机械制造技术基础指导书.docx
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机械制造技术基础指导书
《机械制造技术基础》
综合实验指导书
邝伟春
华南理工大学
2009年10月
机械加工技术综合实验
一、综合实验的重要性和要求
实验是人们认识自然界的基本方法之一，就培养学生而言，它是整个教学过程的环节之一，是课堂的继续，她能使学生真正了解与掌握所学的基本理论与基本概念。
但是，本课程过去所开的实验都是一些验证性实验，而且多由老师或实验室人员示范，学生进行观察，因此实验效果不佳，学生的兴趣不高，达不到实验预期的目的，为此，我们对过去的实验进行改革。
改革的目标有三点：
第一，将过去验证性的实验改为设计性实验；第二，将过去分散性的实验改为综合性实验；第三，将过去封闭式实验改为开放式实验。
通过改革，使学生达到下述要求：
1）进一步理解与加深课堂学过的基本理论。
2）掌握计算机与仪器的使用与操作技能。
3）提高观察现象、分析问题以及运用知识解决实际问题的综合能力。
为达到上述目的，就要求学生端正对综合实验课认识和态度，明确实验的重要性。
同时要求学生在进行实验前根据实验指导书的内容认真地预习；在实验过程正确使用仪器与计算机；深入地观察加工中的各种现象；及时准确地记下各种必要的数据。
在实验之后写出实验报告书并对实验结果进行讨论与分析，最后提出解决问题的措施与方法。
二、综合实验的内容
《机械制造工程学》是机械工程自动化与机电专业学生进入专业课学习阶段前设置的一门综合性课程，是一门专业性、综合性与实践性很强的课程，它主要介绍机械制造方面的基本理论、基本知识与基本技能，为后续课程打下良好的基础。
为了使学生更好地掌握本课程的基本理论与知识，综合实验内容重点放在机械加工技术方面，另外考虑到时间因素，实验内容要精简，做到重点突出，为此综合实验具体内容包括以下：
1．制定零件的机械加工工艺规程。
2．进行零件机械加工。
3．用计算机进行辅助测量。
4．实验结果分析与对策。
三、综合实验的原理与方法
1．制定零件的机械加工工艺规程
工艺规程是指按工艺过程中有关的内容写出的表格，它是指导零件生产的主要技术文件，包括定位基准的选择、工艺路线的拟定、加工余量可工序尺寸的确定，时间定额及经济分析等内容，最后还要求写出机械加工工序卡。
在进行这项工作时，要重点注意几个问题：
定位基准的选择——要求制定两个以上的定位方案，并进行比较与分析，找出较佳方案。
在进行精基准选择时，要尽量遵循“基准重合”、“基准不变”、
“基准互为”、“基准自为”、“基准可靠”等五原则。
如不能全面兼顾时，要学会根据零件的具体要求灵活选择，但必须确保零件的加工质量。
要求按有关原则选择。
拟定工艺路线
拟定零件机械加工路线时，要解决的主要问题有：
各表面的加工方法、机床设备选择、加工阶段的划分、工序的划分与安排等。
A）加工方法选择
不同的加工方法，其用途各不相同外，所能达到的精度与表面粗糙度也大不一样，即使同一加工方法，在不同加工条件下，所得到的精度与表面粗糙度也不相同。
从经济性考虑，选择加工方法时，希望它能达到经济精度与经济表面粗糙度。
为此具体选择加工方法时要考虑下面四个因素：
第一，要根据零件的各个表面的技术要求选择。
第二，要考虑被加工材料的性质。
第三，要考虑生产类型。
第四，要考虑现有设备与加工条件。
B）机床设备选择
加工方法决定后，应选择合适的机床以满足工件各表面的加工要求，主要从以下四个方面考虑：
第一，机床尺寸应与零件的外廓尺寸相适应。
第二，机床尺寸精度应与零件的加工精度相适应。
第三，机床参数应与零件最合理的切削用量相适应。
第四，机床生产率与工件的生产类型相适应。
在本次综合实验中，使用的机床有C6140A1车床、Y38滚齿机、XK5032立式铣床。
在使用在这些机床前，我们必须了解其功能、结构特点及使用方法，以便在实验中获得更好的加工效果。
C）加工阶段的划分
机械加工时，通常将过程划分为粗加工、半精加工、精加工三个阶段。
每个阶段达到的目的不同。
粗加工阶段是从毛坯上切除大部分余量，半精加工阶段为精加工做好准备，精加工阶段是保证零件的精度与粗糙度。
当然，要分几个阶段，视零件的生产类型与加工要求而定，在某些情况下，划分加工阶段并不是绝对的。
