃
倾角
λs
前角

γ0
后角

а0
副偏角
K,r
副后角
а,0
楔角

ß0
刀尖角
εr
余偏角
ψr
前角

γn
后角

аn
1
直头外圆车刀

2
弯头外圆车刀

3
偏刀

4
切断刀

（三）绘制直头外圆车刀标注角度图（标出测量角度）

（四）实验结果分析讨论

实验三 加工精度的统计分析

一、 实验目的与要求
通过取样、测量，绘制控制图和频数直方图，分析工艺能力和工艺稳定性，使学生初步掌握机械加工误差统计分析的基本原理和方法。
二、 基本原理
研究加工精度的目的是研究各种因素对加工精度的影响及规律，从而找出减小加工误差，提高加工精度的途径。在机械加工过程中，工艺系统会受到多方面错综复杂的因素的影响，只有利用统计分析方法进行综合分析，才能较全面地找出误差产生的原因。进而采取相应的解决措施。在生产检验中，对工艺过程稳定性的分析大多采用x---R控制图分析法（点图法）；对工艺过程的加工精度的估计和工序能力系数的确定是采用误差的分布直方图分析法。
工序稳定性是指在给定的运行条件下，在规定的时间里工艺过程对加工质量稳定可靠的保证程度。通过顺序随机抽取小样本（小样本容量n=2～10件，总容量通常不少于100件）来获取反映有关加工误差随时间变化趁势的数据，进行计算处理，得到统计特征值x和R；由两值所作出的x点图控制工艺过程质量指标的分布中心，显示变值系统误差的影响，R点图控制工艺过程质量指标的分散程度，显示随机误差分散的大小和变化。两点图通常联合使用统称x---R图，根据若干个小样本的统计特征值x和R，制定出x---R图的中心线。及上下控制界线。在x点图上中心线CL=x= （x—所测零件尺寸或误差的随机变量，n—小样本容量，x—第ī个小样本平均值，k—小样本个数），小样本平均值近似正态分布，其分散范围遵循±3б原则，则上控制界线UCL=x+A2R，下控制界线CLC=x—A2R；在R图上，尽管小样本极差R的分布不是正态分布，但其分散范围超出R±3бR以外的概率很小，仍用±3б原则作为其分散程度的控制界线，中心线CL=R= ，上控制界线UCL= ,下控制界线LCL= （ 都是与小样本容量有关的常数，查相表）。求出了中心线和上、下控制界线，分别以X和R值为纵坐标，以组号为横坐标，以组号为横坐标，点上相应的点，并顺序联成折线，就构成了 图。图上点子的变化反映工艺过程是否稳定，点子的波动有两种不同情况。第一，当点子随机地分散在中心线两侧附近，远离中心线波动幅一般不大，接近上、下控制线的点很少，说明工艺过程是稳定的或说处于控制状态；第二，工艺过程中存在某种占优势的误差因素，以致点图上具有明显的上升或下降趋势，或出现幅度很大的波动，甚至有点子超出了控制线，说明工艺过是不稳定的。异常波动或工艺过程不稳定的标志为：1)点子在中心线一侧连续出现7次或更多；2）连续有7个或更多点上升或下降；3）点子在中心线一侧多次出现，连续11点中有10点，连续14点中有12点在中心线一侧；4）连续3点中有2点接近上或下控制线；5）点子保持周期性变化。
绘制分布直方图的方法是根据整批零件中随机抽取样本的加工尺寸或误差随机变量实测数据的大小顺序排列，根据样本容量（即抽取检测的零件数量）的大小将它们分为若于组（K组见下表），组距为D ，已知样本尺寸或误差最大值 和最小值 则其分散范围极差R= ，组距D= ，初定后，根据具体的尺寸或误差的大小进一步确定组距D和组数K，确定分散范围D·K要大于或等于极差R，在一个组距内样本容量（零件件数）称为这个组的频数M1，频数与样本容量之比M1/N称为频率F1，列出频数分布表（见附图2），然后，以确定的组距为底（横坐标），相应的频数M1为高度（纵坐标），按一定比例作一长方形，依次作出各组距的长方形，就构成了直方图。若在横坐标上每组中间值X1处，作垂直于底的垂线，其高等于相应的频数，把这些点顺序联起来就得到了接近理论分布曲线的折线，分布直方图可直观在看到工作尺寸或误差的分布情况。用算术平均值 （= ）和极差R(X －X )这两个参数即可大体表达这一批工件的加工情况。如果极差R小于公差带T,且R在图上置于T 范围内，说明本工序的加工精度能满足工件的公差要求，如果 值偏离所给定公差分散范围内对应超过T范围的部分为不合格品，以上所讲到的常值系统误差，和变值系统误差，随机误差三者的代数和构成了总的加工误差，工序能力系数 是指所选定的工序能力能够满中产品精度的程度 工序能力过高1.67≥Cр＞1.33,一级工艺，工序能力足够，1.33≥Ср＞1.00二级工艺，工序能力勉强。工序能力综合地反映出当工艺过程处于稳定的，正常状态时，此工序加工误差的正常幅值，根据上3а 原则，工序能力P=6а用其加工尺寸或误差的分散程度表示，但对于非正态分布的分布范围不能认不是6а，必须除以相对分布系数K(K值与分布图形有关，正态分布K=1，三角分布K=1.22，均匀分布K=1.73，瑞利分布K=1.14，偏态分布K=1.17)，其分布范围=6а/K，根据所绘制的直方图与所给定公差带相比较，并对非标准正态分布，通过Z= 坐标变换成标准正态分布查“F(Z)的值”表，经计算处理可确定出这批零件的合格率不合格率。
а1，Α1， D3, D4值
n/件
а1
A2
D3
D4
4
5
0.486
0.430
0.       73
0.58
0
0
1.       28
2.11
分组数的选定
样本容量n
25～40
40～60
60～10
100
100～160
组数K
6
7
8
10
11

