金属切削实验指导教程

PAGEPAGE71第一编传统加工技术传统加工技术是指用传统的通用加工机床进行加工的方法，如车、铣、鉋、磨等。传统加工技术适用于中、小规模生产，特别是小规模生产，其特点是设备投资少，生产成本低，对机床的操作掌握相对容易，但生产效率较低。目前，在工业生产中，应用最为广泛、使用最多的加工手段仍然是传统加工制造技术。目前世界上有80％的产品零件是用传统加工方法完成的。传统加工的工艺装备主要有通用车床、通用铣床、通用鉋床、通用磨床和通用齿轮加工设备等。传统加工技术主要是研究金属切削原理、金属切削刀具、金属切削机床和机械制造工艺等内容，同时，金属切削原理、金属切削刀具和机械制造工艺学的研究内容也是现代加工技术的基础数据和资料，因此，即使目前现代加工技术方兴未艾，但传统加工技术的研究内容仍然是非常重要的。本篇讲述的主要内容就是在概述基础理论的基础上，通过典型实验来介绍实验仪器和设备的原理、结构和使用；完成相应实验的步骤和方法；实验数据的处理以及实验图表的制作，同时明确实验的目的和意义。第二章金属切削原理与刀具2.1切削概述切削加工的方法很多，切削过程也不尽相同，但大多都有共同的规律，诸如切削刀具（或工具）与工件之间都所具有相对运动（即切削运动），切削过程都要产生一些物理现象等等。金属切削原理与刀具是研究金属切削过程的变形规律、切削力的产生与计算、切削力的测量、切削刀具的几何参数与切削力和零件表面质量的关系、刀具材料与刀具的使用寿命以及生产率和生产成本等内容。研究和掌握这些基本规律，是学习和分析各种切削加工方法的基础，也是拟订各种技术规范的理论依据。2.2车削力车削力是最具代表性的切削力，下面以车削力为代表，阐述一下车削力的产生和测量及计算方法，以达到举一反三的功效。2.2.1车削力的产生及计算一、车削力的产生研究车削力的目的是为了生产上的需要，要正确的设计和使用机床、刀具和夹具，防止加工时工件变形过大和引起振动，就必须对车削力的大小和方向进行研究和掌握。车削时，抵抗材料弹性塑性变形所形成对前刀面的正压力N前和切削滑出时对前刀面的磨擦力F前，工件对后刀面的正压力N后和磨擦力F后，这些作用在刀具上的力的合力F被称为车削过程的切削力。车削力F是一个受很多因素影响的空间力，它的大小和方向很难直接测出。车削时，一般把切削力F分解成空间直角坐标上的三个切削分力（Fc、Fp、Ff）如图2-2-1所示。其中Fc为垂直切削分力，方向垂直水平方向，消耗机床绝大部分（95％以上）功率，故被称为主切削力，是计算机床动力、工艺装备强度和刚度时的必备数据；Ff为走刀抗力，是切削力F在走刀方向上的分力，切削时，走刀速度比切削速度慢得多，所以消耗功率很少（约占1—5％），Ff作用在走刀机构上，是设计机床走刀机构的必要数据；Fp为吃刀抗力，这是切削力F在吃刀方向上的分力，由于切削时这个方向的速度是零，所以Fp不作功，Fp作用在工件的径向上，会把工件在水平方向顶弯，并引起振动，Fp引起工件的变形，影响工件的加工精度和光洁度远较Fc为大。由图2-2-1知，总切削力F和切削分力之间有如下关系：（2—1）一般情况下Fc：Fp：Ff=1：（0.45—0.65）：（0.35—0.55），将这一数值代入公式（2—1）有=可见，主切削力Fc差不多等于合力F。因此，在实际应用上计算切削力或功率以及研究切削力时，可以用主切削力代替合力。二、车削力的计算目前车削力的理论计算公式有很多种，但由于一方面精度不高，另一方面理论公式比较繁杂，应用价值不高，这里就不作介绍了。在实际工作中，特别是在工程实践中多使用经验公式，因此这里重点介绍车削力的经验公式。车削力的经验公式是用试验方法求出各因素变化时的切削力的数据，然后将试验数据加以整理，将主要的因素列成经验公式、将次要的因素列成经验公式的修正系数，供实际工作中使用。这种车削力计算方法使用方便，精度较高，所以在实际工作中应用广泛。在求车削力的经验公式时，先假定其它切削条件不变，只改变其中一个因素，求出每个单因素影响的公式，然后再综合起来求出总公式，即为车削力的经验公式。当工件材料、刀具几何形状、切削速度等条件不变时，则车削力仅与进给量f和切削深度ap有关。现以主车削力Fc为例，举例说明经验公式的求法。在确定Fc和f、ap之间的关系时，为了简化问题，首先分别研究Fc和f、ap之间的关系，然后综合研究Fc和f—ap之间的关系。1、Fc—ap之间的关系在切削某种给定的钢材时，其它因素不变，只改变切削深度ap。根据测力仪所测的不同ap时的Fc,将ap的数值及Fc的数值都画在对数坐标内，此时在对数坐标的曲线必然接近直线。我们先假定Fc—ap曲线的方程为：(2—2)式中：—系数；—ap的切削力指数；将式(2—2)两边取对数，得（2—3）此式在双对数坐标内为一直线，为直线在双对数坐标内的纵截距，为该直线的斜率，参见图2-2-2。2、Fc—f之间的关系同上理，其它因素不变，只改变进给量f。我们先假定Fc—f曲线的方程为：（2—4）式中：—系数；—f的切削力指数；将式(2—4)两边取对数，得（2—5）此式在双对数坐标内也必为一直线，为直线在双对数坐标内的纵截距，为该直线的斜率，参见图2-2-2。3、ap与f综合对Fc的影响关系假定主切削力Fc与f及ap的关系方程式为：（2—6）式中：—主切削力系数；—切削深度αp的主切削力指数—进给量f的主切削力指数。4、计算举例试验条件：工件：热轧碳钢刀具：Kγ=45°；γ0=10°；切削速度v=100m/min；进给量f=0.2mm/r用车削测力仪测得主车削力Fc数据见表2-2-1。表2-2-1切削深度ap(mm)11.522.5主车削力Fc(N)4456509201120把表2-2-1数据画在如图2-2-2(a)的双对数坐标中，通过图中各试验点作一直线贯穿期间，可知对数关系图形是一直线，测得该直线倾角α=45°。从图2-2-2(a)中可知，该直线的截距是lg445，该直线的斜率为tg45°，比较(2-3)式有：=445；=tg45°=1把和代入式(2-2)得：（2-7）这次取αp=1mm,其它试验条件同上，用测力仪测得Fc数据见表2-2-2。把表2-2-2数据画在如图2-2-2(b)的双对数坐标中，通过图中各试验点作一直线贯穿期间，可知对数关系图形也是一直线，并测得该直线倾角α=37°。从图2-2-2(b)中可知，该直线的截距是lg151，该直线的斜率为tg37°，比较(2-5)式有：表2-2-2进给量f(mm/r)0.10.20.30.4主车削力Fc(N)270470600750=151；=tg37°=0.75把和代入式(2-4)得：（2-8）综合式（2-7）和（2-8）中Fc和αp、f之间的关系，即可求出Fc与αp和f的关系，即：由式（2-7）知，当f=0.2mm/r时，Fc=445αp（2-9）由式（2-8）知，当αp=1mm/r时，Fc=151f0.75（2-10）根据式（2-6）结构，综合式（2-9）和（2-10），则得Fc=αpf0.75（2-11）∵联立解式（2-9）和（2-11）有：Fc=445αp=αpf0.75，再将f=0.2mm/r代入得到：445=(0.2)0.75∴==149再联立解（2-10）和（2-11）式有：Fc=151f0.75=αpf0.75，再将αp=1mm代入又有：151=×1.∴=151考虑到试验时数据可能会有误差，将所求得到的两个取平均值，得到：=故得到主车削力Fc与αp和f的关系为：Fc=150αpf0.75式中150即为，它代表在该具体条件下，即αp=1，f=0.2时的切削力。