机械制造技术基础实验指导书.docx
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机械制造技术基础实验指导书
《机械制造技术》实验指导书
郑州科技学院
机械工程系
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1-1为车刀切削部分的构造要素。
图1-1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1-2所示。
图1-2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1-3所示。
图1-3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,就是副偏角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。
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3-1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。
图3-145钢实验用小轴
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
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3-2)。
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)
或
(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(3)
图3-2尺寸分布直方图
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
一、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。
二、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。
三、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。
四、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4-1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4-2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。
图4-2压电式切削力测量仪结构简图(车刀)
五、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
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