三、 实验用设备、仪器和试件
机床：平面磨床
仪器：测量平台、千分表（或电感测微仪）标准块规
试件：203轴承外围（宽度已重磨），宽度基本尺寸 ㎜，精度IT8
四、 实验步骤
1、  将测量仪器定标、调零
2、  测量试件：每件测三次，取平均值记入原始数据表中（见附表1）
3、  数据处理：1）绘制 －R控制图
2）编制频数分布表（见附表2）；绘制直方图
3）计算工序能力系数C ，估算本工序合格率、不合格率
4、  工序分析：1）评价本工序的稳定性及工序能力
2）指出本工序是否应做调整或采取什么工艺措施
五、 微机辅助处理
学生应按要求完成实验内容，对实验数据除要求借助于计算器手工进行整理，绘出有关曲线图之外，作为对照，还应同时将所测得原始数据输入计算机进行数据处理，打印出 －R图，直方图及有关其它参数。
六、 实验报告要求
1、  实验名称
2、  实验目的与要求
3、  实验数据表格
1）  实验原始数据表
2）  －R图数据表
3）  频数分布表
4、绘制 －R控制图
5、绘制频数直方图，并标出本工序所要求的基本尺寸及公差带位置
6、计算工序能力系数C 合格率、不合格率。
7、实验结果的分析与讨论
1）  本工序的分布状态如何？工序是否稳定？若不稳定，试分析其可能原因。
2）  本工序的工序能力如何？
3）  机床是否需要调整？
4） 是否应采取什么措施以保证本工序稳定？

附：原始数据记录表
组号
测量值
每组平均值
x
每组极差
R
备注
X1
X2
X3
X4
1

N=4
A=
D=
X图
CL=x
UCL=X+AR
LCL=X-AR

R图
CL=R=
UCL=DR=
LCL=0
2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

平均值
X=
R=

频数分布表
组号
组距
（µm）
组中间值
（µm）
频数m1
频率f1
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

样本总数 N=
组 数 K=
Σm1=
Σf1=

实验四 车削力的测量

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。它直接影响工艺系统的变形，切削温度、刀具磨损及功率消耗。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，本实验就是利用最常用的万法——电阻应变测量法测量车削加工过程中的切削力。
一、 实验目的
1了解八角环形力传感器的结构和工作原理以及测力系统所使用仪器的工作过程。
2 了解切削参数（f、ap、κr、γ0、v）对切削力的影响规律。
二、 实验设备及用具
1. 车床:CA6140。
2. 仪器:CLS一J动态数显应变测力仪;
gB一07力传感器。
3. 工具:0-15Omm游标卡尺。
4. 双对数坐标纸。
5. 刀具:YA6硬质合金车刀若干把。
6. 试件45钢，直径现场定。
三、 实验仪器的工作原理
1.八角环形力传感器的结构
如图4-1所示:八角环形力传感器分为固定部分、弹变部分和装刀部分，且三部分为一整体，弹性部分包括上下两个八角环，八角环的内外侧有若干个电阻应

图4-1 八角环形力传感器的结构

变片。
2. 电阻应变片及工作原理
如图4-2所示:电阻应变片由基底1、敏件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。
电阻率比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。
3.电桥测量电路
电桥电路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，图4-3所示，

图4-2 电阻应变片

通过适当的粘贴，使电阻应变片R1、R2、R3和R4随应变的变化而分别变大利变小，且变化量分为△R1、△R2、△R3和△R4。
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。