以上是主车削力Fc的经验公式的求法，按同样方法也可以求出Fp和Ff的经验公式。2.2.2影响车削力的因素影响车削力的因素很多，主要是工件材料、切削用量、刀具几何参数及刀具磨损等。工件材料的影响金属切削理论表明，随着被加工材料强度和硬度的提高，切削力会有所增加；对于强度和硬度相近的材料，因其塑性较大，则强化系数较大，与刀具间的磨擦系数和磨擦角也就较大，故切削力增加；在切削脆性材料时，切削被崩碎，塑性变形及切削与前刀面间的磨擦都很小，故其切削力一般低于塑性材料。切削用量的影响切削深度和进给量切削深度αp或进给量f加大均使切削力增大，但两者的影响程度不同，金属切削理论表明，αp增大时，切削力成正比增大，而f增大时，切削力不成正比增大，即当αp增大一倍时，Fc增大一倍,而f增大一倍时，Fc只增大68—86％。切削速度加工塑性金属时，在中速和高速下，切削力一般随着切削速度的增大而减小，这重要是因为随着撕毁削速度v的增大将使切削温度提高，在低速范围内，由于存在着积削瘤的产生与消失过程，所以切削速度对于切削力的影响会随着积削瘤的产生与消失而波动。在切削脆性材料时（如灰铸铁、铅黄铜），因其塑性变形很小，切屑和前刀面的磨擦也很小，所以切削速度对切削力没有显著的影响。刀具几何参数的影响前角前角γ0加大，被切金属的变形减小，因此削力将显著下降。一般加工塑性较大的金属时，前角对切削力的影响比加工塑性较小的金属更显著。负倒棱在锋利的切削刃上磨出适当宽度的负倒棱，可以提高刃区的强度，从而提高刀具的使用寿命，但将使被切金属的变形加大，使切削力有所增加。主偏角当主偏角加大时，Fp减小，Ff加大。当加工塑性金属时，随着主偏角Kr加大，Fc减小，约在Kr=60—75°之间时，Fc减小到最小，然后随着主偏角Kr加大，Fc又有所增大，Fc的变动范围不大，无论减小或增大，都在10％以内。主偏角Kr加大时，Fp/Fc减小，Ff/Fc加大。刃倾角刃倾角变化时，将改变合力F的方向，因而影响各分力的大小。刃倾角λs减小时，Fp增大，Ff减小。在非自由切削的情况下，刃倾角在10～-45°的范围内变化时，Fc基本不变。5、刀尖圆孤半径在一般的切削加工中，刀尖圆孤半径对Fp和Ff的影响较大，对Fc的影响较小。当刀尖圆孤半径在0.25—2mm范围内变化时，随着刀尖圆孤半径的加大，Fp增大，Ff减小，Fc仅略有增大。2.2.3车削力的测量车削力的测量是研究金属切削过程的一个重要手段，通过对切削力的测量和研究，可以判断工件材料的切削加工性能，也机床设计的重要依据。在实际生产中，特别是在批量生产中，对于合理选择刀具几何参数及切削用量等生产工艺过程是具有非常重要的实际意义的。同时也有助于研究切削过程的物理本质，为机床设计、工艺装备设计和工艺规程的编制均能提供必要的原始资料。车削力的测量，一般是测量各车削分力。车削力的测量由三向车削测力仪来完成。三向车削测力仪由YDC-Ⅲ89型压电式三向车削侧力计、YE5850电荷放大器、DIN-50S型接线盒、PCI-9118DG数据采图2-2-3压电式三向车削测力计结构图集卡和计算机组成。下面首先介绍一下三向车削测力仪。YDC-Ⅲ89型压电式车削侧力计结构及工作原理YDC-III89型压电式三向车削测力计是由一个带有弹性环的刀杆整体构件和一个装于其内的压电石英晶体三维力传感器构成，如图2-2-3所示，头部装有活动刀片，可以像普通车刀那样安装在刀架上车削工件。压电石英晶体三维力传感器有三对不同切型的石英晶片装入壳体内，其中一对采用具有纵向压电效应的切片，只能测量垂直的Z向力;而另外两对晶片由于采用具有切向效应的切型，且相互成900放置，因此可测X和Y方向的分力，这样空间任何方向的力作用在传感器上时，传感器便能自动地将力分解为空间相互正交的三个分力，即可以拾取到X、Y、Z三个方向的力信号。车削力测量系统组成及工作原理测力系统由压电式三向车削侧力计、电荷放大器、接线盒、PCI-9118DG数据采集卡和计算机组成，压电式三向车削侧力计将切削力的变化转变为电荷的大小并拾取，再由电荷放大器进行放大，得到比例放大的模拟电压信号，通过接线盒沿着ACL-10250连接电缆将模拟电压信号送入已经装入计算机内的PCI-9118DG数据采集卡，经过数据采集卡对力信号的A/D转换后由计算机处理并显示和读取。切削力测量系统硬件连接切削力测量系统硬件连接原理如图2-2-4。图2-2-4车削力测量系统硬件连接原理图YDC-Ⅲ89型压电式车削侧力计象普通车刀的安装一样，固定在刀架上。车削力测量系统硬件连接详图见图2-2-5，压电式车削测力计的三根信号线分别接于三个电荷放大器前面的Q输入端，三根两端带有Q9接头的放大器输出线的一端分别连接每个电荷放大器后面的输出端，而其中的另一端分别与接线盒上对应Q9的接线柱相连，ACL-10250连接电缆再将接线盒与装于计算机上的PCI-9118DG数据采集卡连接好，最后接上电源线方告接线完成。硬件安装与连接还应注意以下事项：1、测力计的安装表面应确保平整(与测力计的底面一样需车削或刮研)和清洁，以防产生附加剪应力使向间干扰增大。同时，测力计的刀尖应与车床的回转轴等高。2、电荷放大器使用前要调好灵敏度，预热半小时。3、测力计和电荷放大器应有可靠接地，最好设置专门的地线，使整个测力系统有图2-2-5连接详图一个统一的地线。4、使用前，将测力计的输出线短接放电，但千万不能将电荷放大器输入端短接。5、电荷放大器未测试之前，应始终处于复位状态。四、切削力动态测量显示软件系统的使用运行车削力动态测试软件系统在计算机桌面上双击切削力动态测试系统图标，出现图2-2-6所示的信号采集卡选择界面，选择PCI-9118按开始使用后出现图2-2-7所示的切削力动态测量显示系统界面。图2-2-6信号采集卡选择界面2、执行命令（完成正常测试步骤）①.信号采集方式的选择如图2-2-7点击执行命令下拉菜单，选择低速连续测量；再点击执行命令下拉菜单，选择动态测量如图2-2-8所示；这时将会看到图2-2-9所示的对话框，在对话框中按着相应的提示写入相应的数据，其中的采样频率为必填项，通常为100，三个方向报警阈值为必填项，通常为2021（因为测力仪的最大测力范围为2021N），也可以按默认值填写后个别修改；确认后再次点击执行命令下拉图2-2-7切削力动态测量显示系统界面菜单，点击获取零点，屏幕弹出保存文件对话框如图2-2-10，默认为tmp.dat,则测试数据将保存在该文件下，如果键入文件新名称，则测试数据将保存在新名称文件下，这时信号采集方式的选择完成图2-2-8选择测量方式界面图2-2-9在线测试输入对话框图2-2-10保存数据文件对话框②.测试按开始测试按钮即可执行测试。这时在切削力与时间动态显示曲线图形区有三色曲线显示如图2-2-11。同时测试按钮灰化，终止按钮激活。图2-2-11动态曲线显示状态③.结束测试按停止按钮即可结束测试。系统将产生一个报告文件（report.txt）,汇总本次实验的基本条件和数据，可以打开查看，如果想保留它，请另取文件名，否则下次测试将覆盖原来的内容！系统将本次测量的数据文件存放在名为tmp.dat的文件中，如果想保留，按“请您注意保存测试记录信息”提示框中的“是”按钮并进一步操作，否则按“否”按钮即可。2.2.4车削力的测量实验一、实验意义切削力的测量是研究金属切削过程的一个重要手段，通过对切削力的测量和研究，可以判断工件材料的切削加工性能。在实际生产中，特别是在批量生产中，对于合理选择刀具几何参数及切削用量等生产工艺过程是具有非常重要的实际意义的。同时也有助于研究切削过程的物理本质，为机床设计、工艺装备设计和工艺规程的编制均能提供必要的原始资料。