机械制造技术实验

一、实验目的和要求：

1、目的：

熟悉车刀削部分的几何角度，掌握车刀几何角度的测量方法。 2、要求：

(1) 熟悉几种典型车刀(45º弯头车刀，90º右偏刀，切断刀，外圆车刀，螺纹车刀)

的构造和几何形状。

(2) 弄清车刀各个几何角度的定义，学会测量这些几何角度的方法。 (3) 将测量值与换算值作比较。 (4) 绘出车刀截面图。

二、实验方法：

(1) 观察各种车刀的几何形状：前刀面，后刀面，主副切削刃，刀尖等。 (2) 测量五种车刀的几何角度，并作记录。

三、实验仪器：

(1) 测角台。

(2) 五种车刀：45º弯头车刀，90º右偏刀，切断刀，外圆车刀，螺纹车刀。

四、操作方法： 主剖面内：

⑴ 首先使指针7对准度板6之零线，拧紧螺钉12。

⑵ 测前角r0：转动刻度板8，使指度板9所在平面垂直主刀刃在底座1工作面上的投

影（相当于主刀刃在基面上的投影），调整指度板9，使平面A与车刀前面吻合，指度板9即在刻度板8上指出前角r0的读数值。

⑶ 测后角a0：同上方法，使B平面与车刀后面吻合，在刻度板8上即可读出后角a0

的读数值。 ⑷ 测刃倾角λS：先使刀具主切削刃位于指度板9所在的平面内，当平面A与主刀刃

吻合时，刻度板8上即可读出刃倾角λS的读数值。（或者先让指度板9对准刻度板8的零线，指度板9所在的平面在底座1工作面上之投影时，松开螺钉12，转动刻度板8使绕水平轴转动，当平面A与刀刃吻合时，指针7即在度板6上指出λ的读数值。）

S

图1-1 测量前角示意图

⑸ 法剖面内：先使指针7在度板6上对准所测定的λS的值，拧紧螺钉12，再如测量

r0与a0那样测出法剖面的前角rn与后角an。 ⑹ 测量主偏角k与副偏角k′：如图2所示：（以外园尖刀为例）先旋动螺母5升高

刻度板8，并转向一边，不用。将要测的刀具之侧面紧靠二挡销13。松开螺钉3和15，转动标尺座2，同时滑动滑板14，使刀具

图1-2 测量主偏角示意图

1.底座 2.标尺座 3.锁紧螺钉 4.立柱 5.调整螺母 6.度板 7.指针 8.刻度板 9.指度板 10. 锁紧螺钉 11.标尺 12.锁紧螺钉 13.挡销 14.滑板 15. 锁紧螺钉

的主刀刃（或副刀刃）与标尺11吻合，底座1上之零线所对的标尺座2上的刻度值即主偏角k（或副偏角k′）的度数。

五、思考题：

1、 在车间里常用的车刀的后角是否会出现负角度？为什么？ 2、 切断刀有几个刀尖？它是如何使工件切断？

二、各种车刀的几何角度测量值，换算值和截面图。 名 主剖面参考系 称 45 r0 弯 a0 头 λS 车 k 刀 k′ 90 r0 右 a0 偏 λS 刀 k k′ r0 其 他 参 考 值 角度 测量值 换算值 误差(%) 截面图 角度 测量值 切 a0 断 λS 刀 k k′ 外 r0 圆 a0 车 λS 刀 k k′ 螺 r0 纹 a0 车 λS 刀 k k′

