实验一 车刀几何角度测量.docx

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实验一车刀几何角度测量

《机械制造技术基础》

实验指导书

郑广花付宏鸽编

刘新宇审

北华航天工业学院

2008.12

实验一车刀几何角度测量…………………………………………………………3

实验二切削变形…………………………………………………………………14

实验三车削力的测量……………………………………………………………19

实验四CA6140车床结构及调整…………………………………………………30

实验五典型专用机床夹具结构分析实验………………………………………38

实验六机床主轴回转精度的测试………………………………………………40

实验七机床静刚度的测试………………………………………………………44

实验八加工误差的统计分析……………………………………………………48

实验一车刀几何角度测量

一、实验目的

1．加深对课堂讲授内容的理解，帮助掌握车刀切削部分的基本概念和基本定义，使之了解以下几方面的内容：

（1）刀具切削部分的结构。

（2）刀具切削角度的参考平面。

（3）刀具标准角度的参考系。

（4）刀具的标准角度。

2．了解车刀量角台的结构（如图1-1所示）和使用方法，学会用车刀量角台测量车刀的角度。

。

图1-1量角台的构造

二、实验仪器及刀具

仪器：

回转工作台式量角台

车刀：

图1-2测量片

外圆车刀、90º偏刀或切断刀若干。

三、回转工作台式量角台的构造

图1-1所示，回转工作台式量角台主要由底盘1、平台3、立柱7、测量片5、扇形盘6、10等组成。

底盘1为圆盘形，在零度线左右方向各有1000角度，用于测量车刀的主偏角和副偏角，通过底盘指针2读出角度值；平台3可绕底盘中心在零刻线左右1000范围内转动；定位块4可在平台上平行滑动，作为车刀的基准；测量片5，如图1-2所示，有主平面（大平面）、底平面、侧平面三个成正交的平面组成，在测量过程中，根据不同的情况可分别用以代表主剖面、基面、切削平面等。

大扇形刻度盘6上有正副450的刻度，用于测量前角、后角、刃倾角，通过测量片5的指针指出角度值；立柱7上制有螺纹，旋转升降螺母8就可以调整测量片相对车刀的位置。

四、实验内容

1.利用车刀量角台分别测量所给车刀的几何角度，要求学生测量：

κr、κr＇、λs、γo、αo、αoˊ、γn、αn、γf、αf、γp、αp等角度；

2.记录测得的数据，并计算出刀尖角εr和楔角βo；

3.利用公式计算：

计算出γn、γf、γp，并验证与实际测量的值是否一致，分析误差原因。

五、实验方法

1.根据车刀辅助平面及几何参数的定义，首先确定辅助平面的位置，再按几何角度的定义测出几何角度。

2.通过测量片的测量面与车刀刀刃、刀面的贴合（重合），使指针指出所测的各几何角度。

六、实验步骤

1.首先进行测量前的调整：

调整量角台使平台、大扇形刻度盘和小扇形刻度盘指针全部指零，使定位块侧面与测量片的大平面垂直，这样就可以认为：

（1）测量片的大平面垂直于平台平面，且垂直于平台对称线（即零度线）；

（2）测量片的底平面平行于平台平面；

（3）测量片的侧平面垂直于平台平面，且平行于平台平面对称线（零度线）。

2.测量前的准备：

把车刀侧面紧靠在定位块的侧面上，使车刀能和定位块一起在平台平面上平行移动，并且可使车刀在定位块的侧面上滑动，这样就形成了一个平面坐标，可以使车刀置于一个比较理想的位置。

3.测量车刀的主（副）偏角

图1-3车刀主偏角的测量

（1）偏角的定义：

主刀刃在基面的投影与走刀方向夹角为主偏角κr；副刀刃在基面的投影与走刀反方向的夹角为副偏角κr＇。

（2）确定走刀方向：

由于规定走刀方向与刀具轴线垂直，在量角台上即垂直于零度线，故可以把测量片大平面上平行于平台平面的直线作为走刀方向，其与主（副）刀刃在基面的投影有一夹角，即为主（副）偏角。

