汽车制造工艺学实验指导书.doc

汽车制造工艺学实 验 指 导 书李旭宇、陈书涵、曾基础、李碧琼、杨义蛟等编长沙理工大学机电工程系教研室2012年6 月实验一 机床刚度测定分析一、 实验目的1、 用生产法、静载法测定机床刚度，通过本实验熟悉机床刚度的测定原理、方法和步骤。2、 验证理论，了解机床刚度对加工工件精度的影响。二、 实验要求1、 用静载法作出机床刀架的刚度曲线。2、 用生产法、静载法分别测出系统刚度、机床各部位刚度值，并将实验结果进行分析、比较。三、 实验原理1、 工艺系统是各种零、部件按不同连接方式和运动方式组合起来的总体，因此它受力后的变形是复杂的，其中包括连接表面间的接触变形，消除间隙处的摩擦等问题。为了分析比较工艺系统抵抗变形的能力，必须建立刚度概念。利用刚度的概念对工艺系统刚度进行测定和分析，寻找工艺系统的薄弱环节，采取工艺措施，保证或提高加工精度。2、 测定机床刚度，有静载法和生产法两种。静载法测定起来较简单方便，且能在机床制造过程中测定它的刚度，从而及时发现其薄弱环节，但此法测定条件和实际加工条件不完全一样，有时候误差较大。为此，采用生产法来测定机床刚度。3、 机床刚度的静测定法，是在机床不工作状态下进行的，这一方法的本质是对机床施加载荷（模拟切削时的情况），然后测出在不同的载荷下，工艺系统各部分的相应变形，再进行数据分析与处理，得出结果。图1 机床静刚度测定装置图光轴，1主轴位移千分表，2尾架位移千分表，3测力环加载千分表、4刀架位移千分表，5螺旋加力器，6加力器，7测力环静载法的计算基于下述分析：如图1所示，采用加载器和测力环通过心轴对车床施加相当于的径向切削分力，该力可由测力环中千分表测得，前后顶尖和刀架的变形位移由相应的千分表读出。刀架刚度： 前顶尖刚度： 后顶尖刚度： 而车床系统变形为前、后顶尖变形的平均值与刀架变形位移之和，即： 这样车床静刚度即可求出。由于心轴短而粗，忽略工件本身的变形，故即为系统刚度。由于静载变形曲线为非线性，各区间的刚度是不同的，其大小应以该区间的曲线斜率表示，这说明各部件刚度是随载荷大小而变化的，各部件可以从曲线中求出平均值。为简便起见，可用最大力和最大变形值的比值来代表。4、 用生产法测定机床刚度是在机床工作状态下进行的，其本质是以不同的加工余量来加工工件，然后根据加工误差的复映规律，将刚度计算出来。D1 D2 D21 D22 D31 D32 图2 试件图生产法的计算基于下述分析：如图2所示，在车床上车削具有二个阶梯的三个阶梯环。加工前，设设第一、二阶梯的加工余量分别为。加工过程中，由于余量不同，因此工艺系统受切削力不同所产生的变形也不同。若工艺系统刚度在加工两个阶梯长度为常数时，则：第一阶梯的变形：第二阶梯的变形：实际切深：由切削原理知，所以（1）令：，称为准确度比。化简（1）式得： （2）实验时，取工件刚度很大，刀具外伸很短，则 （3）在实验条件相同的情况下，车削三个阶梯环、，测出阶梯环处的和（用千分表测量），则、都可由式（3）求出。而 （4） （5） （6）由式（4）、（5）、（6）解出：生产法测定车床刚度原始记录表实验条件工件材料刀具切削用量结构材料前角主后角主偏角副偏角刃倾角工件直径转速切削速度进给量部位部件刚度四、 思考题1、 工艺系统刚度对工件的加工质量和生产率有何影响？2、 影响机床刚度的因素有哪些？如何影响？3、 切削力各值对机床刚度的影响如何？4、 分析所用机床的刚度，并提出意见。实验二 镗杆自激振动及减振一、实验目的和要求1、实验前认真复习有关镗杆自激振动及减振的教材，并详细阅读本指导书。2、观测镗孔时工件与刀具系统产生自激振动的现象。3、了解自激振动测试系统的组成与测试原理。3、掌握镗杆自激振动产生的原理与切削用量对其的影响。4、掌握削扁镗杆的减振原理和操作方法。