机械制造技术基础 B 实验指导书

机械制造技术基础B

实验指导书

河南科技大学 2007年3月

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目 实验一 车刀几何角度测量 实验二 车床三箱结构认识 实验三 机床工艺系统刚度测定实验四 加工误差统计分析 实验五 夹具拆装实验

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录

实验一 车刀几何角度测量（ 2 学时）

一、实验目的

1、加深对刀具几何角度及各参考坐标平面概念的理解；

2、了解万能量角台的工作原理，掌握刀具几何角度的测量方法； 3、学会刀具工作图的表示方法。

二、实验设备

1、万能量角台一台。 2、测量用车刀若干把。

三、实验原理

刀具几何角度的测量是使用刀具角度测量仪完成的，刀具角度测量仪即万能量角台的测量原理如图1-1所示，立柱式万能量角台主要由台座、立柱、垂直升降转动套、水平回转臂、移动刻度盘和指度片等零件组成。松开侧锁紧螺钉，可使垂直升降转动套带动水平回转臂上下移动，松开前锁紧螺钉，可使水

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1.台座 2.立柱 3.前锁紧杆 4.滑套

5. 侧锁紧螺杆 6.挡片 7.水平转臂 8.挡片 9.移动刻度盘

10.指度片 11.紧固螺钉 12.定位销钉

图1-1 万能量角台示意图

平回转臂和移动刻度盘绕水平轴转动。移动刻度盘可沿着水平回转臂上的水平槽水平移动，并根据测量需要紧固在某一确定位置。指度片可绕螺钉销轴转动，其底部靠近被测量的表面，指针指示测量角度。用上述这些零件位置的变动，即可实现各参考平面内刀具角度的测量。测量时，刀具放在台座上，以刀杆的一侧靠在两定位销内侧定位。

四、实验内容

1）测量主偏角kr

滑套上的“0”刻度对准立柱上的标定线，测量时只可上下移动，不得转动。

转动水平回转臂，使其上的“0”刻度线对准滑套上的标定线。调整测量指度片，使指度片的底面与主切削刃重合，制度片的指针所指的角度为主偏角kr。 2）测量负偏角kr'

方法同上，只是让指度片的底面与副切削刃重合，指针所指读数为负偏角kr'。 3）测量前角0

滑套上的“0”刻度对准立柱上的标定线后，再把滑套相对于标定线顺时针转动一个主偏角的余角，转动水平回转臂，使水平回转臂上的“90”刻度线对准滑套上的“90” 刻度线，调整指度片，使指度片的底面与前刀面重合，制

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度片的指针所指的角度为0。 4）测量后角0

方法同上，只是让指度片的后侧面与主后面重合，指度片指针所指的角度为后角0。

5）测量刃倾角s

滑套上的“0”刻度对准立柱上的标定线后，再把滑套相对于标定线逆时针旋转一个主片角使主刀刃与指度片的前侧面靠紧 ，再沿立柱移动滑套，使指度片的底侧面与主刀刃贴紧，指度片指针所指的角度为s。

五、实验注意事项

1、 调整角度要准确，该靠紧的面要全部靠紧。 2、 该松的零件要放松，该紧固的零件要拧紧。 3、 注意安全，不要让刀刃碰住身体。

六、实验报告（格式）

1、实验目的： 2、实验仪器：

3、实验数据：

表1-1 实验数据表

车刀名 称 车 刀 角 度（以度计） 主 副 刃 前角 后角 偏 偏 倾 角 角 角 副 后 角 ' or0 外圆车刀 切断刀 n 0 n kr kr /s 4、思考题：

1）根据测量结果，绘制所测刀具的工作图；

2) 刀具标注角度参考系有哪些？有何不同？作用为何？

3）法剖面与主剖面有何不同？法剖面前后角与主剖面前后角的关系？ 4）图示45°弯头车刀车外圆和端面时，主副刀刃分别在什么位置？

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实验二 车床三箱结构认识（2 学时）

一、实验目的

1、了解主轴箱、进给箱、溜板箱的内部结构，加深对车床的感性认识； 2、了解主轴箱、进给箱、溜板箱的基本组成及传动路线； 3、了解主轴箱、进给箱、溜板箱中各操纵机构的功能及结构；