（3）测量方法：

如图1-3所示，从零位开始顺时针方向旋转平台，使主刀

图1-4车刀副偏角的测量

刃与测量片的大平面贴合，即主刀刃在基面的投影与走刀方向重合，这时平台在底盘上所旋转的角度，也就是底盘指针在底盘刻度盘上所指的刻度值，就是主偏角κr的大小；按同样的方法操作，如图1-4所示，从零位逆时针方向旋转平台，使副刀刃与测量片的大平面贴和，即副刀刃在基面的投影与走刀反方向重合，这时平台在底盘上旋转的角度，也就是此时底盘指针所指的刻度值，就是该刀具的副偏角κr＇。

4.测量车刀刃倾角（λs）

（1）刃倾角的定义：

在主切削平面内，主刀刃和基面的夹角为刃倾角λs。

（2）确定主切削平面：

主切削平面是过主刀刃与加工表面相切的平面。

在测量车刀的主偏角时，主刀刃与测量片的大平面重合，此时可以把大平面近似地看作主切削平面（实际上只有当λs=0时，与加工表面相切的平面才包含主刀刃，而只有这时测量片的大平面才与主切削平面完全重合）；当测量片指针指零时，其底平面可看作基面。

这样就形成了在主切削平面内，基面（测量片底平面）与主刀刃的夹角，即刃倾角。

1-5测量车刀刃倾角

（3）测量方法：

在上述位置旋转测量片，使底平面（基面）与主刀刃重合。

如图1-5所示，测量片指针所指刻度值为该车刀的刃倾角λs。

5.测量车刀主剖面（也叫正交平面）内的前角γo和后角αo

（1）前角和后角的定义：

前角是指在主剖面内，前刀面与基面的夹角；后角是指在主剖面内后刀面与主切削平面的夹角。

（2）确定主剖面（正交平面）：

主剖面是过主刀刃一点，垂直于主刀刃在基面的投影。

在测量主偏角时，主刀刃在基面的投影与测量片大平面重合，如果使主刀刃在基面的投影相对于大平面旋转900，则主刀刃在基面的投影与测量片的大平面垂直，这样就可以把大平面看作是主剖面。

当测量片指针指零时，底平面就可以看作为基面，侧平面作为主切削平面，这样就形成了在主剖面内基面与前刀面的夹角---前角（γo），主切削平面与后刀面的夹角---后角（αo）。

（3）测量方法：

图1-7测量车刀后角

图1-6测量车刀前角

前角的测量：

首先按上述方法确定主剖面，同时使测量片指针指零，如图1-6所示，然后旋转测量片，使其底平面与前刀面重合，测量片指针所指刻度值为该刀具的前角。

后角的测量：

调整测量片的指针为零，如图1-7所示，使车刀侧面紧贴定位块，并沿平台上的滑槽横向调整它们的位置，使刀刃和测量片的侧平面接触，此时侧平面就可以看作是主切削平面，然后旋转测量片，使侧平面与后刀面重合，测量片指针所指刻度值就是该车刀的后角值。

6.测量车刀的副后角α。

′

如图1-8所示，与主后角的测量方法相同，只是测量发生在副切削刃和副后

刀面。

按上述相同的方法找出副剖面、副切削平面、调整测量片即可测得副后角。

图1-8测量车刀副后角

7.测量法剖面内的前角γn和后角αn

（1）定义：

法前角γn是在法剖面内，前刀面和基面的夹角；

法后角αn是在法剖面内，后刀面和主切削平面的夹角。

（2）确定法剖面：

法剖面是通过主切削刃上的一点垂直于主切削刃的平面。

而主剖面是垂直于主刀刃在基面的投影，所以主剖面和法剖面相差一个刃倾角值的大小，即如果使主平面旋转一个刃倾角，则主剖面可以作为法剖面，实现的方法如下：

松开缩紧螺母，使大扇形刻度盘旋转刃倾角值的大小，旋转方向则根据所测车刀的刃倾角的正负确定（刃倾角为正，则逆时针旋转；刃倾角为负，则顺时针旋转），旋转后的大平面即可看作法剖面。