二、实验设备、仪器和试件1、普通车床 1台2、圆镗杆 1根3、削扁镗杆（带镗刀转向装置） 1根4、镗刀 3把5、压电式加速度传感器 2个6、电荷放大器 1台7、示波器 1台8、钢套试件 2 个 三、实验原理1、镗杆自激振动的产生原理切削过程中产生自激振动的原因有各种学派的解释，其中振型耦合自激振动原理（也被称为座标联系自激振动原理）是主要的一种。该理论认为，刀具与工件的相对振动运动是以质量耦合的形式在两个方向上相互关联振动的组合（属于双自由度振动）；振动时刀具与工件的相对运动轨迹是一个顺时钟方向的椭圆；维持振动的能量（来源于切削力的变动）仅取决于切削截面大小的变化，而与振动速度无关。如图1所示，刀尖切入时由A点经C点到B点，ACB切深较小；切出时由B点经D点到A点，BDA切深较大。由于切深的变化，引起了切削力的变化。即刀尖沿与切削力方向P同向的BDA移动时，比刀尖沿与切削力方向相反方向ACB运动时的切削力大。这样在每一个循环内，切削力P对刀具部件作的正功大于负功，振动便加强，直到每个循环获得的能量与消耗的能量平衡为止，此时振动便以此振幅振动下去，即产生自激振动。2、镗杆自激振动的减振原理自激振动本身不会自行衰减，欲减小自激振动，需采取一定的措施。消除和减小自激振动的方法有很多，其中削扁镗杆减振是其中主要的一种。在镗杆上平行地削去两边，削边部分的厚度为（0.60.8）d，其中d为镗杆直径。削边后的镗杆，两个相互垂直的方向具有不同的刚度，小刚度主轴为R1，大刚度主轴为R2，如图2所示。并设R1方向的刚度为k1， R2方向的刚度为k2，即k1k2，如图3所示。 图2 刚度主轴示意图 图3 小刚度主轴位于不稳定区示意图由计算可知，当削扁镗杆的小刚度主轴位于切削力P和y轴（通过切削刃做加工表面的法线，刀具离开工件的方向为正方向）的夹角范围内时系统容易产生自激振动，即切削力P和y轴的夹角范围内为不稳定区。因此只要使削扁镗杆的小刚度主轴R1位于切削力P和y轴夹角之外，避开该不稳定区，镗杆就不容易产生自激振动。因此适当调整削扁镗杆的小刚度主轴的位置可以有效消除镗杆所产生的自激振动。 四、实验内容及操作步骤1、调试机床（1）熟悉实验室内机床周围环境，注意实验室内电源、设备、工件位置，避免发生安全事故。（2）检查机床工具、刀具、量具是否齐全，摆放位置是否妥当。（3）检查机床手柄是否在正确的位置，主轴转速、进给量是否调整正确。（4）安装工件、镗杆和镗刀，确保安装位置正确，紧固力足够。（5）启动机床，试车。2、建立振动测试系统（1）检查示波器是否预热30分钟。（2）将两个压电式加速度传感器分别吸附到镗杆中部的切削力的水平与垂直方向，并将其信号线分别接入电荷放大器的两个输入端。（3）将相应的电荷放大器输出端与示波器的信号输入端相连接。（4）打开电荷放大器的电源。（5）轻击镗杆，检查振动信号是否正确传入电荷放大器输入端和示波器。3、观测切削用量对自激振动的影响 切削条件如下： 切削用量：进给量 f=0.11毫米/转，转速 n=102 转/分，切削深度=0.5毫米。刀具角度：o=5，o=15，Kr=75，Kr=25 镗杆：圆镗杆。 实验时，其他条件不变，改变进给量f，镗削时振动情况记录在表一内。4、观测削扁镗杆的减振效果实验时，用削扁镗杆镗孔，改变镗杆刚度主轴的坐标位置，即从 0到180每隔 30改变（镗杆大刚度主轴与y方向的夹角）角一次，进行镗削，将每次镗孔时自激振动的情况，记录在表二内。切削条件如下： 切削用量：进给量 f=0.11 毫米/转，转速 n=102 转/分，切削深度P=0.5毫米。五、实验数据的记录1、切削用量对自激振动的影响 表一进给量F（mm/r）0.110.220.41波形振幅（mV）并绘制进给量-振幅曲线2、削扁镗杆减振表二306090120150180波形振幅（mV）并绘制角度-振幅曲线六、思考题 1、自激振动有什么特点（与受迫振动相比较）？自激振动时，刀尖的运动轨迹为什么近似椭圆？2、刀具的几何角度对镗杆的自激振动有什么影响？为什么？3、切削用量对镗杆的自激振动有什么影响？为什么？4、镗孔时有几种消振方法？各有什么特点？