二、实验设备

CA6140普通车床

三、实验原理

（一）主轴箱

CA6140车床的主轴箱是一个比较复杂的部件。工件的旋转运动和车刀的纵横向运动都是通过主轴箱传递。了解车床的传动原理首先应从了解主轴箱的传动原理开始。图2-1是主轴箱的传动系统图。实验时可将实物与图纸进行对照，加深对主轴箱内部结构的了解。

1、卸荷式带轮

2-1 主轴传动系统图 7

如图2-2所示，主轴箱的动力是主电机经过皮带轮和三角带传给轴Ⅰ并输进主轴箱，为防止轴Ⅰ在三角带的张力作用下产生弯曲变形，设计时将皮带轮先通过花键套、滚动轴承和法兰盘安装在箱体上。从而使张力由床身承受，扭矩由花键套传给轴Ⅰ。轴Ⅰ不再因皮带的张力而产生弯曲变形，故轴Ⅰ上的零件的工作条件得到改善。

图2-2 卸荷带轮、双向摩擦离合器、制动器及其操作机构

2、双向多片式摩擦离合器

如图2-2所示，双向多片式摩擦离合器安装在轴Ⅰ上。摩擦离合器由内摩擦片2 、外摩擦片3 、止推片4 、压块7 及空套齿轮1和8组成。左离合器传动主轴正转，正转主要用于切削，传递的力矩较大，所以片数较多（外摩擦片8片，内摩擦片9片）。右离合器传动主轴反转，主要用于退刀，片数较少（外摩擦片4片，内摩擦片5片）。内摩擦片2 安装在轴Ⅰ的花键上，与轴Ⅰ一起旋转。外摩擦片3的外圆上有四个相当于键的凸起装在齿轮1的缺口槽中，外片空套在轴Ⅰ上。当杆9通过销5向左推动压块7时，内片2和外片3相互压紧，于是轴Ⅰ的运动便通过内外片之间的摩擦力传给齿轮1 ，使主轴正向转动。同理，当压块7向右压时，可使右离合器的内外摩擦片压紧，使主轴反向转动。当压块7处于中间位置时，左、右离合器都处于脱开状态，这时轴Ⅰ虽然转动，但离合器不传递运动，主轴处于停止状态。

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3、变速操纵机构

主轴箱有7个滑动齿轮，其中五个用于改变主轴的转速，另有两个分别用于车削左右螺纹及正常螺距、扩大螺距的变换。在主轴箱有三套操纵机构操纵这些滑动齿轮。它们分别是:

(1) 轴Ⅱ和轴 Ⅲ 上的滑动齿轮的操纵机构（如图2-3）； （2）轴Ⅳ和轴 Ⅵ 上的滑动齿轮的操纵机构（如图2-4）； （3）轴Ⅸ和轴 Ⅹ 上的滑动齿轮的操纵机构。

图2-3 轴Ⅱ和轴Ⅲ上滑动齿轮的操作机构

图2-4 轴Ⅳ和轴Ⅵ上滑动齿轮的操作机构

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4、主轴箱中各传动链的润滑

主轴箱和进给箱的润滑是有专门的润滑系统供油的。装在左床腿上的润滑油泵是由电机经三角带传动，油泵转动后，就使装载左床腿内的润滑油经粗虑油器及油泵，由流到细虑油器中，然后再由流到分油器内，于是润滑油便通过分油器的油孔和各分支对传动件和操纵机构进行润滑。 （二）进给箱 图2-5 CA6140型普通车床进给箱 进给箱是调节车刀进给速度的专门部件。主轴转速确定之后，当需要与主轴转速相适配的进给速度时，通过调整进给箱里的变速机构来实现。图2-5是进给箱的装配图。

图2-6 基本组操作机构立体图 图2-6 基本组操作机构立体图

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进给箱里有三套操纵机构，它们分别是：基本组的操纵机构（图2-6）、增倍组的操纵机构、螺纹种类变换及丝杠、光杠传动的操纵机构。这些机构的操纵手柄都设在进给箱的正面。图2-7 进给箱传动操作机构图。