前已说明，测量片指针指零时，其底平面作为基面，侧平面作为主切削平面，这样就形成法剖面内基面与前刀面的夹角—法前角，主切削平面和后刀面的夹角—法后角。

（3）测量方法

按上述方法旋转大扇形刻度盘λs角度后锁紧，即可用与前述测量主前角和主后角相似的方法（见5（3））测量法前角和法后角。

8.测量进给剖面内的前角γf和后角αf

（1）γf、αf定义：

进给前角γf：

在进给剖面内，前刀面和基面的夹角；

进给后角αf：

在进给剖面内，后刀面和主切削平面的夹角。

（2）确定进给剖面：

进给剖面平行于进给方向且垂直于基面，当大、小扇形刻度盘、底盘指针刻度为零时，测量片的大平面平行于进给方向且垂直于平台平面（基面），所以此时测量片的大平面就可以看作是进给剖面，底面看作是基面，侧面看作是主切削平面，这样就形成了进给剖面内基面与前刀面的夹角—进给前角γf，主切削平面与后刀面的夹角—进给后角γf。

（3）测量方法：

同5（3）。

9.测量切深剖面内的前角γp和后角αp

（1）γp、αp定义

切深前角γp：

在切深剖面内，前刀面与基面之间的夹角；

切深后角αp：

在切深剖面内，后刀面与主切削平面之间的夹角；

（2）确定切深剖面

切深剖面平行于切深方向且垂直于基面。

在车床上进给方向和切深方向在水平面内相会垂直，所以切深剖面与进给剖面成90º关系。

若在进给剖面的基础上，使平台旋转90º，则测量片的大平面可以看作切深剖面，这样就形成了切深剖面内前刀面和基面的夹角—切深前角γp，后刀面和主切削平面的夹角—切深后角αp。

