汽車制造工藝學(xué)實驗指導(dǎo)書

1、汽車制造工藝學(xué)實驗指導(dǎo)書李旭宇、陳書涵、曾基礎(chǔ)、李碧瓊、楊義蛟等編長沙理工大學(xué)機(jī)電工程系教研室2012年6 月實驗一 機(jī)床剛度測定分析一、 實驗?zāi)康?、 用生產(chǎn)法、靜載法測定機(jī)床剛度，通過本實驗熟悉機(jī)床剛度的測定原理、方法和步驟。2、 驗證理論，了解機(jī)床剛度對加工工件精度的影響。二、 實驗要求1、 用靜載法作出機(jī)床刀架的剛度曲線。2、 用生產(chǎn)法、靜載法分別測出系統(tǒng)剛度、機(jī)床各部位剛度值，并將實驗結(jié)果進(jìn)行分析、比較。三、 實驗原理1、 工藝系統(tǒng)是各種零、部件按不同連接方式和運(yùn)動方式組合起來的總體，因此它受力后的變形是復(fù)雜的，其中包括連接表面間的接觸變形，消除間隙處的摩擦等問題。為了分析比較工藝系

2、統(tǒng)抵抗變形的能力，必須建立剛度概念。利用剛度的概念對工藝系統(tǒng)剛度進(jìn)行測定和分析，尋找工藝系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，采取工藝措施，保證或提高加工精度。2、 測定機(jī)床剛度，有靜載法和生產(chǎn)法兩種。靜載法測定起來較簡單方便，且能在機(jī)床制造過程中測定它的剛度，從而及時發(fā)現(xiàn)其薄弱環(huán)節(jié)，但此法測定條件和實際加工條件不完全一樣，有時候誤差較大。為此，采用生產(chǎn)法來測定機(jī)床剛度。3、 機(jī)床剛度的靜測定法，是在機(jī)床不工作狀態(tài)下進(jìn)行的，這一方法的本質(zhì)是對機(jī)床施加載荷（模擬切削時的情況），然后測出在不同的載荷下，工藝系統(tǒng)各部分的相應(yīng)變形，再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，得出結(jié)果。圖1 機(jī)床靜剛度測定裝置圖光軸，1主軸位移千分表，2尾架位移

3、千分表，3測力環(huán)加載千分表、4刀架位移千分表，5螺旋加力器，6加力器，7測力環(huán)靜載法的計算基于下述分析：如圖1所示，采用加載器和測力環(huán)通過心軸對車床施加相當(dāng)于的徑向切削分力，該力可由測力環(huán)中千分表測得，前后頂尖和刀架的變形位移由相應(yīng)的千分表讀出。刀架剛度：前頂尖剛度：后頂尖剛度：而車床系統(tǒng)變形為前、后頂尖變形的平均值與刀架變形位移之和，即：這樣車床靜剛度即可求出。由于心軸短而粗，忽略工件本身的變形，故即為系統(tǒng)剛度。由于靜載變形曲線為非線性，各區(qū)間的剛度是不同的，其大小應(yīng)以該區(qū)間的曲線斜率表示，這說明各部件剛度是隨載荷大小而變化的，各部件可以從曲線中求出平均值。為簡便起見，可用最大力和最大變形值

4、的比值來代表。4、 用生產(chǎn)法測定機(jī)床剛度是在機(jī)床工作狀態(tài)下進(jìn)行的，其本質(zhì)是以不同的加工余量來加工工件，然后根據(jù)加工誤差的復(fù)映規(guī)律，將剛度計算出來。D1 D2 D21 D22 D31 D32圖2試件圖生產(chǎn)法的計算基于下述分析：如圖2所示，在車床上車削具有二個階梯的三個階梯環(huán)。加工前，設(shè)設(shè)第一、二階梯的加工余量分別為。加工過程中，由于余量不同，因此工藝系統(tǒng)受切削力不同所產(chǎn)生的變形也不同。若工藝系統(tǒng)剛度在加工兩個階梯長度為常數(shù)時，則：第一階梯的變形：第二階梯的變形：實際切深：由切削原理知，所以（1）令：，稱為準(zhǔn)確度比。化簡（1）式得：（2）實驗時，取工件剛度很大，刀具外伸很短，則（3）在實驗條件相同

5、的情況下，車削三個階梯環(huán)、，測出階梯環(huán)處的和（用千分表測量），則、都可由式（3）求出。而（4）（5）（6）由式（4）、（5）、（6）解出：生產(chǎn)法測定車床剛度原始記錄表實驗條件工件材料刀具切削用量結(jié)構(gòu)材料前角主后角主偏角副偏角刃傾角工件直徑轉(zhuǎn)速切削速度進(jìn)給量部位部件剛度四、 思考題1、 工藝系統(tǒng)剛度對工件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率有何影響？2、 影響機(jī)床剛度的因素有哪些？如何影響？3、 切削力各值對機(jī)床剛度的影響如何？4、 分析所用機(jī)床的剛度，并提出意見。實驗二 鏜桿自激振動及減振一、實驗?zāi)康暮鸵?、實驗前認(rèn)真復(fù)習(xí)有關(guān)鏜桿自激振動及減振的教材，并詳細(xì)閱讀本指導(dǎo)書。2、觀測鏜孔時工件與刀具系統(tǒng)產(chǎn)生自激振