D）工序的划分与安排
在制定工艺过程中，必须合理对工序合理划分与安排。
第一，工序的划分。
划分工序时有两个不同的原则，即工序的集中和工序的分散。
工序集中即一个工件的机工只须集中在少数几个工序内完成。
工序分散即一个工件的加工安排在较多的工序内完成。
是选择工序集中还是工序分散，主要取决于零件的生产类型：
在单件小批量生产时，采用工序集中；在大批量生产时采用工序分散。
第二，工序的安排。
在进行机械加工时，工件各表面的加工顺序,一般按下述原则安排：
先粗后精，先基准后其它；先主后次，先面后孔。
③加工余量与工序尺寸确定
加工余量特别是工序余量的确定通常采用二种方法。
其一计算法——在计算之前，需找出四种因素的影响大小，即上工序表面质量（Ra与Ta）、上工序尺寸公差（δa）。
上工序各表面相互位置空间偏差（Pa）与本工序加工时的安装误差（△b）。
在实际计算时可根据具体加工条件进行简化。
采用这种方法可确定出最合理的加工余量，其二查表法，即查阅有关工艺手册定出，这种方法比较快捷。
工序尺寸的确定常采用尺寸链计算方法。
在计算时要注意两种情况，其一，工序基准与设计基准重合时工序尺寸的计算，这种情况较简单，可用“反推法”
求出。
其二，工序基准与设计基准不重合时工序尺寸的计算，这种情况较复杂，可用工艺尺寸链表计算求出。
2、进行零件的机械加工。
在制定了工艺规程后就可安排零件的机械加工。
为保证加工质量，要注意以下几个问题：
1减少金属切削变形与切削力
在机械加工过程中，被切金属在刀具切削挤压作用下，产生了切削变形。
如何减少切削变形，这对于提高加工效率，降低成本，改善加工质量是非常重要的。
衡量切削变形大小的方法有两种：
第一，变形系数∧h=ach/ac=Lc/Lch即变形系数等于切屑厚度与切削层厚度之比或切削层长度与切屑长度之比。
Ξ愈大，表时切削变形愈大。
第二，相对滑移ε=△S/△Y即滑移距离与滑移层厚度之比。
变形系数能直观地反映了切屑的变形程度且易测量。
因此在实验中常常采用。
影响切削变形的因素很多，如刀具角度、切削用量、工件材料等。
要想减少切削变形，可通过下列主要途径。
增大刀具前角；增大切削速度；适当增大进给量；适当提高工件材料硬度。
切削力是金属切削过程中又一个重要的物理现象。
它直接影响到刀具、机床和夹具的设计与使用。
因此在切削过程中，必须适当控制切削力的大小。
在机械加工中，影响切削力大小因素有很很多。
我们可通过下列主要途径减少切削力：
通过热处理，减少工件材料的硬度；选择合适的切削用量（尤其是ap与f）；选择合适的刀具角度；减少刀具的磨损（添加切削液）。
2合理选择刀具角度
刀具角度的合理选择是机械加工中的一个十分重要的问题。
它直接影响加工质量、刀具耐用度与加工效率。
作为一把刀具，基本的角度有六个，即前角r0，后角α0，主偏角Kr，刃倾角λs，副后角α0’，副偏角Kr’等。
其中，前角影响切削过程中的变形与摩擦。
影响刀具的强度。
因此，在刀具强度许可条件下，尽量选用大的前角；后角主要影响切削中的摩擦与刀具强度。
在粗加工时以保证刀具强度为主，在精加工时以保证表面质量为主。
至于其它角度，可按有关原则选取。
3合理选用取切削用量。
当确定了刀具几何角度后，还要合理选择切削用量参数，Vc、f、a0后才能切削加工，切削用量选得过低，降低生产率，增加生产成本；切削用量选得过高，加速刀具磨损，降低加工质量，增加磨刀费用。
同样影响生产效率与生产成本。
因此必须合理选择切削用量。
影响切削用量合理选择的四个因素是生产效率、机床功率、刀具耐用度、表面粗糙度。
综合上述四个因素的影响，切削用量的选择应遵循下述原则：
首先，选择一个尽量大的背吃刀量αp，其次选择一个较大的进给量，最后根据已确定的αp与f。
在刀具耐用度与机床功率允许下选择一个合理切削速度Vc。
具体选择方法：
背吃刀量——选取时尽量一次将大部分余量切掉，当余量太大时，可分两次或多次切掉。
进给量——选取时主要受表面粗糙度与刀具强度限制，可查表确定。
切削速度——选取时与工件材料、刀具类型与材料有关，应按具体情况查表确定。
4合理选择切削液。
从所周知，切削液的四大作用是冷却、润滑、防锈与清洗。
主要用来减少切削过程中的摩擦与降低切削温度。