（3）测量方法：

同5（3）。

七、记录数据并完成实验报告

记录测量结果并填入表1-1，然后计算出楔角βo和刀尖角εr，填入表中。

八、完成实验报告

按【附】中提供的格式和内容要求书写实验报告，并作相应的计算。

【附】：

实验报告的内容和格式

1.实验名称

2.实验目的

3.实验设备及仪器

4.实验内容和实验步骤

5.实验结果及分析

1）实验测量结果

表1-1车刀几何角度测量结果

基本角度

外圆车刀1

外圆车刀2

90º偏刀

切断刀

备注

主偏角κr

副偏角κr＇

刃倾角λs

前角γo

后角αo

副后角αoˊ

法前角γn

法后角αn

进给前角γf

进给后角αf

切深前角γp

切深前角αp

楔角βo

刀尖角εr

表1-2测量值和计算值对比分析

计算公式：

刀具

剖面

外圆车刀1

外圆车刀2

90º偏刀

切断刀

测量值

计算值

测量值

计算值

测量值

计算值

测量值

计算值

主剖面内

前角γo

后角αo

进给剖面内

法前角

γn

法后角

αn

切深剖面内

进给前角

γf

进给后角

αf

2）总结上述表格中数值对比结果并分析原因：

3）根据所测得的结果，按照投影关系，绘制刀具图，并在图中注明实验中测得的各个角度。

实验二切削变形

一、实验目的

1．观察切削变形的过程以及所出现的现象。

2．掌握测量切削变形和计算变形系数的基本方法。

3．研究切削速度v、刀具前角γo和进给量f等因素对切削变形的影响规律。

二、实验装备

1.设备：

CA6140普通车床

2.工具：

游标卡尺、工业天平、钢板尺、细铜丝或细漆包线等。

3.刀具：

硬质合金车刀若干把。

4.试件：

带轴向断屑槽的棒料。

三、实验原理

在金属切削过程中，由于塑性变形，使切屑的外形尺寸发生变化，即与切削层尺寸比较，切屑的长度偏短，厚度增加，这种现象称为切屑收缩，如图2-1所示。

一般情况下，切屑收缩的大小能反映切削变形的程度，衡量切屑收缩的大小可用变形系数表示：

即ξ＝Lc/Lch

式中ξ──　变形系数；

Lc──　切削长度（ｍｍ）；Lc＝（πD/ｎ）-b；

对于本实验：

D--棒料直径，槽数ｎ＝4；槽宽b＝2.5　；

图2-1切屑收缩示意图

Lch──　切屑长度（ｍｍ）；

本次实验计算变形系数用测量切屑长度法，如图2-2所示，在车床上将试件装在三爪卡盘与尾架顶尖之间，试件轴向开槽并镶嵌钢板，以达到断屑和保护刀尖的目的，调整好机床进行切削，并把得到的切屑收集起来。

等实验得到的切屑冷却后，选出标准切屑，用铜丝沿切屑外部缠绕后拉直，然后用钢板尺测出铜丝相应的长度L。

为提高实验精度，可测3～5段切屑的长度，然后求出平均值Lch。

变形系数按下式计算：

…

（1）

三、实验内容和步骤

图2-2观察和测量车削时

切屑收缩示意图

1.切削速度υ对切削变形的影响

在车床上固定试件，装夹好刀具。

试件材料：

20钢，试件直径由现场定；

刀具材料：

YT15硬质合金车刀；

刀具参数：

κr＝45º；κr＇＝8º；λs＝0º；γo＝10º；αo＝7º；r＝0.1mm；

切削用量：

＝0.28mm/r,ap＝2mm；

改变切削速度；速度取值很关键，必须在实验前进行计算，从低速到高速，可先取:

υ＝5；10；20；30；40；60；110m/min；

然后根据试棒直径，按式

计算出对应的机床转速，并以此调整机床转速进行切削。

ｎ＝；　；　；　；　；　；　；r/min；

分别用每一种转速切削一段试棒，停车收集切屑并观察切削颜色（注意安全，防止烫伤），测量切屑的长度，并将结果填入表2-1中。

2.刀具前角对切削变形的影响

在车床上固定试件，装夹好刀具；

试件材料：

20钢，试件直径由现场定；

刀具材料：

YT15硬质合金车刀；

表2-1切削速度对切削变形影响实验数据记录表

固定条件

试件

切削用量

刀具几何参数

材料

D

b

Lc

ap

κr

κr＇

γo

αo

λs

实验数据

顺序

切削速度υ

切屑长度Lch

变形系数ξ

1

2

3

4

5

6

7

刀具参数：

κr＝450；κr＇＝80；λs＝00；αo＝70；r＝0.1mm。

切削用量：

＝0.28mm/r,ap＝2mm，υ＝60m/min。

改变车刀前角：

γo＝0º；15º；30º。

分别用不同前角的车刀分别切削一段试棒，停车收集切屑并观察切削颜色（注意安全，防止烫伤）。

测量切屑长度，并将结果填入表2-2中。

表2-2刀具前角对切削变形影响实验数据记录表

固定条件

试件

切削用量

刀具几何参数

材料

D

b

Lc

ap

υ

κr

κr＇

αo

λs

实验数据

顺序

刀具前角γo

切屑长度Lch

变形系数ξ

1

2

3

4

5

3.进给量对切削变形的影响

在车床上固定试件，装夹好刀具。

试件材料：

20钢，试件直径由现场定。

刀具材料：

YT15硬质合金车刀

刀具参数：

κr＝45º；κr＇＝8º；λs＝0º；γo＝10º；αo＝7º；r＝0.1mm。

切削用量：

ap＝2mm，υ＝60m/min。

改变进给量：

＝0.2；0.36；0.51；0.66（mm/r）。

用不同的进给量分别切削一段试棒，停车收集切屑并观察切削颜色（注意安全，防止烫伤）。

测量切屑长度，并将结果填入表2-3中。

表2-3进给量对切削变形影响实验数据记录表

固定条件

试件

切削用量

刀具几何参数

材料

D

b

Lc

υ

ap

κr

κr＇

γo

αo

λs

实验数据

顺序

进给量

切屑长度Lch

变形系数ξ

1

2

3

4

5

五、实验数据的处理与实验报告要求

将切屑长度测量后取平均值，记录在表2-1、2-2、2-3中，并按

（1）式计算变形系数。

按【附】中所给的格式和内容要求书写实验报告。

【附】：

实验报告的内容和格式

1.实验名称：

2.实验目的：

3.实验设备和用具：

4.实验原理：

5.实验内容和步骤：

其中要有实验各步骤原始材料和数据的记录，填写表2-1、2-2、2-3

6.实验结果和数据处理：

并完成表2-1、2-2、2-3相应的计算；

按所得数据绘出υ─ξ；γo─ξ；─ξ曲线。

7.实验结果分析：

根据绘出的曲线，分析各切削参数（υ、γo、）对切削变形的影响规律。

实验三车削力的测量

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和控制加工质量是非常重要的。

一、实验目的

1.了解测力仪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（v、f、ap、κr、γ0）对切削力的影响规律；

3.根据实验结果，建立切削力的经验公式。

二、实验设备及用具

1.车床:

CA6140；

2.测力仪系统：

包括测力传感器（即SDC系列测力仪）、应变仪（即应变信号放大器）、模数转换板（即A/D卡）、力数据采集和处理软件FAS-4DE、微型计算机一台；

3.刀具:

硬质合金车刀若干把；

4.工具:

0-15Omm游标卡尺、定标工具等；

5.试件材料：

45钢；直径：

mm；

6.双对数坐标纸

三、测力仪系统的组成及使用

1．测力仪系统组成

本测力系统由测力传感器（即SDC系列测力仪）、应变仪（即应变信号放大器；如：

YD-21/4，YD—28/4等四通道应变仪）、模数转换板（即A/D卡）、带电缆和插头的连接器、一个三寸软盘（其中装有力数据采集和处理软件FAS-4DE）等组成。

见图3-1，测力仪上有三或四个插座，三个插座的测力仪用于测量FX、FY、FZ三个切削或磨削分力，四个插座的测力仪除用于测量三个分力外还可测量钻削扭矩。

只测三个分力的测力仪上也常带有第四个插座，但这个插座是不用的。

把随测力仪提供的电缆插头与测力仪插座连接，需拧紧插头不能松动；再把电缆另一端的四个连接勾（或叉）与应变仪电桥盒（图示连接器1，connector1）相接，红色的两个连接勾（或叉）与电桥盒1、3号连接柱相接；黑色的两个勾（或叉）与电桥盒2、4号连接柱相接；或两者互换也可以。