图2-7 进给箱传动操作机构图 （三）溜板箱

溜板箱的作用是将丝杠或光杠的旋转运动转换为刀具的纵向或横向直线运动。溜板箱内有纵向或横向机动进给操纵机构及刀架快速移动机构、换向机构、丝杠开合螺母机构、过载保护机构等。可分别观察认识。

图2-8 溜板箱传动系统图

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图2-9 溜板箱操作机构立体图

四、实验内容

1、 打开主轴箱盖，观察双向多片式摩擦差离合器、制动器的结构形式，了解工作原理。

2、对照图纸，辨别每根传动轴的轴号，观察它们的传动顺序。 3、观察变速机构，了解滑动齿轮的作用和操纵机构的工作原理。

4、分别观察主轴高速正转、低速正转和反转时的传动路线，记录传动时经过的轴、齿轮。

5、打开变速箱盖，观察内部结构，了解传动路线，变速原理。

6、打开溜板箱盖，观察内部结构，了解光杠、丝杠的运动传递原理，如何实现纵向进给和横向进给。 7、将机床按原状重新装好。

五、实验注意事项

1、实验前先切断总电源，并挂“不得送电”的警示标志。 2、拆装机床时注意安全，以免身体受伤。 3、搬运零件时轻拿轻放，以免零件受损。 4、不要让任何物品掉进箱体内。

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5、观察床头箱时不要用脚踩导轨等精密部件。 6、操作时，不可强硬操作。

六、实验报告

1、实验设备： 2、主轴箱传动纪录：

输出转速 经过传动轴 经过传动齿轮 总传动比 正转10 正转500 反转14 反转1580 正转450 正转1400 3、思考题：

1）主轴箱、进给箱、溜板箱的作用？

2）主轴箱里有多少个滑动齿轮？靠它们可改变多少种转速？ 3）CA6140的三箱共有几个离合器？其结构特点及作用？ 4）进给箱的三套操纵机构是控制哪些零件？其作用是什么？ 5）溜板箱的纵横向的传动如何实现？

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实验三 机床工艺系统刚度测定（2学时）

一、 实验目的

1、了解工艺系统刚度对加工精度的影响，提高工艺系统刚度的措施； 2、了解机床静刚度测定装置的基本原理，掌握仪器的操作方法； 3、掌握机床静刚度的测定方法和计算方法。

二、 实验设备

1、 CA6140 普通车床一台； 2、 三向静刚度测定仪一台； 3. 圆形测力环一个； 4、 模拟车刀一把；

5、 千分表三只；磁性表架三只。

三、 实验原理

测定机床刚度的方法有两种：（1）静载荷测定法；（2）动载荷测定法（工 作状态测定法）。本实验是采用静载荷测定法，在CA6140车床上进行测定。

工艺系统静刚度的计算公式为：

K系统1k机床11k刀具1k工件

在实验中由于使用的刀具和工件刚度很大，所以

1k刀具和

1k工件可忽略不计。

这样，工艺系统的静刚度近似等于机床的静刚度。

实验是使车床处于静止状态，利用实验装置施加的静载荷模拟切削时的切削力，用千分表测量不同载荷下机床各部件的变形量，再用计算方法求得机床的静刚度。如图4-1所示，实验装置主要有三向静刚度测定仪、圆形测力环、模拟车刀和三只千分表组成。三向静刚度测定仪是一个刚度很大的弓形支架，它安装在前后顶尖之间，模拟工件。圆形测力环安装在三向静刚度测定仪与模拟车刀之间，旋转三向静刚度测定仪上的加载螺

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钉，使圆形测力环变形，从而产生弹性力，此力作用在三向静刚度测定仪（模拟工件）与模拟车刀之间，可模拟加工时的切削力。模拟切削力的大