二、实验目的了解压电式车削侧力仪的工作原理、结构及使用方法。利用三向车削侧力仪测量切削用量与切削力的关系。学会测量切削力及处理实验数据的方法，求出车削力经验公式。三、实验类性：验证型四、试验设备YDC-Ⅲ89型压电式三向车削侧力计YE5850电荷放大器DIN-50S型接线盒PCI-9118DG数据采集卡计算机CM6140车床五、主要设备结构、工作原理及安装=1\*GB2⑴、车床结构车床的外形如图2-2-12所示，由床身21、主轴箱19、主轴20、进给箱22、刀架23、尾座24以及装于保护罩内的皮带轮8等组成，操纵系统由主轴变速手柄1、2，进给量调整手柄3、4，螺纹种类及丝杠、光杠变换手柄5，主轴正反转操纵手柄6，刀架纵横向自动进给手柄及快速移动按钮7，床鞍纵向移动手轮9，图2-2-12车床外形及传动系统操作布置图下刀架横向移动手轮10，方刀架转位及固定手柄11，上刀架移动手柄12，尾座顶尖套筒固定手柄13，尾座快速紧固手柄14，尾座顶尖套筒移动手柄15，急停按钮16，电源总开关17，主电机控制按钮18，等组成。=2\*GB2⑵、试件安装与调整卸下卡盘，装上拨盘，床头床尾各装上顶尖，将试件装在两顶尖之间，将测力仪刀头装在刀架上，将尾座的各个活动环节紧固好后，调整测力仪刀尖与主轴回转中心处于水平位置。=3\*GB2⑶、测力仪测力仪的结构、工作原理及安装详见前述。六、实验步骤1.按着上述，将测力计安装在车床的刀架上，将试件装在两顶尖之间，调整测力仪刀尖与主轴回转中心处于水平位置，紧固好尾座的各个活动环节。2.按着上述，将测力仪硬件系统连接好后，启动系统，然后进行系统设置。3、启动机床，设定好切削速度和走刀量，准备测量。4、测量切削深度ap对切削力的影响固定刀具几何角度、切削速度和走刀量，改变吃刀深度ap，进行切削加工，同时进行测量，将测得的Fc、Fp和Ff值填入实验报告相应表格中。5.测量走刀量f对切削力的影响固定刀具几何角度、切削速度和吃刀深度，改变走刀量f，进行切削加工，同时进行测量，将测得的Fc、Fp和Ff值填入实验报告的相应表格中。6.测量切削速度v对车削力的影响固定刀具几何角度、吃刀深度和走刀量，改变切削速度，进行切削加工，同时进行测量各方向车削力，将测得的Fc、Fp和Ff值填入实验报告的相应表格中。七、实验操作注意事项实验操作前请仔细阅读实验指导教程的相关内容，熟悉机床传动与操作。将测力仪刀杆牢牢地固定在刀架上，否则受力过大可能会造成刀杆的移动，影响测量效果。将尾座的各个活动环节要紧固好，否则也会造成测量结果的不准。测力仪刀柄处的安装表面应确保平整(与测力仪的底面一样需车削或刮研)和清洁，以防产生附加剪应力使向间干扰增大。电荷放大器使用前要调好灵敏度，预热半小时。测力仪和电荷放大器应有可靠接地，最好设置专门的地线，使整个测力系统有一个统一的地线。使用前，将测力仪的输出线短接放电，但千万不能将电荷放大器输入端短接。放大器未测试之前，应始终处于复位状态。八、数据处理，用作图法求得车削力经验公式1、将测量数据分别记录于实验报告的相应表格中，根据测量数据在实验报告的双对数坐标图上分别绘出主切削分力Fc与切削用量αp和f的关系曲线，其横座标为切削用量αp和f，纵座标为主切削分力Fc；根据测量数据在实验报告的直角座标图中绘出Fc、（Fp、Ff）-v曲线，并分析切削速度对切削力的影响。2、建立车削力经验公式，分析ap，f对切削力Fc的影响。2.3切削刀具用金属切削刀具切除工件上多余的金属，从而使工件的形状、尺寸精度和表面质量都合乎预定要求，因此金属切削刀具是金属切削过程非常重要的部分，是使工件的形状、尺寸精度和表面质量达到预定要求的非常重要的条件，认识切削刀具是我们这节课程的主要任务。2.3.1刀具切削部分的基本定义一、刀具切削部分的结构要素金属切削刀具的种类虽然很多，但它们的切削部分的几何形状与参数都有着共性，即不论刀具的结构如何复杂它们的切削部分总是近似以外圆车刀的切削部分为基本形态，因此，在确定金属切削刀具的切削部分几何形状的一般数语时，图2-3-1刀具切削部分的结构要素可以车刀切削部分为基础。刀具切削部分的结构要素如图2-3-1所示，其定义和说明如下：1、前刀面Aγ前刀面Aγ是切削流过的表面。如果前刀面是由几个相互倾斜表面组成的，则可以从切削刃开始，依次把它们称为第一前刀面Aγ1（有时称为倒棱）、第二前刀面Aγ2等（见图2-3-1）。还可以根据前刀面与主、副切削刃相毗邻的情况区分：与主切削刃毗邻的称为主前刀面，与副切削刃毗邻的称为副前刀面。2、后刀面Aα后刀面Aα是与工件上新形成的过渡表面相对的刀具表面。同样也可以分为第一后刀面Aα1（有时称为刃带）、第二后刀面Aα2等。与副切削刃毗邻、与工件上已加工表面相对的刀面被称为副后刀面A’α。同样，副后刀面也可以分为第一副后刀面A’α1、第二副后刀面A’α2等。3、切削刃S切削刃是前刀面上直接进行切削的边锋，有主切削刃S和副之S’分，如图2-3-2所示。连接主副两条切削刃之间的一小段切削刃可以是直线，也可以是圆孤，它常被称为过渡刃（如图2-3-3）。图2-3-2有关术语的说明图2-3-3刀尖形状4、刀尖刀尖是指主切削刃与副切削刃的连接处相当短的一部分切削刃。常用刀尖有三种，交点（点状）刀尖、圆孤（修圆）刀尖和倒棱（倒角）刀尖。如图2-3-3所示。二、刀具角度的参考系刀具切削部分必须具有合理的几何形状，才能保证切削加工的顺利进行和获得预期的加工质量。刀具切削部分的几何形状主要由一些刀面和刀刃的方位角度来表示，为了确定刀具这些角度，必须将刀具置于相应的参考系里。按构造参考系时所依据的切削运动的差异，参考系可分为刀具标注角度参考系和刀具工作角度参考系。前者是由主运动方向确定的，而后者是由合成切削运动方向确定的。现仍以车刀为例来加以说明。1、刀具标注角度参考系：构成刀具标注角度参考系的参考平面，通常有基平面、切削平面、主剖面、切削刃法剖面、进给剖面和切深剖面。=1\*GB2⑴、基平面简称基面，由Pr表示，基面是通过切削刃选定点并垂直于主运动方向的平面。通常基面应平行或垂直于刀具上制造、刃磨和测量时的某一安装定位平面或轴线。=2\*GB2⑵、切削平面由Ps表示，切削平面是通过切削刃选定点，与切削刃S相切，并垂直于基面Pr的平面。=3\*GB2⑶、主剖面由Po表示，主剖面Po是通过切削刃选定点，同时垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。=4\*GB2⑷、切削刃法剖面由Pn表示，切削刃法剖面Pn是通过切削刃选定点，垂直于切削刃的平面。=5\*GB2⑸、进给剖面由Pf表示，进给剖面Pf是通过切削刃选定点，平行于进给方向并垂直于基面Pr的平面。=6\*GB2⑹、切深剖面由Pp表示，切深剖面Pp是通过切削刃选定点，同时垂直于基面Pr和进给剖面Pf的平面。2、刀具工作角度参考系：上述刀具标注角度参考系在定义基面时，都只是考虑主运动，不考虑进给运动，即在假定运动条件下确定的参考系。但刀具在实际使用时，这样的参考系所确定的刀具角度往往不能确切反映切削加工的真实情形，只有用合成切削运动方向来确定参考系才符合切削加工的实际。由于篇幅所限，这里不再过多赘述，如有需求请参考相关书籍。三、刀具的标注角度在刀具标注角度参考系中所确定的切削刃与各刀面之间的方位角度被称为刀具标注角度。由于刀具角度的参考系沿切削刃各点可能是变化的，故所确定的各刀具角度均应指明是切削刃选定点处的角度，凡未特殊注明的，则指切削刃上与刀尖毗邻的那一点的角度。