合理使用切削液对提高刀具的耐用度与加工表面质量起了重要的作用。
常用的切削液有：
水溶液、切削油、乳化液、极压切削液。
切削液的功用各有不同，在粗加工时，宜选用水溶液、低浓度乳化液；在精加工时，宜选取切削油、高浓度乳化液。
对难加工材料，宜选取极压切削液。
3、用计算机进行辅助测量
（1）切削力测量原理与方法
切削力是金属切削过程中的一个重要的物理现象，它直接影响加工质量的优劣。
当切削力较小且波动不大时，切削过程平稳，加工质量较高。
反之，则加工质量较差。
因此如何测量与控制切削力的大小，则是机械加工技术中要解决的一个重要问题。
目前切削力的测量常采用电阻变片式测力仪，其以法律为灵敏度高，线性好，滞后现象小。
下面简单介绍单向电阻应片式测力仪的构造和工作原理：
在测力仪的弹性元件上粘贴有一定电阻值的电阻应变片，然后把它们联接成电桥（如上图一所示）。
电桥各臂的电阻分别为R
、R4、Ra、Rb，其中R1、R4是粘在测力仪的弹性元件上，而Ra、Rb是电阻应变仪内的电阻，如果R
/R4=Ra/Rb，则电桥平衡，即B、D两点间的电位差为0，电流表中没电流通过。
在切削力的作用下，电阻应变片随着测力仪弹性元件变形而变形，从而改变了电阻值。
其中R1受到张力，长度增大，截面积减小，于是电阻值增大；而R4受到压力，长度变短，截面积增大，于是电阻值减少。
这样一来，电桥的平衡条件受到破坏，B、D两点间产生电位差，电流表中有电流通过。
电流表读数一般与切削力的大小成正比，测力时，只要知道了电流表的读数值，再根据标定公式就能得到相应的切削力数值。
一般来说，电桥输出端的电位差及由此产生的电流是极其微小的，因此还必须通过电阻应变仪进行放大，然后才能把电流显示出来。
下面是采用计算机辅助切削力测量原理与方法（如图二所示）。
测量前，按上框图将机床——测力仪——应变仪——采样装置——主机——显示器——）磁盘机——打印机联接好。
切削时，刀具将受到的切削力作用于测力仪上，使测力仪产生变形并引起一定的应变，这应变量通过粘贴在测力仪上电阻应变片转变为电量并经电阻应变仪放大，由采样装置转变为数字量，按采样软件指定频率，将数字信号传送计算机，计算机将这些数据按软件给定处理方式，整理出切削力的经验公式，并绘出切削力的实验曲线，给出有关实验数据。
实验方法和步骤如下：
1）联接测力系统
首先，将测力仪紧固在机床工作台，三个电桥盒分别插入测力仪三个Fx、Fy、Fz插座上，拧紧插头，不能松动（如用冷却液，需用705密封胶把插座、计算机A/D板插座中。
（A/D板已插入出境机ISA扩展插槽，并自动识别5号中断口）。
建议Fx、Fy、Fz依次对应应变仪和A/D板1、2、3通道。
2）调整仪器
应变仪调平衡
采样装置（A/D板）标定
数据采集与处理
按所设计实验方案制定切削用量，作好切削准备工作。
单击应用程序FAS-4DE主菜单中“选项”，设定“采集点数”、“测力仪序号”（当只有一台测力仪时，测力仪序号为“1”）、“数据存储方式”、“打印放大倍数”等，用来控制数据采集过程。
选项完成后，返回主菜单，开始切削。
再单击主菜单上“数据采集”，弹出下拉子菜单，单击其中“采集数据”，即可实现数据采集，完成所设定采集点数，采样工作完成，窗口中采样曲线停止移动，并显示采集时间。
返回主菜单界面，停止切削。
采集过程中，用鼠标点取曲线上任意一点，可在窗口下部显示该瞬时有关数据及时间。
在“数据采集”下拉子菜单上点“回数据”可回放察看已采集到的数据和图形。
微机可根据在主菜单“数据处理”下拉子菜单中所选项目，自行完成“平均值”、“自相关函数”或“互相关函数”等项数据处理工作，并在显示窗口上显示出来。
如此反复循环，直到实验方案和结果完成为止。
实验处理图形和数据可依照预先设定格式通过联机的打印机打印出来。
四、综合实验评分标准
1、实验成绩评定（X）
1）预习与试件准备10分
2）机械加工实验60分
3）实验仪器调整与测试30分
2、实验考试成绩（Y）
1）实验报告书70分
2）零件质量评定10分
3）工作表现（计算机能力与创新思维）20分
3、学生实验总评成绩（Z）
总评成绩Z=0.5X+0.5Y
实验一车刀几何角度的测量
记录1：
刀
具
名
称
刀
杆
截
面
刀具测量结果（以度计）
前
角
γo
后
角
ɑo
刃
倾
角
λs
主
偏
角
Kr
副