3.1 普通车床结构剖析

一、 实验目的与要求

1． 了解车床的总体布局、主要技术性能及工艺范围；

2． 掌握车床的主传动系统、螺纹传动系统、机动进给传动系统的传动路线； 3． 了解各换置机构的作用及工作原理；

4． 了解各种操纵机构的结构特点和操作过程； 5． 掌握车床主要零部件的结构； 6． 学会使用、调整和维修机床。

二、 实验装备

CA6140型卧式车床如图3.1-1所示。

图3.1-1 CA6140型卧式车床

三、 实验内容

1． 由指导教师介绍机床的用途、布局、各操纵手柄的作用及其操作方法。然后启动机床，机床空载运转，以观察机床各部件的运动。

2． 揭开主轴箱盖，根据机床传动系统图和主轴箱展开图，了解传动件的结构，看清各档传动路线。

（1） 了解主传动系统的传动路线，主轴的各级转速是如何调整实现的。 （2） 结合摩擦片式离合器的结构，如图3.1-2所示，分析摩擦离合器的工作原理和调整方式。

（3） 观察主轴正转、反转、停车及制动的操纵过程，操纵机构如图3.1-3所示。

图3.1-2 摩擦片式离合器结构图

1－双联齿轮 2－内摩擦片 3－外摩擦片 4、7－螺母 5－压套 6－长销 8－齿轮

9-拉杆 10－滑套 11－销轴 12-元宝销 13-拨叉

图3.1-3 主轴开停及制动操纵机构图

1－双联齿轮 2－齿轮 3－元宝销 4－滑套 5－杠杆 6－制动带 7－手把 8－操纵杆

9、11-曲柄 10－拉杆 12-轴 13-扇形齿轮 14-齿条轴 15-拨叉 16-拉杆

（4） 操纵Ⅱ—Ⅲ轴上两个滑移齿轮移动，操纵Ⅳ轴上的两个滑移齿轮及Ⅵ轴上的一个滑移齿轮，注意他们的动作过程和啮合位置。Ⅱ—Ⅲ轴上滑移齿轮的操纵机构如图3.1-4所示。

（5） 根据CA6140车床主轴结构如图3.1-5所示，观察主轴前支承、中间支承、后支承的轴承类型，了解前后轴承的作用及调整方法。

（6） 了解主轴上两对齿轮的结构特点，分析其变速原理。 （7） 观察卸荷皮带轮的结构，分析工作原理。 3． 挂轮架

了解挂轮的构造、用途和调整方法 4． 进给箱

结合进给箱展开图及传动系统图，观察基本组、增倍组操纵机构，螺纹种类移换机构，以及光杠、丝杠传动的操纵机构。

图3.1-4 Ⅱ—Ⅲ轴上滑移齿轮的操纵机构

1－双联齿轮 2－三联齿轮 3－拨叉 4－拨销 5－曲轴 6－盘形凸轮 7-轴 8－链条

9-变速手柄 10－圆销 11－杠杆 12-拨叉 Ⅱ、Ⅲ- 传动轴

图3.1-5 CA6140车床主轴结构图

1、4—双列短圆柱滚子轴承 2、5—螺母 3—双向推力角接触球轴承 4—轴承端盖 7—隔套

8—调整垫圈 9—轴承端盖 10—套筒 11—螺母 12—端面键

5． 溜板箱 （1） 分析纵向、横向机动进给及快速移动机构的传动关系。 （2） 观察丝杠、光杠进给的互锁机构和开合螺母机构。 （3） 根据超越离合器的结构如图3.1-6所示，分析其工作原理。 （4） 过载保险装置的结构如图3.1-7所示，分析其工作原理。 6．刀架

