机制工艺实验指导书

-1-前言实验是《机械制造工艺学A》课程中重要的实践教学环节，用于巩固和补充课堂讲授的理论知识，培养学生的综合实践能力。为了搞好实验教学，对学生实验做出如下要求：一、预习实验在上实验课前，必须认真预习实验指导书，了解实验目的、实验用仪器设备的结构及工作原理、实验操作步骤，复习与实验有关的理论知识。二、上实验课1．按时上、下课，不得迟到、早退或旷课。2．上课时遵守学生实验守则，按使用方法照章严格操作，严禁违章操作，并注意安全。3．上课时要注意观察，认真分析，准确地记录实验原始数据。4．实验结束后要及时关掉电源，并对所用仪器设备进行整理，恢复到原始状态。5．经指导老师允许后方可离开。三、撰写实验报告1．实验报告应独立完成，不得抄袭他人成果。2．实验报告书写要工整。按照《机械制造工艺学A》课程大纲的要求，编写了此实验指导书，共有“车床静刚度测量”和“加工误差的统计分析”“机床主轴回转精度测试”三个实验。实验成绩应根据实验预习、实验操作及实验报告综合评定。完成全部实验方能取得参加期末课程考试的资格。-2-实验一车床静刚度测量一．实验目的1、了解机床静刚度对加工精度的影响。2、熟悉机床静刚度的测定方法。3、巩固所学机床刚度的概念，画出机床静刚度曲线。二．实验原理及方法机床静刚度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形的能力。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方向上的变形要比其它切削分力作用方向上的变形大得多，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在根据车床变行Ys为前后顶尖变形位移的平均值和刀架变形位移之和。Ys=Fy/Ks=1/2（Fy/2KsQ+Fy/2KsH）+Fy/KsD-3-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。本实验采用三向刚度仪的静态测定法测定车床静刚度。车床静刚度测定实验装置，如图1所示。图中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、模拟车刀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5进行加力F。F经钢球传至测力环3，由测力环的千分表指示出所加F力的数值。床头、尾座、刀架部件均在F力作用下发生变形位移，三个部位各安装一个千分表，测其变形位移YsQ、YsH、YsD。在根据公式计算出床头、刀架、尾座各部件的刚度，然后计算出机床静刚度Ks。实验时，加载螺钉孔间夹角a=15°，β角选为30°。根据公式：Fx=F•SinâFy=F•Cosâ•sinβFz=F•cosâ•cosβ注意事项：1．实验前擦净弓形加载器支架中心孔，调好机床可动部件和紧固部件，弓形β图1刚度测定加载装置123456-4-加载支架与主轴的联接要牢固不得有松动。2．实验所用千分表，在使用前要检查灵敏度，安装时要调好零点（预压1圈）。3．每次加载或卸载后，不应立即读数，应停一会再读数。三．实验仪器及器材1．车床CA6140。2．弓行加载支架。3．测力环。4．模拟刀杆（自制），安装在车床小刀架上。5．千分表磁力表座。千分表读数值（0.001mm）。四．实验步骤1．主轴和尾座各安装顶尖，将弓形加载架用接长套筒开口槽套与支架上的定位杆上，将其固定，将尾座固定螺钉紧固好。2．分别安装三块表，调整好零位。3．用弓形加载支架上的加力螺钉上的钢球压紧测力环，事先有一个预紧力。4．用加力螺钉由小到大依次加载，记录每次加载以后车床床头、刀架、尾座的变形位移。5．用加力螺钉由大到小依次卸载，记录每次卸载以后车床床头、刀架、尾座的变形位移。