图4-3 电桥测量基本点路

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。
4.八角环形电阻式力传感器的工作原理
八角状环弹性元件由圆环演变而来，当园环上施加径向力Fy时，园环各处的应变是不同的，根据分析可知与作用力方向成39.6°处B的应变等于零，此处称为应变节点。在水平中心线上则由最大应变，因此将四片应变片R1、R2、R3和R4如图4-4a所示那样粘贴， R1、R3受拉应力，R2和R4受压应力。
当圆环上施加径向力Fx时，应变节电处于A-A位置，将四片应变片 R5、R6、R7和R8粘贴于如图4-4b所述（39.6°），此时， R5、R7受拉应力，R6和R8受压应力。当圆环上同时受Fx、Fy作用时，把应变片组成图4-4e和4-4f所示的电桥电路，就可互不干扰地分别测得Fx、Fy，由于八角状环易于固定夹紧，所以常用它代替圆环。
当八角状环受主切削力Mz的作用时，它既受到垂直向下的压力，又受到弯矩的作用 (4-4d)。Fz力与各应变片轴向垂直不起影响，却使上部环受拉应力，下部环受压应力，因此将应变片R9、R10、R11和R12组成图4-4g所示电桥就可以测出Fz。这样，通过上述测力仪各应变片组成的三个全桥电路接入测试系统，就可以分别测出Fx、Fy、Fz。
四、 实验内容
1. 改变走刀量
f=0.1;0.2;0.3;0.4lmm/r。用每个走刀量分别切削一段金属，切削力从测力仪读出，记录测量结果。
2. 改变切削深度
ap=0.5;1;1.5;2mm
用每个切削深度分别切削一段金属，切削力从测力仪读出，记录测量结果。
3. 改变主偏角
kr=45º；60º；75º；90º；
用四把主偏角不同的车刀分别切削一段金属，切削力从测力仪上读出，记录测量结果。

图4-4 圆环与八角环

4．改变前角
γ0=0º；15º；30º
用三把前角不同的车刀分别切削一段金属，切削力从测力仪读出，记录测量结果。
5．改变切削速度
v = 3;20;30;100mm/min
用上述切削速度分别切削一段金属，切削力从测力仪读出，记录测量结果。
五、实验报告要求
1. 要有原始数据记录
2．对实验结果进行分析，绘出f-Fz、ap-Fz、kr-Fz、γ0-Fz 、v -Fz 变化曲线

实验五 车床静刚度的测定
一、实验目的：
1.了解机床刚度的测定方法之一：静载法。
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.巩固和验证机制工艺学中有关系统刚度的概念。
二、实验内容
用静载法测定车床刚度，着重测量记录车床主轴前顶针、刀架及尾架后顶针在受力后的位移，以便计算其各部件刚度及机床刚度。
三、实验设备
1.CA6140车床
2.弓形加力器和测力环各1件。
3.千分表4只。
4.磁性表座3个。
四、实验装置及方法简介
1.测试装置简图如图7-1所示：
2.机床测试点布置
通常由于床身变形很小，故一般都将床身看作是绝对刚体，在测试所有部件位移时都以床身作为测量基准，然而床身实际上也是一个变形零件，当为了测定床身刚度对综合刚度的影响时，测量基准必须选在平板或者地面上。
本实验测量仍选床身为基准，测点选机床主轴端部尾架套筒头部及刀架共三处。
3.加载方法和装置
加载装置采用弓形加载器，加载器平面可以绕前后顶尖轴线摆动，并固定于任一位置，加载器上各加载螺钉孔间夹角为150 ，这样就可以在一定范围内选取最切合实际的加载方向。在加载杆与模拟刀尖的压力用标定好的测力环测定，模拟刀尖应调整在车床前后顶尖的连线上。
五、实验步骤：（现场介绍）
1.将弓形加载器顶尖孔擦净，并装于机床顶尖间，保证后顶尖伸出长度L=30左右，根据要求的角度进行调整和安装加力螺钉。
2.安装模拟刀具在刀架上并使作用点与顶尖等高，夹紧之。
3.将测力仪如图所示，通过两钢珠装于加力螺钉与模拟刀具之间（在正式测量开始时测力仪上不应有与加载荷）。
4.在各测点位置上，分别安装相应的千分表（并调整指示值为零）。
5.转动加力螺钉，加载从0至600kg,然后卸载至零，每次增加50kg,间隔时间为2—3分钟。
6.记录各次不同载荷时各测点千分表或百分表的读数。
7.测量机床各测试截面间的距离。（填入相应表格）
8.卸下各仪表及工具，擦拭处理。