在切削刃是曲线或前、后刀面是曲面的情况下，定义刀具角度时，应该用通过切削刃选定点的切线或切平面代替曲刃或曲面。以下还是通过普通车刀给诸标注角度下定义，同时加以说明。由于这些定义具有普遍性，因此也可以用于其它类型的刀具。主剖面参考系里的标注角度将主剖面参考系中的参考平面Pr、Po和Ps按工程制图规则移植在一平面上，便可得到图2-3-4中R向（Pr）、S向（Ps）视图和O-O剖面图（Po）。在Pr、Po和Ps内有如下一些标注角度：=1\*GB2⑴、在主剖面Po内的标注角度：=1\*GB3①.前角γ0:在主剖面内度量的基面Pr与前刀面Aγ的夹角。=2\*GB3②.后角α0：在主剖面内度量的后刀面Aα与切削平面Ps的夹角。=3\*GB3③.楔角βo：在主剖面内度量的后刀面Aα与前刀面Aγ的夹角。=2\*GB2⑵、在切削平面Ps内的标注角度：刃倾角λs：在切削平面内度量的主切削刃S与基面Pr的夹角。=3\*GB2⑶、在基面Pr内的标注角度：=1\*GB3①.主偏角Κr:在基面Pr内度量的切削平面Ps与进给平面Pf间的夹角。它也是主切削刃S在基面上的投影与进给运动方向间的夹角。=2\*GB3②.副偏角Κr’:在基面Pr内度量的进给平面Ps与副刀刃在基面上的投影间的夹角。=3\*GB3③.刀尖角εr:在基面Pr内度量的切削平面Ps与副切削平面Ps’间的夹角。图2-3-4车刀的标注角度法剖面参考系里的标注角度法剖面参考系和主剖面参考系的差别只在于剖面的不同，以法剖面Pn代替主剖面Po，主剖面参考系就变成法剖面参考系，因此只有法剖面的标注角度和主剖面的标注角度不相同，其余对应角度是相同的。所以只需要定义法剖面Pn的标注角度。=1\*GB2⑴、法前角γn：在法剖面内度量的前刀面Aγ与基面Pr的夹角。=2\*GB2⑵、法后角αn：在法剖面内度量的切削平面Ps与后刀面Aα的夹角。=3\*GB2⑶、法楔角βn：在法剖面内度量的前刀面Aγ与后刀面Aα的夹角。进给、切深剖面参考系里的标注角度进给、切深剖面参考系由基面Pr、进给剖面Pf和切深剖面Pp构成，Pr的定义同前述主剖面参考系。其它待定的有：=1\*GB2⑴、进给剖面Pf：过切削刃上选定点平等行于进给运动方向并垂直于基面Pr的平面。=2\*GB2⑵、切深剖面Pp：过切削刃上选定点并垂直于基面Pr和进给剖面Pf的平面。将进给、切深剖面参考系的参考平面按工程制图的规则移植到一个平面内，便可得到图2-3-4所示的R向视图Pr、F-F(Pf)和P-P(Pp)剖面图。本参考系基面内的标注角度与主剖面参考系基面内的标注角度相同，这里不再赘述。进给剖面Pf内标注角度有进给前角γf、进给后角αf和进给楔角βf；切深剖面内的标注角度有切深前角γf、切深后角αf和切深楔角βf。这些角度可以参照给主剖面参考系标注角度下定义的方法加以定义。2.3.2刀具几何角度测量刀具几何角度是影响切削过程、切削力、切削热及刀具耐用度的主要因素之一，在一定的切削条件下，刀具几何角度的合理选择就成为切削加工中的关键。由于各种类型刀具的几何角度都可以车刀做为典型代表进行分析，因此深入理解车刀的几何角度、掌握车刀几何角度的测量方法具有十分重要的意义。下面仍以车刀为例，对刀具的几何角度进行测量。一、测量仪器各种不同的刀具测量要用不同的测量仪器，万能车刀测角仪就是专门用于测量车刀几何角度的专用仪器。1、万能车刀测角仪的结构万能车刀测角仪的结构如图2-3-5所示。立柱1用螺纹固定在指示园盘6上，立柱上有方形螺纹和导向键槽，内装有导向键的导向铁2可沿着立柱在垂直方向通过升降螺母5的转动上下移动。扇形刻度盘3用螺钉将其固定在导向铁2上，刻度盘上面刻度值为40o，每一小格为10，.每一大格为100，指针4用螺钉轴、弹簧垫圈固定在扇形刻度盘下端，它可以绕螺钉轴转动。指针下部为测头，它的两侧面与底面相垂直。升降螺母5用方形螺纹与立柱螺接，并安装在导向铁下部，转动升降螺母时扇形刻度盘随导向铁上下移动。指示园盘6又做为测角仪的底座，园盘上刻有刻度值，用来测量车刀主偏角和付偏角。刀台7安装在指示园盘的上面，可沿园盘中心转动，刀台上开有两条定位槽，用来安放平行档铁，平行档铁8下面用螺钉固定有两条定向键，放在刀台的定位槽内并可沿定位槽移动。小指针9用螺钉固定在刀台的左下端，是用来指示刀台转动角度的，被测刀具10紧靠平等挡铁放置。2、万能车刀测角仪的使用测量时，首先将被测车刀放在刀台上，并将刀柄贴靠在平行挡铁上来进行定图2-3-5万能车刀测角仪结构图1——立柱2——导向铁3——扇形刻度盘4——指针5——升降螺母6——指示圆盘7——刀台8——平行挡铁9——小指针10——车刀位。根据测量不同部位角度的不同，将刀柄的不同面帖靠在平行挡铁上，通过移动平行挡铁、被测车刀和转动刀台及旋转升降螺母调整刻度盘（或指针）的高度来使刀头的不同部位与指针的两垂直边或底水平边及前平面紧密帖靠，这样就能够测量出车刀的不同角度。这里需要提醒的是，在无论被测车刀怎样移动，刀柄都要紧紧帖在平行挡铁上，否则会导致测量结果不准确。二、测量方法1、将车刀放在刀台上并将刀柄侧面与平行档铁靠紧。适当调整平行挡铁、被测车刀和转动刀台及旋转升降螺母调整刻度盘（或指针）的高度位置，使车刀的切削部分对应帖靠于指针的不同测量部位，指针的前面与主切削刃密合时可测得主偏角，指针的前面与副切削刃密合时可测得付偏角，指针的侧面与后刀面密合时(在主剖面内)可测得主后角，指针的侧面与副后刀面密合时(在副剖面内)可测得副后角;指针的底边与前刀面密合时(在主剖面内)可测得前角，指针的底边与主切削刃密合时可测得刃倾角;如图2-3-6所示。图2-3-6图2-3-6车刀角度测量示意图2、在测量过程中，当指针由于刀头高低不适宜时可调整升降螺母，使指针上下移动，当指针测量部位与车刀被测刀面或刀刃在方向上不适宜时可转动刀台，得到正确位置；当车刀在刀台上位置不适宜时，可与档铁在一起左右移动，或向前后移动刀体。3、测量g0、ao、ao、λS时，角度值在扇形刻度盘上读出，测量Kg和K’g时，角度值在指示圆度盘上读出。2.3.3刀具测量实验实验名称：车刀几何角度测量实验目的1、通过实验，加深理解刀具标注角度参考平面(基面、切削平面、主剖面、付剖面等)的空间位置及相互关系；2、加深了解车刀各刀面在刀具角度参考系中的位置及其与车刀几何角度的关系；3、熟悉万能车刀测角仪测量原理，掌握车刀几何角度的测量方法，进一步加深理解车刀几何角度及其在切削过程中的作用。三、实验类型：验证型四、实验仪器及刀具1、万能车刀测角仪一台。2、45°外园车刀、75°外园车刀、90°外园车刀和切断车刀各一杷。五、实验内容分别对45°外园车刀、75°外园车刀、90°外园车刀和切断车刀的g0、ao、ao、λS、Kg和K’g进行测量，绘图表标注外园车刀和切断刀各角度。六、测量运用前面提到的测量方法对车刀的g0、ao、ao、λS、Kg和K’g进行测量，并将测量的各角度值填入实验报告表内。七、作图用图2-3-6的表示形式，绘图表示出外园车刀和切断刀各标注角度。答问题叙述车刀各标注角度的测量原理。第三章金属切削机床3.1概述传统的金属切削机床包括有车床、铣床、鉋床、磨床、滚齿机、插齿机、磨齿机等等。尽管如今现代加工设备日新月异，但这些传统的金属切削机床由于投资成本低、生产成本低、操作相对容易掌握，至今仍然是工业生产中应用最为广泛的机械加工设备，是工业生产中的主力军，目前世界上有80％以上的产品零件是用传统加工机床完成的。本章讲述的内容主要就是通过以最最常用的车床为代表，借助于典型实验来概述金属切削机床，为机床的设计和使用提供必要的支持，介绍相关的实验仪器和设备的原理、结构和使用以及完成相应实验的步骤和方法、实验数据的处理以及实验图表的制作等内容。