-5-附图外圆车削时力的分解加力仪读数格数与载荷关系表加力仪读数（mm）11.6882.3773.0683.7585.1386.5217.9079.299F（N）05001000150020003000400050006000五．分析整理实验数据1、加、卸载记录加力仪千分表读数（mm）车床部件位移量（mm）床头I刀架Ⅱ尾座Ⅲ加卸加卸加卸2、计算车床平均静刚度按公式分别计算刀架刚度KsD、前顶尖刚度KsQ、后顶尖刚度KsH最后计算车床平均静刚度Ks。-6-3、画出车床各部件（床头、尾座和刀架）的刚度曲线六.思考题1．实验中，加载曲线与卸载不重合，为什么？塑形变形2．当载荷去除后，变形恢复不到起点，什么因素影响的？①连接表面间接触变形的影响由于零件表面存在着宏观的几何形状误差与微观的表面粗糙度-使零件间实际接触状态为表面间相对凸起的峰点面接触，所以实际接触面积只是理论接触面积的一小部分。当外力作用时，接触面上将产生较大的接触应力而引起接触变形，其中既有表面层的弹性变形，也有局部塑性变形。试验表明，接触表面间载荷增大，压强增大，接触变形也增大，且接触刚度也将随之增大。同时连接表面的接触剐度受接触表面材料、硬度，表面的纹理方向等许多因素的影响。②零件间摩擦力和接合面间隙的影响机床部件受力变形时，零件接触表面间会发生相对错动，加载时摩擦力阻碍变形增大，卸载时摩擦力阻碍变形恢复。因而造成加载和卸载刚度曲线不重合。零件配合表面间的间隙，会引起配合件的相对错位，所以，配合件受单向载荷后，间隙消除，表面相互接触刚度增大，对加工精度影响减小。③部件中薄弱零件变形的影响部件中的薄弱零件受力后会产生很大的变形，使整个部件的刚度降低。如溜板箱部件中细长的楔铁，刚性差，不易加工平直而与导轨面配合不良，或轴承衬套因形状误差而与孔体接触不良，在载荷作用下，都极易产生变形而使整个部件的刚度降低。-7-实验二加工误差统计分析一、实验目的1、通过研究一批零件在加工过程中尺寸的变化规律，分析其误差的原因，掌握加工过程误差统计分析的基本原理和方法。2、熟悉运用计算机辅助误差测控试验平台进行误差数据的采集、运算、结果显示和打印。2）熟悉直方图的作图法，能根据样本数据确定分组数、组距，由直方图作出实际分布曲线，进而将实际曲线与正态分布曲线相比较，判断加工误差性质，评定工序能力系数CP，根据给定的精度要求估算合格率。3）熟悉Rx质量控制图的作图法，能根据Rx图判断工序加工稳定性。二、实验仪器与设备1、D913型轴承检查仪2、100根外圆为020.0025.030粗磨曲柄销-8-3、装有“统计过程控制（SPC）软件”的计算机一台三、实验原理与方法加工误差可以分为系统误差和随机误差两大类。系统误差指在顺序加工一批工件中，其加工误差的大小和方向都保持不变或按一定的规律变化，前者称常值系统误差，是由大小和方向都一定的工艺因素造成；后者为变值系统误差，由大小和方向有规律变化的工艺因素造成。随机误差指在顺序加工一批工件中，其加工误差的大小和方向都是随机的，是许多相互独立的工艺因素微量的随机变化和综合作用的结果。实际加工误差往往是系统误差和随机误差的综合表现，因此，在一定的加工条件下，要判断是某一因素起主导作用，必须先掌握一定的数据资料，再对这些数据资料进行分析研究，判断误差的大小、性质、及其变化规律等。然后再针对具体情况采取相应的工艺措施。统计分析方法可用来研究、掌握误差的分布规律和统计特征参数，将系统误差和随机误差区分开来。1．误差的分布图分析法：根据概率论理论，相互独立的大量微小随机变量，其总和的分布接近正态分布。这就是说，对于随机误差，应满足正态分布。根据数理统计的原理，随机变量全体（总体）的算术平均值和标准差可用部分随机变量的算术平均值x和标准差S来估算，其值是很接近的。这样，就可由抽检样本来估算整体。