图4-1 三向测力装置

小由圆形测力环中的千分表指示（实验前经过标定）。模拟切削力的方向可通过调整三向静刚度测定仪确定（如图4-2所示）。

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图4-2 车床部件刚度测定的三向加载装置

α和β决定切削分力与总切削力之间的关系，在本实验中取α= 15°，β= 63.4° 。切削分力的计算公式如下：

pxpsin pypcossin

pzpcoscos

在模拟切削力的作用下，头架、刀架和尾架均会产生变形，在y方向的各变形量y头、 y刀 、y尾可分别由三只千分表测得。头架、刀架和尾架三处的刚度可按下面公式计算： 头架刚度 k头py2y头pyy刀

刀架刚度 k刀 尾架刚度 k尾py2y尾

当加力点在前、后顶尖中间时，机床静刚度由下式计算：

K机床四、实验步骤

11111（） k刀4k头k尾1、按图4－2所示，将三向静刚度测定仪安装在前后顶尖之间，按要求调整好安装角度，并注意使尾架伸出适当长度。 2、将圆形测力环安装在加载螺钉与模拟刀具之间。

3、按图4－1所示，安装三只千分表，磁性表架安放在车床床身上。 4、预加载荷1500N（测力环中的千分表移动一格为15N，共移动100格），

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然后卸载。将测量变形量所用的三只千分表调到零位。

5、旋转加载螺钉逐渐均匀加载，加载300N记录一次三只千分表的读值，共记录10次，总加载量为3000N。

6、反向旋转加载螺钉逐渐均匀卸载，每卸载300N记录一次三只千分表的读值，共记录10次，最后使载荷为0N。

7、按照5、6步骤方法再重复一次，进行第二次加载、卸载，并作记录。 8、根据实验结果分别计算头架、刀架、和尾架的静刚度。 9、计算机床的静刚度。

五、实验注意事项

1、加载前应检查溜板箱、尾座和刀具是否锁紧，如果没锁紧应重新锁紧。 2、预加载时要注意观察测量变形量所用的三只千分表指针是否摆动，如果不动说明千分表安装不正确，应重新安装调整。 3、加载时用力要均匀，加载尽量准确。

六、实验报告

1、实验设备、仪器仪表等

2、记录实验数据并填写实验数据表； 3、用坐标纸绘制头架、刀架、尾架的静刚度曲线。 4、计算出机床工艺系统的刚度 5、思考题：

1) 根据实验结果和所绘的刚度曲线说明造成静刚度非线性的原因。 2) 分析加载曲线和卸载曲线不重合的原因。

3) 完全卸载后曲线是否回到原点，若没回原点，为什么？ 4) α、β角的作用是什么？

α＝0，β＝0的含义什么？对系统有何影响？ α＝90，β＝0的含义什么？对系统有何影响？ α＝0，β＝90的含义什么？对系统有何影响？

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实验数据表

序操测力表载荷（N） 位 移 量 （μm） 号 作 读数总力 分力 头架 尾架 刀架 （格） p py 加卸加卸加卸载 载 载 载 载 载 0 1 第 2 一 3 次 4 加 5 载 6 7 卸8 载 9 10 0 1 第 2 二 3 次 4 加 5 载 6 7 卸8 载 9 10

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实验四 加工误差统计分析（2学时）

一、实验目的：

1、了解无心外圆磨床工作原理，熟悉无心外圆磨削的调整方法； 2、掌握加工误差统计分析的基本方法； 3、熟悉统计分析所用的各种图形的绘制法。

4、掌握加工工序工艺能力的计算方法及工艺过程中工艺参数的调整方法。

二、实验设备：

1. M1050A无心外圆磨床一台； 2. 电感比较仪； 3. 标准量块一组； 4. 千分尺一把；

3. 轴承滚子一批（试件）。

三、实验原理：

本实验为综合性实验，要求学生通过本实验能对无心外圆磨削的加工原理和加工误差统计分析理论进行综合实验验证。所以本实验包含以下两部分原理：

1．无心外圆磨削加工原理

无心外圆磨床的工作原理如图5-1所示。它没有床头箱和尾架，而是由托板和导轮支持工件，用砂轮进行磨削。托板的上表面倾斜30°~ 50°，使工件靠磨削力紧紧压在导轮上，导轮轴线相对于砂轮轴线有一倾斜角度α（1.5°）。导轮低速转动靠摩擦力带动工件旋转。由于倾斜角的存在，导轮与工件接触点处的速度V导方向是斜的，它可分为两个速度分量：一个是V工使工件旋转，另一个是V进，使工件产生轴向进给运动。

V进=V导sinα. V工=V导cosα.