3.2机床几何精度机床的加工精度是衡量机床性能的一项重要指标，近年来，随着科学技术的发展，对机床精加工精度的日益提高，对机床要求的内容也逐渐增多。影响机床加工精度的因素有很多，机床几何精度就是影响机床加工精度非常重要的指标之一。机床几何精度包括机床上安装工件或刀具的主要基面的几何角度、机床上主要部件运动轨迹的精度、各基面间以及各基面与主要部件运动方向间的相互位置精度等。在几何精度试验中，仅在运动部件处于几个静止位置进行测量，或在非常缓慢的运动状态下进行测量。一、机床几何精度检验工作原理几何精度检验包括机床导轨的直线度、平行度和垂直度，工作台面的平面度、机床各部件之间的垂直度、平行度和同轴度以及机床部件的运动精度、主轴或工作台的回转精度等，是检验实际形状(或位置)相对理想形状(或位置)的变动量，而且在确定理想形状的位置时，应该使理想形状与实际形状相接触并使二者之间最大距离为最小，图3-1为机图3-1机床导轨检验原理床导轨检验原理。二、机床导轨检验机床导轨的直线度、平行度和垂直度，工作台面的平面度、机床各部件之间的垂直度、平行度等是影响零件加工质量、反映机床精度的重要指标。机床导轨检验通常采用滑板检验法，检验仪器通常有水平仪和自准直仪等。下面首先介绍一下水平仪和自准直仪的结构和工作原理。=1\*GB4㈠、检验仪器的结构和工作原理1、水平仪的结构和工作原理水平仪有条形、框形、合象等几种，水平仪的主要部分是一个弧形玻璃管，它的内壁研磨成100米左右的曲率半径，如图3-2所示。ab图3-2水平仪弧形玻璃管结构玻璃管内充以少量对玻璃管壁附着力较小的乙醚之类液体，中间留一个气泡，将两端封固，并在管壁上刻有刻度(与曲率半径相适应)。即在图1-2(b)中式中：a一一玻璃管格值，一般a=2毫米;一一每格所对应的偏角。当4"r=103182毫米无论水平仪放在什么位置，玻璃管中的液面总是处于水平，气泡总是向高处移动，读出气泡两端边缘移动的格数，即可求出相应的高度差。框式水平仪的刻度值有0.02/1000(4")和0.05/1000（10")两种，0.02/1000表示将该水平仪放在1m长的平尺上，在平尺右端垫起0.02毫米的高度，平尺便倾斜一个角度α，此时水平仪正好移动一个刻度值，即水平仪连同平尺的倾斜角有如图3-3的关系。在使用水平仪测量中，我们是将水平仪放在车床的导轨上，水平仪长度有200、250和300mm等不同规格，现以250mm为例，那么由图3-3有=0.00002和毫米图3-3水平仪测量高度差原理图此外在实际使用中水平仪也不一定移动一格，例如移动2格，那么把计算高度差的公式写成通式则式中:L一一水平仪长度，本实验所用水平仪为200mmn一一水平仪读值格数；K一一所用水平仪刻度值精度，本实验所用水平仪为0.02。水平仪读数的符号，习惯上规定:气泡移动方向和水平仪移动方向相同时，读数为正值、气泡移动方向和水平仪移动方向相反时为负值。2、自准直仪工作原理、结构及使用①、仪器的成像原理图3-4所示为自准直仪光学系统。由照明灯泡6发出的光线经聚光镜5、滤光片4、投射到半反射镜3，然后经半反射镜3反射后，照明置于物镜1后焦面上的拉丝分划板2，为此分划板2经物镜成像在无限远处。如果物镜前放置一个平图3-4自准直仪光学系统图3-4自准直仪光学系统图面反射镜11，则光线经反射镜11反射后重新进入物镜1并成像于物镜1的焦面上，即分划板2的位置上，这一自准像经半反射镜3透射后由显微物镜7放大并成像在目镜10的前焦面上，人眼通过目镜即可观察到拉丝分划板以及它的自准像。为了测量的目的，在目镜9的前焦面上安置瞄准分划板8。瞄准分划板8上刻有双夹线，并分别通过带有螺距为lmm精密丝杠来推动。每个丝杆分别与带有100等分划值的测微转鼓相联接。如果反射镜11变化-个微小角α，则根据反射定律反肘角将改变2α角度。见测量原理图3-5。反射角的角位移量经物镜转换成为自准象的直线位移量。 则图3-5测角原理图一一物镜组合焦距图3-5测角原理图"一一常数=206265"该仪器中物镜组合焦距为1031.324mm，因此当测微鼓转动一周时，测量分划板以双夹线移动测微丝杠一个螺距即lmm，相当于反射测量时1OO角秒的角位移。因为测微鼓上刻有l00等份的刻线，测微鼓的格值即相当于反射测量的1角秒的角位移值。②、仪器结构仪器结构如图3-6示，主机由支架1和镜管2两大部分组成：图3-6仪器结构图图3-6仪器结构图支架由三个调平螺钉3支撑，支架中部备有一个调平指示水泡4，支架两端的支臂上用销钉5联接两个压环6，使镜管牢固地固定在支架上。镜管的前端由螺纹联接一准直物镜筒7，旋进或旋出该物镜筒可以使物镜焦面调至拉丝分划板位置重合。准直物镜与拉丝分划板中间安置了一个光栏9。拉丝分划板座可由四颗顶丝10调整中心位置，可以方便地使光管视轴调至与镜管轴线平行。镜管的上方固定有照明光源组件11·照明灯具有可调机构，可以使现场照明调至最亮最均匀的状态。在镜管的后端固定有测量显微镜组件12，该组件前面通过螺纹联接一显微物镜座13，调整显微物镜的位置即可调整物镜的放大倍率，也就调整了仪器的视值误差。显微镜组件的后面固定有测微目镜14，是保证仪器精度的核心部分。整个显微镜组件可做前后位置的调整，以保证拉丝分划板像面与测微目镜分划板像面的重合，同时该组件还可以在在镜筒内旋转调整，以达到拉丝分划板线与测微目镜双夹线调至平行的目的，显微镜组件位置调整好后由镜管侧面的顶丝15固紧。镜管外圆经过精磨抛光镀铬，可作为仪器本身调整的基准，也可以用来做为固定某些附件的基准。镜管可在支架上做900的旋转并由可调顶丝定位。③、双向自准直测微仪操作及使用将照明灯接通6v变压器，在自准直仪前放置一平面反射镜，调整目镜视度直至看清视场中的双夹线为止。此时如果照明不均匀应稍松开照明灯背帽，调整灯泡的位置使照明均匀后将背帽锁紧。微调支架调平螺钉，使从反射镜反射回的自准像大致移到视场中央位置。然后来回微动反射镜座，观察自准像的扫描方向是否与视场中拉丝分划线的横线平行，如不平行应调整支架后面的两个调平螺钉，一个升高而另一个下降同样的量，以保证自准像在视场中央的位置大致不变。以上各步骤完成后即可进行正式的测量工作。本实验用的自准直测微仪是双的，垂直方向的测微鼓用来测量垂直方向的直线度；水平方向的测微鼓用来测量水平方向的直线度。在测量时，首先转动测微图3-7自准直测微仪视场情况及读数机构鼓使双夹线夹住反射镜的自准像读取一数据见图3-7。当移动反射镜后，反射镜的自准像会有微小的变化后，再重新转动测微鼓使双夹线夹住变化后的自准像读取数据，两次读数之差即为反射镜的角度变化量。其读数方法与千分尺读数方法相似。=2\*GB4㈡、机床导轨检验方法机床导轨检验方法根据检验仪器不同，检验方法和检验精度也有差别，通常自准直仪比水平仪的检验精度要高。下面分别介绍用水平仪和自准直仪检验机床导轨的检验方法。1、用水平仪检验的方法=1\*GB2⑴、调整水平仪在检验之前，首先调整水平仪，使之气泡处在正确的水平位置。调整方法如下：首先将水平仪放在车床导轨的尾端（0位点），记下气泡的位置，然后原地掉转180°，看气泡是否仍在原位，如不在，调整水平仪的水平调整螺钉，使之恢复到原位，反复调整直到气泡处在正中央为止。=2\*GB2⑵、机床导轨检验将床身导轨按水平仪长度划分成若干段，把水平仪按纵向放在导轨的零位上，记下这一位置水平仪的读数及符号（一般总是把水平仪在起始位置的读数作为零位），然后首尾相接逐段依次移动水平仪，每移动一次记录一次水平仪的读数及符号，并将所测数值填入表3-1。