刀架总体是由床鞍、横刀架、转盘、小刀架及方刀架五部分组成，进行车刀的安装和刀架的换位工作。

7． 尾架

观察尾架的构造，尾架套筒的夹紧方法，利用尾架、主轴顶尖和鸡心夹实现细长轴的装夹和工件旋转。

8． 床身

了解床身的整体结构，分析车床导轨组合形式的优点。 8.床脚

打开左床脚观察主传动电机的安装和接线情况，了解主电机的型号、功率和转速。

图3.1-6 超越离合器

1－外环（齿轮） 2－星形体 3－滚子 4－销 5、8－弹簧 6、7－安全离合器

图3.1-7 过载保险装置

1－拉杆 2－锁紧螺母 3－调整螺母 4－超越离合器星轮 5－安全离合器左半部

6－安全离合器右半部 7－弹簧 8－圆销 9－弹簧座 10－蜗杆

四、 思考题

1. 卸荷皮带轮是如何使皮带的拉力不传给轴而传给箱体的？带轮的扭矩又是怎样传给轴的？用简图说明之。

2． 摩擦片离合器得工作原理是什么？摩擦离合器除完成主轴正、反转，还能起什么作用？

3． 超越离合器、安全离合器的用途和工作原理是什么？

4． 主轴前端轴承是如何预紧的？预紧后主轴性能将如何变化？

5． 轴Ⅱ—Ⅲ上滑移齿轮的操纵机构属于单独操纵方式还是集中操纵方式？简述两种操纵方式的特点

2.3 切削力的监测及影响因素分析

一、 实验目的与要求

1． 掌握切削力的来源和切削分力的概念；

2． 熟悉切削力测量系统的硬件组成，了解测力传感器、电荷放大器、数据采集卡及软件系统的工作原理；

3． 进行相关的数据处理和曲线绘制；

4． 根据实验数据分析切削参数对各切削分力的影响。

二、 实验装备及原理 1. 普通卧式车床； 2. 各种机夹车刀刀片；

3. 切削力测量系统如图2.3-1所示，它由数控机床、测力传感器、电荷放大器、数据采集卡和计算机组成。传感器测力平台见图2.3-2，其内部装有压电式应力－应变传感器可把刀具所受的切削力转变为电信号，电荷放大器将微弱的电信号放大供数据采集卡读取，数据采集卡上的A/D转换是将模拟电信号转换成数字信号，计算机系统利用相应软件将数据处理后得到三向切削力Fx、Fy、 Fz的值。

数控车床测力传感器电荷放大器数据采集卡计算机 图2.3-1 切削力测量系统的总体框架

三、 实验方法与步骤 （一）实验方法

1. 安装测力传感器，连接各硬件数据线，装夹工件等准备工作。

2. 打开电荷放大器的个电源开关，按照电荷放大器的使用说明书调整好其灵敏度，确认电荷放大器的复位开关处在复位状态。

3. 打开计算机，点击图标启动切削力测量系统。 4. 系统初始化 （1） 测量方法选择，从“执行命令”菜单的“测量模式选择子菜单”中选择“低速连续测量”命令，如图2.3-3所示。

（2） 执行“低速测量设置”→“监控切削” ，进入输入数据编辑框如图2.3-4所示。按照提示要求输入相应的数据(也可取默认值) ，如果需要输入可以点击“重新输入”进行输入，最后点击“确认”进入下一步。

（3） 选择电荷放大器的输出放大倍率。

图2.3-2 传感器测力平台 图2.3-3 测量方法选择菜单

图2.3-4 输入数据编辑框

（4） 选择“显示方向按钮”，这个步骤可以现在选择，也可以在测试过程中随时进行选择。 （5） 获取零点见图2.3-3所示。选择“执行命令”菜单的“获取零点”菜单命令，此时弹出“保存数据文件名”输入对话框，输入相应的文件名字后点击“OK”。