偏
角
K'r
副
后
角
ɑ'o
法
向
前
角
γn
法
向
后
角
an
深
切
前
角
γp
进
给
前
角
γf
外圆车刀
端面车刀
切断刀
记录2：
画出外圆车刀简图，并在图上标注出所测量的具体角度数值。
实验二切削层变形的观察及变形系数的测量
记录1：
切削速度Vc对∧h的影响。
工件材料：
D=
车刀材料：
切削用量
f=
ap=
车刀角度
γo=Kr=λs=
ɑo=K'r=ɑ'o=
切削速度
Vc（m/s
主轴转速n（r/s）
工件一圈长度Lc（mm）
切屑一圈长度Lch（mm）
切屑性质
变形系数
∧h=Lc/Lch
∧h——Vc关系图
∧h
Vc
结论：
切削速度愈大，则变形系数∧h愈。
切削速度愈大，则切屑成状愈明显，粗糙度愈
记录2：
进给量f对∧h的影响
工件材料：
D=
车刀材料：
切削用量
Vc=
ap=
车刀角度
γo=Kr=λs=
ɑo=K'r=ɑ'o=
走刀量
f（mm/r）
工件一圈长度Lc（mm）
切屑一圈长度Lch（mm）
切屑性质
变形系数
∧h=Lc/Lch
∧h——f关系图
∧h
F
结论：
进给量愈大，则变形系数∧h愈。
进给量愈大，则切屑成状愈明显，粗糙度愈
记录3：
刀具前角γo对∧h的影响
工件材料：
D=
车刀材料：
切削用量
Vc=
f=
车刀角度
γo=Kr=λs=
ɑo=K'r=ɑ'o=
前角γo
工件一圈长度Lc（mm）
切屑一圈长度Lch（mm）
切屑性质
变形系数
∧h=Lc/Lch
∧h——γo关系图
∧h
γo
结论：
前角愈大，则变形系数∧h愈
前角愈大，则切屑成状愈明显，粗糙度愈
实验三切削力的测定
记录1：
切削深度ap对Fc的影响
工件材料：
45＃D=
刀具材料：
YW1涂层刀具
切削用量
V=
车刀角度
γo
Kr=
f=
K'r==
顺序
切削深度
切削测力仪读数
相应的Fc
1
×100
2
×100
3
×100
4
×100
5
ap------Fc关系图
Fc
ap
结论：
记录2：
进给量f对Fc的影响
工件材料：
45＃D=
刀具材料：
YW1涂层刀具
切削用量
V=
车刀角度
γo
Kr=
ap=
K'r==
顺序
进给量
切削测力仪读数
相应的Fc
1
×100
2
×100
3
×100
4
×100
5
f------Fc关系图
Fc
f
结论：
记录3：
切削速度V对Fc的影响
工件材料：
45＃D=
刀具材料：
YW1涂层刀具
切削用量
f=
车刀角度
γo
Kr=
ap=
K'r==
顺序
切削速度
切削测力仪读数
相应的Fc
1
×100
2
×100
3
×100
4
×100
5
V------Fc关系图
Fc
V
结论：
实验四C6140A1车床传动结构
记录1：
机床的主要技术参数
最大加工直径主轴转速范围
最大加工长度进给量范围
记录2：
机床运动运动路线
1）主运动传动路线表达式
2）加工公制螺纹传动路线表达式
3）纵向进给传动表达式
记录3画出主传动转速图
实验五加工精度统计分析
实验目的：
一、原始数据记录
1、
—R图数据表基准尺寸=mm
组
号
测量值
R
组
号
测量值
R
x1
x2
x3
x4
x1
x2
x3
x4
1
14
2
15
3
16
4
17
5
18
6
19
7
20
8
21
9
22
10
23
11
24
12
25
13
图CL=
=R图
UCL=
+A
=CL=
=
LCL=
—A
=UCL=D
=
合计
平均
系数
A
D
4
2、频率分布表
组号
组界（
）
组中界（
）
频数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
二、绘制
—R控制图
（
）
组序
R（
）
组序
三、绘制频数直方图，并在纵坐标左旁画出工序公差带，标出公差带中心CT
y（
）
频数
y（
）
四、计算工艺能力系数
=
=
S=
=
F=6S=
Cp=T/P=
五、试验结果的分析与讨论
1、本工序的分布状态如何？
2、本工序是否稳定？
如果不稳定，试分析器原因。
3、本工序的工艺能力如何？
4、机床是否需要调整？
5、是否需要采取什么措施才能保证本工序稳定?
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