=3\*GB2⑶、数据整理根据表3-1中的检测数值，用特定的高度差计算通式分别计算出各段的高度用水平仪检验导轨在垂直面内的直线度数据表3-1导轨分段Li距0位距离(mm)水平仪读数（ni格）Li段的高度差Hi=0.004ni（mm）累积高度差H=（mm）L1000L2200L3400L4600L5800L61000L71200L81400L91600L101800L112021L122200H(mm)H(mm)LLi010020030040050060070080090010001100010020030040050060070080090010001100图3-8水平仪检验导轨直线度误差曲线差，再表3-1中的累积高度差计算式将各段高度差逐段相加，计算出累积高度差。=4\*GB2⑷、作图以每段的累积高度差为纵座标，以每段端点的位置为横座标在图3-8上标出各坐标点。连结各点的曲线即为误差曲线，连结曲线两端点，曲线上各点到两端点连线的最大距离即为该点的直线度误差。=5\*GB2⑸、测量注意事项使用水平仪时要注意温度对汽泡位置的影响，防止直接对气泡呼吸。2、用自准直仪检验的方法=1\*GB2⑴、自准直仪安放与调整将自准直测微仪放在支架上或平台上，反射镜放在过桥上，过桥置于车床导轨的尾端（0位点），调整支架高度和反射镜的左右位置，使之从目镜中能看到反射十字线像为止，调整自准直测微仪的支承螺丝，使基准十字线处于正确位置，调整测微目镜使黑色十字线处于正确位置。=2\*GB2⑵、检测转动自准直仪水平方向的测微鼓，使双夹线夹住反射镜的自准像，读取水平面内的初始角度值；同理，转动垂直方向的测微鼓，读取垂直面内的初始角度值β1，将测得的数据分别记入表3-2中；记录完0位点的测量数据后，通过拖架推动过桥并联同放在过桥上的反射镜一起从0位点出发，向车床的首端移动，每隔100mm设一个测点，这样就有第一段L1、第二段L2……第n段Ln依次移动，每移动一段，反射镜的自准像都可能偏离双夹线，再次转动测微鼓，使双夹线夹住反射镜的自准像，又可以分别读取角度值和β2、、和β3……和βn，将测得的数据分别记入表3-2中，以此类推，直到测量完最后一组数据。=3\*GB2⑶、数据整理 根据表3-2中的检测数值，并按着表3-2中提供的计算式分别计算在段Li-Li-1中的线量变化和在Li段中累积的线量变化。=4\*GB2⑷、作图以每段的累积线量变化为纵座标，以每段端点的位置为横座标，分别在图3-9和3-10上作车床导轨在水平面内和垂直面内的直线度误差曲线图，连结各点的曲线即为误差曲线。连结曲线两端点，曲线上各点到两端点连线的最大距离即为该点的直线度误差。=5\*GB2⑸、测量注意事项因为自准直测微仪是精密测量仪器，任何风或轻微震动都可能影响测量效果，因此在作实验时，不要触及摆放测微仪的工作台，并尽可能关闭门窗。用自准直仪检验导轨直线度数据表3-2导轨分段Li距0位距离(mm)自准直仪读数鼓读数（角度值）在段Li-Li-1中的线量变化（mm）第Li段的累积线量变化（mm）水平面ai(〞)垂直平面βi(〞)水平面10-3垂直平面10-3水平面h=垂直平面H=L100000L2100L3200L4300L5400L6500L7600L8700L9800L10900L111000L121200L131400L141600hhLLi010020030040050060070080090010001100010020030040050060070080090010001100图3-9自准直仪检验导轨在水平面内的直线度误差曲线HHLLi010020030040050060070080090010001100010020030040050060070080090010001100图3-10自准直仪检验导轨在垂直面内的直线度误差曲线3.3机床几何精度测量实验一、实验名称：车床几何精度测量二、实验目的熟悉机床几何精度检验的内容、原理、方法、步骤和仪器使用以及实验数据的处理和误差曲线的绘制。从而了解被检验机床的几何精度状况以及它与加工精度的关系。三、实验类性：验证型四、实验仪器设备1、车床（床身一米以上）一台2、框式水平仪一只3、自准直测微仪一台五、实验步骤本实验分别用水平仪和自准直测微仪两种方法来测量，测量方法和注意事项参照3.2节。六、实验数据处理根据分别用水平仪和自准直测微仪两种测量方法的测量结果，分别进行数据计算和数据整理。1.在用水平仪测量方法中，用表特定的高度差计算通式分别计算出各段的高度差，然后用累积高度差计算式将各段高度差逐段相加，并记录于表格中。2.在用自准直测微仪测量方法中，分别计算在段Li-Li-1中的线量变化和在Li段中累积的线量变化并并记录于表格中。七、作图根据分别用水平仪和自准直测微仪两种测量方法的测量及计算结果，分别作图。1.在用水平仪测量方法中，以每段的累积高度差为纵座标，以每段端点的位置为横座标，在坐标图上作图，连结各点的曲线即为误差曲线，连结曲线两端点，曲线上各点到两端点连线的最大距离即为该点的直线度误差。2.在用自准直测微仪测量方法中，以每段的累积线量变化为纵座标，以每段端点的位置为横座标，分别在坐标图上作车床导轨在水平面内和垂直面内的直线度误差曲线图，连结各点的曲线即为误差曲线，连结曲线两端点，曲线上各点到两端点连线的最大距离即为该点的直线度误差。八、思考题根据测量结果分析用该车床车制出的零件将会有什么样的结果？是否会有规律可寻？3.4机床空载功率机床传动系统空载功率损耗与传动系统的安排和结构设计紧密相联，在机床设计中，如何考虑功率损耗、如何更合理地设计机床传动系统，对确定机床主电机功率均是非常重要的，是机床设计过程中非常重要的基本参数。一、机床空载功率的概念机床传动系统的空载功率，包括主运动及进给系统的空载功率损耗，即在无切削负荷时，传动系统所有运动零件的机械摩擦损耗功率，搅油和克服空气阻力损耗功率的总和。机械摩擦发生在皮带与皮带轮之间、齿轮啮合面之间、拨叉与齿轮端面之间、丝杠与螺母之间以及导轨面之间，空载机械摩擦损耗主要取决于摩擦面的种类和制造装配的质量、摩擦面上空载时的作用力(由于传动件的质量、偏心质量、轴预的予紧力)以及摩擦系数和相对速度，搅油功率消耗主要决定于传动件的种类、尺寸的大小、浸油深度、油的粘度、温度和传动件的转速等。二、机床空载功率测量1、测量工作原理机床空载功率可以通过测量交流电功率来实现，由电工学得知，交流电功率是根据来决定的，它不仅与电压、电流有关，同时也和电压与电流之间的相角差有关。在三相三线制中，交流电功率广泛采用两瓦特表法来测量三相的电功率，不论三相负载对称与否，也不论负载是Y形接法还是形接法，此法均适用。由电工学原理可知，当负载为Y形接法无中线时，第一瞬时三个电流之和必为零，即：那么三相电路的瞬时功率为由此可知，三相电路的瞬时功率可看作两个瞬时功率之和。对于负载为形接法时也可以得到同样的结果，用功率表测量的接线原理如图3-11所示。除了用功率表测图3-11接线原理图量外，用电压表和电流表分别测量任意两项的电压和电流也是可以完成的，只是测量结果需要计算。由于篇幅所限，这里不再赘述。测量用仪器设备由前面的公式和接线原理都可知，要想完成机床空载功率的测量，首先要测出三相电路中的两项功率，因此需要两块功率表或电压表和电流表各两只，当然，表的结构无论是指针式还是数显式均是可以的。本书选用测量用仪器、设备如下：=1\*GB2⑴、车床一台。=2\*GB2⑵、M16型交流成套数显仪表两只。