式中：V导 ——导轮的圆周速度 （m/s）.

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V工 ——工件的圆周速度 (m/s) . V进 ——工件的轴向进给速度 （m/s） . 一般情况下，V导选0.166~0.5m/s。

图5-1 无心外圆磨削原理示意图

由于导轮轴线与砂轮轴线有一倾斜角α，工件与导轮不是线接触。为使工件与导轮保持线接触，导轮的形状就不应是圆柱形，而应将其做成双曲面形。为此修正砂轮时，金刚石笔的运动应根据角α加以调整。由于无心外圆磨床磨削工件时不用顶尖支撑，所以工件磨削长度不受顶尖，又因磨削时工件被支持在导轮和砂轮之间，不会被磨削力顶弯，所以可磨削细长工件。无心磨削生产效率高，易于实现自动化，因此，多用于成批大量生产中磨削销轴等小零件或磨削细长光轴。无心磨床不能磨削断续表面（如有长键槽的圆柱面），因为这样导轮就无法使工件旋转。 2．加工误差统计分析

在实际生产中，为保证加工精度，常常通过对生产现场中实际加工出的一批工件进行检测，运用数理统计的方法加以处理和分析，从中寻找误差产生的规律，找出提高加工精度的途径。这就是加工误差统计分析方法。加工误差分析的方法有两种形式，一种为分布图分析法，另一种为点图分析法。

分布图分析法是通过测量一批加工零件的尺寸，把所测到的尺寸范围分为若干个段。画出频数直方分布图。其折线图就接近于理论分布曲线。在没有明显变值系统误差的情况下，则工件尺寸分布符合正态分布。利用分布曲

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线可以比较方便地研究加工精度，分辨出工序的随机误差的大小，但不能把规律性的系统误差从随机误差中区分出来。

在生产中常用的另一种误差分析方法是点图法或XR图法。 点图法是以顺序加工的零件序号为横坐标，零件的加工尺寸为纵坐标，把按加工顺序定期测量的工件尺寸画在点图上。点图可以反映加工尺寸和时间的关系，可以看出尺寸变化的关系，找出产生误差的原因。

XR图称为平均尺寸—级差控制图。一般是在生产过程开始前，先加

工一批试件（本实验中即用本批加工的零件作为试件）根据加工所得的尺寸，求出平均值X和均方根差σ在整个过程（工序）中保持不变，则工艺是稳定的。

X图的中心线为：XkXi1i/k

R图的中心线为：R = Ri/k

i1kX图的上控制界限为：XsXAR

X图的下控制界限为：XxXAR Ｒ图的上控制界限为：RsDR

式中：k为零件分组数（把一批按顺序号分为k组，每组m个零件）。A、B为控制系数，可从表5-1选取。

表5-1 控制系数

每组件数m 4 5 A 0.73 0.58 B 2.11 2.28 将工件按加工顺序每m个分为一组，求出每组工件的平均值Xi和Ri的波动，它反映了工件平均值的变化趋势和随机误差的分散程度。在XR图上画出中心线和控制线，控制线就是用来判断工艺是否稳定的界定线。

四、实验步骤：

1、根据工件毛坯直径，调整无心磨床，确定工件中心高，导轮转速和

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砂轮转速；

2、修正砂轮和导轮；

3、连续加工试件（数量为100~150件）； 4、根据加工尺寸调整测量仪器；

5、按加工顺序测量工件的加工尺寸，记录测量结果； 6、绘制点图；

(1)以零件序号为横坐标； (2)以测得零件尺寸为纵坐标； (3)分析影响加工精度的因素。

7、绘制XR图：按以下步骤做： (1)取每组数m计算每组的数据Xi和Ri； (2)计算X和R； (3)计算XR图的R图的控制限尺寸； (4)绘制XR图，并分析工序是否稳定。 8、绘制分布曲线，按以下的步骤做：