5．选择“开始测试”菜单命令执行测试，在切削力动态测量显示系统如图2.3-5所示，可以看到切削力的数值和坐标曲线。

6．按“终止”按纽结束本次测试，系统将产生一个报告文件（report.txt）,该文件汇总了本次实验的切削条件和基本数据，如想永久保留文件，请另外取文件名。

（二）实验步骤

1．根据实验要求填写切削条件和基本数据。

2．安装好工件，开始切削加工。

3．进行切削力的动态测量，保存相关数据文档。

4．改变切削用量中的单一参数观测切削力的变化情况。

（1）取vc=100m/min，f=0.3mm/r固定不变，依次改变ap（在0 .5～4mm范围内取5个数值）进行切削，重复切削力动态测量实验。

（2）取vc=100m/min，ap=2mm固定不变，依次改变f（在0 .1～0.6mm/r范围内取5个数值）进行切削，重复切削力动态测量实验。

（3）取f=0.3mm/r，ap=2mm固定不变，依次改变v（在50～100m/min范围内取5个数值）进行切削，重复切削力动态测量实验。

四、 实验数据处理与结果分析

1. 根据切削力动态测量数据，以采样点为横坐标，切削力为纵坐标，绘制切削力动态变化曲线。

2. 取5个采样点计算合力的大小，并绘制切削力动态变化曲线。 3. 记录背吃刀量ap变化时切削力的平均值，记录表格见表2.3-2。

4. 在同一张坐标图上绘制切削用量三要素变化造成切削力变化的曲线，分析其影响的差异。

5. 记录进给量f变化时切削力的平均值，记录表格见表2.3-3。

图2.3-5 切削力动态测量显示系统 表2.3-1 切削条件和基本数据

实验流水记录信息

班级： 环境温度℃ 姓名： 采样频率 日期： 加工方式 输入各向报警阈值（公斤力）

X方向 Y方向 刀具信息

刀具材料 刀具编号 试件信息

工件材料 试件编号 切削用量

主轴转速 （r/min） 进给量 （mm/r） 切削液

切削液类型 背吃刀量 （mm） 试件参数 刀具参数 Z方向 ap1＝ 流量 压力 ap5＝ 表2.3-2 背吃刀量ap变化时的切削力（单位：牛顿）

切削力 Fx Fy Fz ap2＝ ap3＝ ap4＝ 表2.3-3 进给量f变化时的切削力（单位：牛顿）

切削力 Fx Fy f1＝ f 2＝ f 3＝ f 4＝ f 5＝ Fz 6. 记录切削速度vc变化时切削力的平均值，记录表格见表2.3-4。 表2.3-4 切削速度vc变化时的切削力（单位：牛顿）

切削力 Fx Fy Fz vc1＝ vc 2＝ vc 3＝ vc 4＝ vc 5＝ 五、 切削力经验公式的建立

上述单因素进行的切削力实验，利用图解法可以方便的获得切削力经验公式。 1. Fz—ap与Fz—f指数公式的建立

首先将实验所得数据点画在双对数坐标纸上，并用直线连接（使各实验数据点大约均布在该直线的上下），下面介绍Fz—ap与Fz—f指数公式建立的方法。

线图可表示为：

lgFz=lgCap+xFzlgap (2.3-1)

lgFz=lgCf+yFzlgf (2.3-2)

对式(2.3-1)、式(2.3-2)两边取真数，得幂函数关系式：

FzCapapxFz (2.3-3)

FzCffyFz (2.3-4)

式中指数xFz、yFz分别为Fz—ap及Fz—f线的斜率，由图2.3-6求得：

a1 (2.3-5) b1a2yFz= tg2= (2.3-6)

b2xFz=tg1=

式中的a1、b1、a2、b2用米尺在图2.3-6中直接量出。

系数Cap为Fz—ap线在背吃刀量ap=1mm时的Fz值，系数Cf为Fz—f线在进给量f=1mm/r时的Fz值。

综合式(2.3-3)、(2.3-4)求得切削力经验公式：

FzCFzapxFzfyFz (2.3-7)

系数CFz可用如下求得：

由于式(2.3-3)是在f=f0（改变ap时所固定的f值）的情况下得到的，故有

xyxFCapapFzCFzf0FzapFzz

则 CFz1Cap (2.3-8) yFzf0而式(2.3-4)是在ap=ap0（改变f时所固定的ap值）的情况下得到的，故有

FzCapfyFzCFzap0xFzfyFz

则 CFz2Cf (2.3-9) xFzap012由于实验误差，CFz1与CFz2不一定相等，因此应取两者的平均值，即

(2.3-10)

式(2.3-3)、(2.3-4)和(2.3-7)主切削力与背吃刀量ap及进给量f都是指数关系，故切削力的这种经验公式也称指数公式。

2. 利用表2.3-2和表2.3-3求出式(2.3-3)、(2.3-4)、 (2.3-7)中的各项系数和指数。 3. 用同样的方法推导出主切削力Fz与切削速度vc的指数公式和其中的系数和指数。 4. 建立主主切削力Fz与切削用量三要素切削速度vc、进给量f和背吃刀量ap的指数公式，并计算其中的系数和各项指数。

六、 思考题

1． 观察切削力的三个分力Fx、Fy、Fz的大小，分析各分力对切削加工的影响。 2． 分析切削用量三要素对切削力的不同影响，说明其原因。

3． 如果改变刀具的五个基本角度，切削力将如何变化，切削力测量系统是否可以验证这些变化。

4. 何利用实验数据建立切削力的指数公式？

5. 根据切削力指数公式计算符合实验条件的Fx、Fy、Fz值，并与实验值进行比较，分析它们之间产生误差的原因。

CFz（CFz1CFz2）