3、测量用仪表工作原理和结构=1\*GB2⑴、工作原理M16型交流成套数显仪表采用单片机为控制元件，实现电流、电压、功率的转换和测量，工作原理框图见图3-12图3-12M16型交流成套数显仪表工作原理框图=2\*GB2⑵、结构仪表面板见图3-13，由电流接线柱I、电压接线柱U、电源开关、LCD显示器和测量按钮组成，电流、电压和功率测量的转换由各自触摸按键实现。图3-13仪表面板图=3\*GB2⑶、M16型交流成套数显仪表的连接仪表连接前，首先检查机床的电源，确保机床电源已经断电时方可进行连接操作，否则容易发生触电事故，连接方法见图3-14。接线连接好后，请仔细检查，确保无误并请指导教师确认后方可送电和继续进行实验。图3-14接线图=4\*GB2⑷、M16型交流成套数显仪表的使用接通仪表电源，打开仪表电源开关，按”测量”键，LCD显示器周边出现”△”边框后，按电压键显示器显示电压值，按电流键显示器显示电流值，按功率键显示器显示功率值。当LCD显示器出现乱码无法正常工作时按复位键后便能正常使用。使用时还应注意以下注意事项：A.接线过程中应确保在无电下工作。B.接线连接好并反复检查无误后，再检查接线板上的双联开关是否闭合，在确保双联开关闭合后，方能给机床送电，此举是防止机床的启动电流过大烧坏仪表，同时此双联开关又可实现机床在非测量姿态下正常工作。3.5机床传动系统空载功率测量实验一、实验名称：机床传动系统空载功率测量二、实验目的1、了解机床传动系统空载功率损耗与传动系统的安排和结构设计的联系。学习如何更合理地设计机床传动系统。2、学习在确定机床主电机功率时，如何考虑功率损耗。3、学习机床空载功率的测定方法和仪器的使用。三、实验内容1、电动机空载功率P0。2、主传动系统在各级转速时的空载功率Pz。3、在最大进给量的条件下，机床传动系统在各级转速时的空载功率Pzj。四、实验类型：设计型五、实验所用设备和仪器1、车床一台。2、M16型交流成套数显仪表两只。六、实验操作步骤1、准备工作1)熟悉实验内容，设计实验方案原理图，根据实验方案原理图写出实验操作步骤。2)熟悉机床传动系统和操纵手柄。3）实验操作前，明确分工。2、实验操作①.接线，根据自己的实验方案，参照前述的接线方法和注意事项进行接线。②.卸掉皮带轮上三角皮带。③.合上机床电源开关，启动机床，启动机床前合上双联开关，当转速平稳后，断开双联开关，按着仪表使用介绍的方法，分别测量并记录电机的两组任意两项间的功率损耗数据P01和P02，填写在实验报告中的功率测定记录表的电动机自身功率损耗项中，并计算出电动机自身功率损耗P0。④.断开机床电源开关，装上皮带，然后再合上机床电源开关，同样，启动机床前合上接线板上的双联开关，当转速平稳后再断开双联开关，开动机床使机床空运转10分钟后，首先测量变速箱油面高度填写于实验报告的功率测定记录表中，然后按着仪表使用介绍的方法，作以下各项测量：A.脱开进给系统使主轴从低速到高速依次测量电机实际功率Pz1和Pz2记录于实验报告的功率测定记录表中。B.接上主轴再同时接上进给系统，重复上述测量，将测量结果Pzj1和Pzj2记录于实验报告的功率测定记录表。3、数据处理分别求解电动机的空载功率（即P01+P02的值P0）和不同转速下主传动系统的空载功率（即Pz1+Pz2的代数值Pz）、机床传动系统的空载功率（即Pzj1+Pzj2的代数值Pzj）、进给系统的空载功率（即Pzj—Pz的差值）以及进给系统空载功率与机床传动系统的空载功率的百分比（即）填写于功率测定记录表。七、作图以主轴转速n为横坐标，主传动系统的空载功率（即Pz1+Pz2的代数值Pz）、机床传动系统的空载功率（即Pzj1+Pzj2的代数值Pzj）、进给系统的空载功率（即Pzj—Pz的差值）为纵坐标，在图5上作转速与空载功率关系曲线。以主轴转速为横坐标，进给系统空载功率与机床传动系统的空载功率的百分比（即）为纵坐标，在图6上作主轴转速和进给传动系统空载功率与机床传动系统的空载功率百分比的关系曲线。八、分析思考1、进给系统空载功率占机床传动系统的空载功率的比例多大?为什么?2、通过上述实验，对于机床传动系统的设计有那些指导意义?第四章机械设计制造工艺4.1概述机械设计制造工艺就是机械产品从设计到产品的全过程，它涉及的面比较广，是保证产品质量非常重要的技术保障。影响产品质量的因素很多，产品的设计、原材料的选择、加工设备的选择、加工方法的选择，乃至工装的设计与制造、工步的设计、运输与搬运等等，无一不影响到产品的最终质量，然而零件加工又是保证产品质量的基本保障，因此，加工机床是研究机械设计制造工艺中的重要内容。4.2机床静刚度静刚度是评价机床性能的主要指标之一，也是被加工零件的精度和表面质量的重要保障，它在很大程度上决定了机床的生产率，同时又是产品零件设计和生产中必需要结合起来考虑的重要内容。机床静刚度K可以用下式表示：K=(N/μm)式中：F__作用在机床上的静载荷(N)，δ__在载荷方向上的变形(μm)作用在机床上的静载荷有：切削力、传动力、磨擦力、部件本身和工件的重力以及夹紧力等。上述这作用些力的大小、位置和方向不同时，所引起的变形也不一样。因受载荷而引起的变形，从性质上来说，可以是机床零、部件的自身变形和局部变形，也可以是部件接合面间的接触变形。在零、部件的自身变形中，又可分为拉、压、弯、扭的不同形式，这些形式的变形引起了线位移或角位移。因接触变形引起的位移也可分为线位移或角位移。在研究机床的刚度时，为了能更清楚地分析刚度对加工精度的影响，一般也常将一台机床的综合刚度K定义为法向切削力Fy与垂直加工表面的刀具和工件间相对位移y之比，即：K=因为机床由许多部件组成的，所以一台机床的综合刚度与其各部件的刚度有关，即刀具与工件之间的总相对位移是由各部件变形所引起的刀具与工件之间的相对弹性位移综合组成。综合刚度能够用来评定和比较机床作为一个整体的刚度但是却不能用来分析各部件刚度在其中的影响程度。为了能得到主要零部件的变形对综合刚度的影响，找出其中的薄弱环节，给机床的新设计或改进设计提供依据，以便使所设计的设计能够提高性能，又使材料的利用率更加合理，就要对弹性位移分配进行分析。在分析机床的弹性位移分配时，首先要测出机床的受力以后，测出各主要部件的变形量，并计算出这些部件的变形量所引起的刀具与工件之间的相对位移。如以刀具与工件之间的总相对位移量为100，即可计算出各部件所引起的分位移量在总位移量中所占的百分比。这样就可以找出影响机床静刚度的主要薄弱环节。上述的弹性移分配只是分析了各主要部件的弹性位移量在刀具与工件之间总相对位移中所占的比重，一般称为粗略弹性位移分配。但是引起一个部件位移的，既有部件的自身变形量和局部变形量，也有部件接触面间的接触变形，这里既有部件本身结构上的问题，也有机床制造质量上的问题。为了弄清这些问题，使提高机床性能的方向更加明确，就需要进一步分析每个部件弹性位移的组成，即分析它们的自身变形和接触变形等，从而组成更详细的部件或机床的弹性位移分配，一般称为详细弹性位移分配。综上所述，机床静刚度是通过加载和测量变形量的方法，求出机床静刚度的数值，用来评价和比较机床的性能，并通过分析机床各主要部件的变形类性、变形特点及其对刚度影响，找出薄弱环节，为进一步提高机床性能提供依据。机床静刚度试验的主要内容就是求出机床及其部件的静刚度特性曲线，由此计算出机床及其部件的刚度数值，分析其变形特点，求出机床弹性位移分配，并由此找出机床的薄弱环节。4.3机床静刚度的试验内容一、受力和变形分析在进行试验前，首先应对机床系统受力和变形情况作一单间分析，以便确定各主要部件移测量点的布置。