(1) 找出这批工件的最大加工尺寸和最小加工尺寸，即Xmax和Xmin ； (2) 确定分组数K：（K选7—12）； (3) 计算组距h:h=(Xmax-Xmin)/K (4) 决定组界； (5)作频数分布表； (6) 计算X和σ

(7) 绘制分布曲线，计算出X和6σ值 。 (8) 计算工艺能力系数Cp。

五、实验注意事项：

1.、加工时工件要连续进给不要中断； 2.、加工过程中要把工件按顺序放好； 3、不要把工件掉到冷却箱里；

4、磨削试件时，手不能进入磨削区，拨送工件时要用专用工具； 5、调整仪器时要注意保持仪器和标准量块清洁卫生，忌用湿手、汗手；

6、绘制分析图行时要用坐标纸。

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六、实验报告：

1、机床型号及量具名称； 2、试件的基本尺寸及公差； 3、原始数据记录；

表5-2 原始数据记录

组 测 量 值 X3 X4 号 X1 X2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 4、频数分布表

组号 X5 总计 ΣX 平均极差 值Xi R 表5-3 频数分布表

组 距 频 数 自（毫米） 至（毫米） 组中值（毫米） 频 率 1 2 3 4 5 6 7 23

8 9 10 5、在坐标纸上绘制分布曲线； 6、在坐标纸上绘制点图； 7、在坐标纸上绘制控制XR图； 8、计算工艺能力系数Cp 9、思考题

1）、分布曲线、XR图、点图的特点及作用？

2）、根据测得结果，说明分布规律及各类误差情况，分析造成原因； 3）、根据XR图和工艺能力系数Cp，讨论本工序的工艺过程的稳定性，分析原因，提出改进措施。

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实验五 夹具拆装实验 （2学时）

一、实验目的

1、熟悉夹具的各种元件及其功用； 2、掌握专用夹具的组成及内部结构； 3、了解夹具中各元件之间的相互关系。 二、实验条件 1、专用夹具6套；

2、拆装工具：改锥、扳手、铜棒等。 3、其它：煤油、防锈脂、棉丝等。 四、实验内容

本实验的主要内容是拆装某具体的专用夹具，夹具的拆装过程一般为： 1、组装前的准备工作

准备拆装工具，将夹具进行清理擦洗，生锈部位擦抹煤油等。 2、结构构思

和设计专用夹具一样首先要考虑工件在夹具中的定位和夹紧方案，根据工件情况考虑夹具结构形式，并观察各元件之间的相互装配关系。 3、拆卸

根据夹具结构，将全部零件正常的拆卸，并记录好各元件之间的相互装配关系，并对所有拆卸下来的零件清洗并擦干净，以备装配。 4、组装及调整

将擦洗干净的零件装配至拆卸前的状态，并对相应零件适当调整，使整个夹具恢复至原来状态。

五、实验步骤 1、观察夹具各元件。

2、了解夹具各部分的作用及各元件所的自由度； 3、了解夹紧机构的作用原理；

4、了解各元件作用及其之间相互关系。

5、拆卸夹具上的每个零件，并注意并记录装配关系；

6、将擦洗干净的零件装配至拆卸前的状态，并对相应零件适当调整，使整个夹具恢复至原来状态。

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六、实验报告内容要求

1、草绘出所拆装的夹具结构装配图；

2、指出所拆装的夹具中的定位元件、夹紧机构、导向元件，对刀元件等；

3、写出实验之后的体会。 七、注意事项

1、夹具中的元件都应正常拆卸和装配，不允许强行拆卸和装配； 2、螺纹连接时，所加力矩大小要适当，不可用力过大，以免损坏。 八、实验报告格式

实验名称：

学生姓名： 班级： 实验日期： 指导教师： 实验成绩： 一、夹具结构装配图

二、指出所拆装的夹具中的定位元件、夹紧机构、导向元件，对刀元件等

三、对本实验的体会

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