在机械加工中，用调整法加工一批零件，当不存在明显的变值系统误差因素时，其尺寸分布近似于正态分布。根据上述原理，在本实验中，通过检测曲柄销直径，来模拟一批零件的加工误-9-差的数据样本，不同直径，可以看成是该加工工艺系统中众多随机误差因素综合作用的结果。根据该误差数据样本绘制实验分布图（即直方图）和正态分布曲线。若该分布图呈正态分布，表明加工过程中是影响不突出的随机性误差起主导作用，而变值系统性误差作用不明显；若分布图的平均偏差与公差带中点坐标不重合，表明存在常值系统误差；若所分析的误差呈非正态分布，则说明变值系统误差作用突出。实验分布图（即直方图）和正态分布曲线的绘制方法如下：假设有一个误差数据样本，其样本容量为n，样本数据的最大值为maxx，最小值为minx，并记极差minmaxxxR。将数据分为K组，K的选取与样本容量n的大小有一定的关系，可参见教材。确定K值以后，即可按D=R/K确定组距。样本值落在同一误差组的个数即为频数im，频数与样本容量n之比，称为频率if。以组距为横坐标，以频数为纵坐标按一定比例作出各个数据组的长方形，就构成了直方图。正态分布概率分布密度函数为：其中σ、μ是正态分布曲线的两个特征参数，分别为随机变量总体的标准差和均值。样本的标准差的估算值为：样本的均值为：根据x和S即可绘出样本的正态分布曲线。21212xye2111niiSxxn11niixxn-10-2．点图法由于分布图法采用随机样本，不考虑加工顺序，因而不能反映误差大小、方向随加工先后顺序的变化，此外，分布图法是在一批工件加工结束以后进行分析的，它不能及时反映加工过程误差的变化，不利于控制加工误差。因此，如何使工艺过程在给定的运行条件下，在给定的工作时间内，稳定可靠地保证加工质量是一个重要问题。这就是工艺过程稳定性的问题。按照概率论中的中心极限定律，无论何种分布的大样本，其中小样本的平均值趋向于服从正态分布，这样，从统计分析的一般角度，认为若某一项质量数据的总体分布的参数（例如σ、μ）保持不变，则这一工艺过程是稳定的。因此，可通过分析样本统计特征值x、S推知工艺过程是否稳定。总体分布参数μ可用样本平均值x的平均值x估算，总体分布参数σ可用样本极差的平均值R来估算。通常采用点图（控制图）法来进行工艺过程稳定性的分析。用点图来分析工艺过程稳定性首先要采集顺序样本，这样的样本可以得到在时间上与工艺过程运行同步的有关信息，反映出加工误差随时间变化的趋势，以便对加工工艺过程质量的稳定性随时进行监视，防止废品产生。误差点图有个值点图和样组点图两类，其中样组点图较常用的是Rx点图(即平均值-极差点图)。Rx图是平均值x控制图和极差R控制图联合使用时的统称。前者控制工艺过程质量指标的分布中心，后者控制工艺过程质量指标的分散程度。根据数理统计的中心极限定律，即使不知原始数据的分布，但它们的平均值分布近似于正态分布。总体分布越接近正态分布，样本平均值的分布就更接近正态分布，此时所需样本的容量也可越小。Rx点图的绘制方法如下：1）数据抽样绘制Rx图是以小样本顺序随机抽样为基础的，通常的要求是在工艺过程进-11-行中，每隔一定时间，如半小时或一小时，从这段时间内加工的工件中，随机抽取几件作为小样本，小样本的容量N=2～10件，求出小样本的统计特征值的平均值和极差R。经过若干时间后，取得K个小样本，通常取K=25，这样，抽取样本的总容量一般不少于100件，以保证有较好的代表性。在本实验中，采取小样本容量N=5，K=20。2）绘X点图和R点图以分组序号为横坐标，每组尺寸的平均值X为纵坐标绘制X点图；以分组序号为横坐标，每组尺寸的最大值与最小值之差R为纵坐标绘制R点图。X、R分别按下式计算：niixnx11minmaxxxR式中：n——每组的工件数(即小样本容量)；xi——第i个工件的尺寸；maxx、minx——每组误差的最大、最小值。再绘Rx图的中心线和上下控制线。根据数理统计