在分析时，首先根据机床的载荷条件，分析机床主要部件的受力和支承反力系，研究这些力的大小、方向和作用位置以及某些接合面间应力的分布状况，根据主要部件的受力情况分析基变形形态以及弹性位置的情况，就可以分析机床系统在变形中，哪些是主要影响机床加工精度的变形项目，哪些变形对机床加工精度影响不大。由此即可以确定弹性位移测量点的布置。由于篇幅的限制，这里不再赘述，要想进一步了解更多情况，请查阅相关书籍。加载在试验前，应调整机床处于可以工作状态，固定按合面（如主轴箱与床身间的等）应当紧固，在机床工作时不动的部位（如刀架的回转部分、横梁、升降台和尾架等）应当夹紧，有相对运动的连接部分（如刀架、工作滑枕的压板和镶条等），应当调整好，运动部件（如刀架、工作台、尾架等）于一种或几种比较典型的工作位置。加载方法可以用重力加载或弹性加载，重力加载适用于试验移动部件在不同位置时因生力而引起的变形情况，在作实物试验时，重力加载即可利用机床运动部件本身的重量。例如，可使工作部件处于中间及两极限位置等不同位置，测量并分析因重力而引起的变形情况。弹性加载适用于模拟机床内部系统的作用力，如切削力、磨擦力、夹紧力等，这里可利用螺旋压力机构进行加载，在加载装置中还应串联有测力的弹性元件。通常的注测力弹性元件有n形测力计和环形测力计等。试验前，测力计经过标定，在试验时根据测力计上千分表的读数进行加载。在用切削试验研究机床的综合刚度时，则用切削力本身作为机床的载荷。试验时，所加载荷的大小，应使机床产生足够的变形，用一般的测量测量工具能够精确地读出变形大小，但不应超过被测机床的许用载荷。变形测量测量变形的常用的测量工具是千分表和水平仪。在测量变形的工作中，一方面要测量刀具相对于工件的位移，以便求出机床的综合刚度，另一方面要测量机床各部件如床身、立柱、横梁、主轴等部件的自身变形以及部件接合面间的接触变形，其目的是为了分析机床各主要部件变形相对机床综合刚度的影响，得出机床系统的移分配。4.4机床静刚度测量方法机床静刚度测量方法有静止载荷法和生产法两种，下面以普通车床为例，分别介绍两种测量方法的实现。一、静止载荷法静止载荷法是在机床静止状态下进行测量的方法。在车床的床头和尾座两顶尖之间装上刚度非常大的试件，此试件的刚度非常大，我们可以认为该试件是不变形的，此时，我们将测力仪安装在刀架上并向试件加力，因为试件与车床的床头和尾座两顶尖紧固联接，此力便传向床头、尾座和刀架，此时用千分表就可以读出床头、尾座和刀架的变形量；用测力仪就可读出机床的受力。1、基本原理静止载荷法是加载荷于车床各部件上，并观察其变形，试验在车床静止时进行，根据这种试验作出刚度的特性(加载荷和卸载荷)曲线。2、测量仪器=1\*GB2⑴、YDC-Ⅲ89型压电式三向车削测力仪=2\*GB2⑵、YE5850电荷放大器=3\*GB2⑶、DIN-50S型接线盒=4\*GB2⑷、PCI-9118DG数据采集卡=5\*GB2⑸、计算机=6\*GB2⑹、千分表及磁力表座=7\*GB2⑺、百分表及磁力表座3、实验仪器的结构、工作原理及安装和使用=1\*GB2⑴、测力系统的结构、原理及安装和使用测力系统的结构、原理及安装和使用详见2.2节中的车削力的测量部分，这里从略。在测力系统的测量范围参数设置中应选择2021N以上，测力仪刀头对准工件纵向中部。=2\*GB2⑵、千分表和百分表的安装为简化起见可将床身变形忽略不计，将千分表和百分表分别装在磁性表座上后，将磁性表座固定在床身上，让千分表触头分别抵在床头和尾座，百分表触头抵在刀架上（因为通常刀架的变形量较大），各表调零。尾座套筒伸出长度为50毫米左右。4、测量在测力仪刀头没有接触工件之前读取y方向的稳态力记录下来，并记录各表读数，然后转动车床切深手柄直至刀头接触工件后缓缓加力至约400N左右，记录y方向（即Fp）的稳态力和各表读数，以此类推，每次加力400N左右，直至加力到最大值2021N左右，记录下每次加力的力值和各表读数。当加载力到最大值2021N左右后卸载，同加载一样，每次卸载力也为400N左右，直至卸载到零，记录各部位每次卸载的力值和相应变形量。测量过程中应注意以下问题：①、将刀架的纵横楔铁，特别是横向楔铁一定要将间隙调节适当，间隙太大，会发生爬行，间晾太小，刀架变形会很小。②、将尾座的各个活动环节要紧固好。③、将模拟车刀刀杆牢牢地固定在刀架上，否则受力过大刀杆会移动。④、加力时可以借助加力杆，这样容易掌握，如果在加力时超过了规定数值也不要反旋，就此记录当时的力值和各部位相应的变形量，否则会由于各部位间隙的存在而导致所测数值不准确。5、数据处理由于测力仪刀头模拟切削力施加于工件长度的中点处，并假定工件是纯刚性的，因此，根据机床静刚度理论，机床刚度关系可以用下式表示：式中下标：j一一机床；ct一一车头；wz一一尾座；dj一一刀架。而车头、尾座和刀架的刚度关系可以分别用下列各式表示：式中:Δyct、Δydj、Δywz分别为在其所受不同载荷的情况下，车床头部、刀架和尾座的相应变形值，该值可由千分表和百分表读出。显然Fdj=Fp，Fct和Fwz为Fp对车头和尾座的反作用力。将所测数据分别代入上式，就可以计算出机床各部位在不同受力下的静刚度，最大允许负荷下的刚度为机床的静刚度。生产法生产法是在机床生产状态下进行测量的方法。1、基本原理从毛坯上切下一层均匀的余量，然后根据误差复映规律来计算车床的刚度。生产测定法是在切削条件下进行的，因此它更为符合实际情况。图4-1所示，在两顶尖间车削直径分别为D1及D2的阶梯轴，由于该轴粗，刚度大，加工中的变形可忽略不计。当车削阶梯轴时，使车刀的吃刀深度在αp1、αp2之间变化。因此车削D1处的切削力大于D2处的切削力，造成工艺系统在加工D1和D2时的位移变化，引起零件上的加工误差(即加工后形成相应的直径d1和d2)。这种零件误差是毛图4-1坯误差在工件上的复映。毛坯的原始误差Δm=D1-D2，加工后零件的加工误差Δω=d1-d2，显然Δω是永远小于Δm的，所以在毛坯加工后就可以得到更高的准确度，为了表示准确度提高的程度，我们引用一个"复映系数"(也称准确比)的概念，以ε表示。即:图4-1又故式中:一般取为0.4;CFc一一是与工件材料和刀具几何角度有关的系数，在有关手册可查得或用车削力测量一章中的公式求得。f一一进给量(mm/r)2、车削加工图4-2为了得到车床各部分的刚度，在实际试验时，如图4-2所示，采用加工一刚度很大的轴，其变形可以略去不计，心轴安装在车床的两顶尖之间，在同样的加工条件下(即进给量、切削速度均不变)车削毛坯上的三个阶梯部分。车削加工前，阶梯部分的直径分别为D1及D2，车削加工后，阶梯部分的直径分别为d1和d2，加工后仍为阶梯形状。图4-23、数据记录与处理车削加工完成前、后，分别用量具精密地测出这些直径并记录，以备数据处理时使用。在测量时，应将工件每转90°测量一次，取其平均值。由误差复映规律已知：应用上式可以求出机床刚度，于是我们有下列关系：根据上面三式即可得出机床各部分的刚度：

4.5机床静刚度测量实验一、实验名称：机床静刚度的测量二、实验目的1、熟悉车床静刚度的测定方法。2、比较车床各部件刚度的大小，分析影响车床刚度的各种因素。3、巩固和论证关于系统刚度和误差复映规律的概念。三、实验类型：验证型四、实验内容分别用静止载荷法和生产法测量机床的静刚度，求出机床的刚度。五、实验=1\*GB4㈠、静止载荷法1、实验仪器和设备=1\*GB2⑴、YDC-Ⅲ89型压电式三向车削测力仪=2\*GB2⑵、YE5850电荷放大器=3\*GB2⑶、DIN-50S型接线盒=4\*GB2⑷、PCI-9118DG数据采集卡=5\*GB2⑸、计算机=