勾、叉与柱的连接也需拧紧，不允许松动。

图3-2所示连接器2（connector2）即为随A/D卡提供的接口，见图3-2。

把应变仪输出电缆的信号线与连接器2对应的输入端螺钉相接；建议FX对应应变仪第1通道、FY对应应变仪第2通道、FZ对应应变仪第3通道、扭矩M对应应变仪第4通道。

连接器上1号螺钉与FX输出相接、2号螺钉与FY输出相接、3号螺钉与FZ输出相接、4号螺钉与M输出相接。

各对应输出信号线的屏蔽线是与放大器地相接的，它们应与连接器2两侧的螺钉连接。

图3-1测力仪系统组成

图3-2连接器2示意图

2.测力仪的使用方法

（1）硬件连接：

将A/D卡插入计算机扩展槽，然后图3-1连接测力仪等仪器。

（2）在Windows98操作系统下，安装动态数据采集系统FAS-4DEE-2，并启动该系统。

（3）系统概览

启动系统后，将显示图3-3所示主菜单：

在该菜单上，除了标准Windows应用程序的“系统”菜单和“最大化/最小化”按钮外，还有五个菜单项：

图3-3系统界面

1）“文件”在该菜单中只有“退出”一个菜单项，为用户增加一条退出系统的途径。

2）“查看”：

在该菜单中只有“状态栏”一个菜单项，用于显示或隐藏状态栏。

3）“数据采集”：

在该菜单中包含“采集数据”、“回放数据”及“标定”“数据窗口”。

各自的功能分别是用于采集测力仪数据、回放已经采集的数据以及标定测力仪、查阅数据。

在进行DataPlay（数据回放）时，可能利用窗口下SaveAs按钮把本次文件中数据存入任何指定的存贮区。

4）“数据处理”：

在该菜单中包含“平均值”、“自相关”、“互相关”和“谱分析”四个功能，分别用于处理已经采集的数据。

5）“选项”：

该功能用于配置测力仪及设置一些参数，如采集点数、测力仪号码、数据存储方式、打印放大倍数等，用来控制数据采集过程。

（4）标定

标定测力仪就是记录采集的电压值与加载在测力仪上的力之间的关系。

标定系数的单位是：

N/V。

因为应变仪提供了100~1000µε的标定功能，所以也可通过标定获得采集的电压值与微应变数之间的对应关系。

因为测力仪信号要经过应变仪放大才经由A/D板采集，而应变仪各通道的放大倍数不完全相同，所以为了保证采集的数据的准确性，测力仪在连接好以后要进行标定。

标定步骤：

1）单击“数据采集”菜单中选择“标定”菜单项。

将弹出图3-4所示对话框：

图3-4标定测力仪对话框

在该对话框左下方的编辑框中设置各分力与A/D卡各通道之间的对应关系；单击左上方的单选按钮选择当前标定的测力仪通道；设置标定过程中将加载的次数以及每次加载的力值（单位为kg）。

因为可能有多台测力仪，所以为了避免更换测力仪后需要重新标定“新”测力仪，所以可在此对话框中设置测力仪的序号。

以后使用测力仪时，只需输入测力仪的序号即可。

2）设置好后，单击“开始标定”按钮，将弹出图3-5所示标定窗口：

屏幕左边较大的一个窗口用来显示当前选定通道的标定曲线。

屏幕右边最上方的一个窗口用于显示当前选定通道的标定系数。

标定系数要等到标定结束（即最后一次卸载结束）时才显示。

屏幕右方有三个窗口，靠下方的两个窗口分别显示了标定过程中将加载的次数以及每次加载的值。

并显示当前进行的加载状态，以供操作时核对。

次数显示的是“第0次加载”。

窗口右下方有三个按钮：

“加载”、“卸载”和“返回”。

图3-5标定测力仪窗口

3）将应变仪调平衡后，单击“加载”按钮（测力仪上不加载）。

此时操作状态显示窗口将显示“第1次加载”，指示接下来的将是第1次加载。

在标定曲线窗口中也画出了刻度。

其横坐标为加载的力值，刻度为每次加载的力。

纵坐标为A/D卡上采集到的电压值，其刻度为1V。

4）给测力仪加载，然后单击“加载”按钮。

并重复该操作，直到达到预先设置的加载次数。

在每次单击“加载”后，标定曲线窗口中都将用红色线画出加载曲线。

操作次数达到加载次数时，“加载”按钮将变灰，处于无效状态；而“卸载”按钮将变成有效。

5）给测力仪卸载，每卸载一次单击一次“卸载”按钮，重复该操作直到达到预先设置的加载次数。

在每次单击“卸载”后，标定曲线窗口中都将用蓝色线画出卸载曲线。

操作次数达到加载次数时，“卸载”按钮将变灰，处于无效状态。

此时“打印”按钮将变为有效。

卸载结束后，将在右边第一个窗口中显示标定系数。

（5）采集数据

要启动该功能，单击系统主菜单“数据采集”项中选择“采集数据”。

系统将进行采集数据前的准备工作，并弹出一个提示框提示用户等待。

准备工作结束，提示框将消失，系统弹出图3-6所示对话框，该对话框左边有五个列表框：

“文件名”用于输入存储数据的文件的名称。

文件名遵循DO