6、動的現(xiàn)象。3、了解自激振動測試系統(tǒng)的組成與測試原理。3、掌握鏜桿自激振動產(chǎn)生的原理與切削用量對其的影響。4、掌握削扁鏜桿的減振原理和操作方法。二、實驗設(shè)備、儀器和試件1、普通車床 1臺2、圓鏜桿 1根3、削扁鏜桿（帶鏜刀轉(zhuǎn)向裝置） 1根4、鏜刀 3把5、壓電式加速度傳感器 2個6、電荷放大器1臺7、示波器1臺8、鋼套試件 2 個 三、實驗原理1、鏜桿自激振動的產(chǎn)生原理切削過程中產(chǎn)生自激振動的原因有各種學(xué)派的解釋，其中振型耦合自激振動原理（也被稱為座標(biāo)聯(lián)系自激振動原理）是主要的一種。該理論認(rèn)為，刀具與工件的相對振動運(yùn)動是以質(zhì)量耦合的形式在兩個方向上相互關(guān)聯(lián)振動的組合（屬于雙自由度振動）；振動時刀

7、具與工件的相對運(yùn)動軌跡是一個順時鐘方向的橢圓；維持振動的能量（來源于切削力的變動）僅取決于切削截面大小的變化，而與振動速度無關(guān)。如圖1所示，刀尖切入時由A點經(jīng)C點到B點，ACB切深較小；切出時由B點經(jīng)D點到A點，BDA切深較大。由于切深的變化，引起了切削力的變化。即刀尖沿與切削力方向P同向的BDA移動時，比刀尖沿與切削力方向相反方向ACB運(yùn)動時的切削力大。這樣在每一個循環(huán)內(nèi)，切削力P對刀具部件作的正功大于負(fù)功，振動便加強(qiáng)，直到每個循環(huán)獲得的能量與消耗的能量平衡為止，此時振動便以此振幅振動下去，即產(chǎn)生自激振動。2、鏜桿自激振動的減振原理自激振動本身不會自行衰減，欲減小自激振動，需采取一定的措施。

8、消除和減小自激振動的方法有很多，其中削扁鏜桿減振是其中主要的一種。在鏜桿上平行地削去兩邊，削邊部分的厚度為（0.60.8）d，其中d為鏜桿直徑。削邊后的鏜桿，兩個相互垂直的方向具有不同的剛度，小剛度主軸為R1，大剛度主軸為R2，如圖2所示。并設(shè)R1方向的剛度為k1， R2方向的剛度為k2，即k1k2，如圖3所示。圖2 剛度主軸示意圖圖3 小剛度主軸位于不穩(wěn)定區(qū)示意圖由計算可知，當(dāng)削扁鏜桿的小剛度主軸位于切削力P和y軸（通過切削刃做加工表面的法線，刀具離開工件的方向為正方向）的夾角范圍內(nèi)時系統(tǒng)容易產(chǎn)生自激振動，即切削力P和y軸的夾角范圍內(nèi)為不穩(wěn)定區(qū)。因此只要使削扁鏜桿的小剛度主軸R1位于切削力P

9、和y軸夾角之外，避開該不穩(wěn)定區(qū)，鏜桿就不容易產(chǎn)生自激振動。因此適當(dāng)調(diào)整削扁鏜桿的小剛度主軸的位置可以有效消除鏜桿所產(chǎn)生的自激振動。四、實驗內(nèi)容及操作步驟1、調(diào)試機(jī)床（1）熟悉實驗室內(nèi)機(jī)床周圍環(huán)境，注意實驗室內(nèi)電源、設(shè)備、工件位置，避免發(fā)生安全事故。（2）檢查機(jī)床工具、刀具、量具是否齊全，擺放位置是否妥當(dāng)。（3）檢查機(jī)床手柄是否在正確的位置，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量是否調(diào)整正確。（4）安裝工件、鏜桿和鏜刀，確保安裝位置正確，緊固力足夠。（5）啟動機(jī)床，試車。2、建立振動測試系統(tǒng)（1）檢查示波器是否預(yù)熱30分鐘。（2）將兩個壓電式加速度傳感器分別吸附到鏜桿中部的切削力的水平與垂直方向，并將其信號線分別接入

10、電荷放大器的兩個輸入端。（3）將相應(yīng)的電荷放大器輸出端與示波器的信號輸入端相連接。（4）打開電荷放大器的電源。（5）輕擊鏜桿，檢查振動信號是否正確傳入電荷放大器輸入端和示波器。3、觀測切削用量對自激振動的影響 切削條件如下： 切削用量：進(jìn)給量 f=0.11毫米/轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速 n=102 轉(zhuǎn)/分，切削深度=0.5毫米。刀具角度：o=5°，o=15°，Kr=75°，Kr=25°鏜桿：圓鏜桿。 實驗時，其他條件不變，改變進(jìn)給量f，鏜削時振動情況記錄在表一內(nèi)。4、觀測削扁鏜桿的減振效果實驗時，用削扁鏜桿鏜孔，改變鏜桿剛度主軸的坐標(biāo)位置，即從 0°到180°每隔 30°改變（鏜桿大剛度主軸與y方向的夾角）角一次，進(jìn)行鏜削，將每次鏜孔時自激振動的情況，記錄在表二內(nèi)。切削條件如下： 切削用量：進(jìn)給量 f=0.11 毫米/轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速 n=102 轉(zhuǎn)/分，切削深度P=0.5毫米。五、實驗數(shù)據(jù)的記錄1、切削用量對自激振動的影響 表一進(jìn)給量F（mm/r）0.110.220.41波形振幅（mV）并繪制進(jìn)給量-振幅曲線2、削扁鏜桿減振表二°30°60°90°1