机床静刚度实验

实验一机床静刚度实验
一、实验目的：
通过实验，使学生进一步了解由机床（包括夹具）一工件一刀具所组成的工艺系统是一弹性系统，在此系统中因切削力、零件自重及惯性力等的作用，工艺系统各组成环节会产生弹性变形及系统中各元件之间若有接触间隙，在外力的作用下会产生位移，并且熟悉机床静刚度的测量方法和计算方法，从而更深的理解机械制造工艺中的工艺设备及其对零件加工质量的影响，提高学生分析和处理问题的能力。

二、实验装置
机床一台
静刚度测定装置一套
图1 机床静刚度测定装置图
三、实验方法与步骤
1、如上图所示，在机床的两顶尖间装夹一根刚度很大的光轴1 (光轴受力后变形可忽略
不计)。

2、将加力器5固定在刀架上，在加力器与光轴间装一测力环4。

3、在测力环内孔中固定安装一个千分表，当对如图1所示安装的测力环施加外力时，
其中的千分表指针就会变动，其变动量与外载荷之间对应关系可在材料试验机上预先测出，千分表2、3、6的指针也会因与之接触部位的位移而变动。

4、实验时用扳手扭转带有方头的螺杆7，以施加外载荷（Fy）。

然后读出靠近在车头，
尾座和刀架安放的千分表（2）、（3）、（6）的读数，并记录下来填入表1中。

表1 外加载荷与千分表读数记录
根据以上数据，计算出床头、刀架和尾座的受力F 头、F 刀和F 尾。

为了说明尾座套筒伸出长度对刚度的影响，实验时可将套筒分别伸出5mm 和105mm 。

并分别测出千分表读数和计算出刚度的数值，填入表2中。

表2 机床静刚度计算
三、静刚度的计算
为了计算方便，实验时可将测力环抵在刚性轴的中点处。

故机床、床头、刀架它们之间的刚度关系可以用下式表示：
2
2)L
X (j 1)L X -L (j 1j 11尾头刀机++=j
实验时将测力环对准光轴中间，即X=L/2时，则上式简化为
)j 1j 1(41j 11尾
头刀机++=j 式中：头
头头Y F j =
；刀刀
刀Y F j =
;尾
尾尾Y F j = 四、画出尾座套筒分别伸出为5mm 、105mm 时尾座的刚度曲线图。

其中横座标为尾座位移量Y 尾，纵座标为F 尾值。

五、实验结果分析及体会 六、填写实验报告
实验二机床夹具运用实验
一、实验目的
通过实验，使学生进一步了解夹具的各种类型，掌握机械加工过程中夹具的功能、工件的定位原理及夹紧机构的作用，并能根据工件的具体情况和加工要求，设计出合适的夹具。

二、实验前必须了解的基本知识
（一）夹具的种类
1、通用夹具
在通用机床上一般都附有通用夹具，如车床上的三爪和四爪卡盘，顶针和鸡心夹头；铣床上的平口钳、分度头和回转台等，通用夹具有很大的通用性，无需调整或稍加调整就可以用于装夹不同的工件。

通用夹具主要用于单件小批量生产中，因为单件小批量生产中加工工件经常变换，在成批生产中很少使用。

这种通用夹具一般由专业厂生产。

2、专用夹具
专用夹具是针对某一种工件的一定工序而专门设计的,因为不需要考虑通用性，所以夹具可以设计得结构紧凑，操作迅速方便。

专用夹具通常由使用厂根据要求自行设计与制造。

其设计制造周期较长，当产品变更时，因无法再使用而报废，故多适用于产品固定的批量大的生产中。

3、成组专用夹具
有时由于批量较小，为每种工件设计专用夹具不合适，而使用通用夹具又不能满足加工质量或生产率的要求，这时可以采用成组加工工艺，把工件按形状、尺寸和工艺的共性分组，再为每组工件设计组内通用的专用夹具，这种夹具的特点是，在通用的夹具体上，只需对夹具的部分元件稍加调整或更换，即可用于组内的不同工件的加工。

4、组合夹具
组合夹具是由一套预先制造好的标准元件组装成的专用夹具,它在使用上具有专用夹具的优点，而当产品变换时，不存在夹具“报废”问题。

因为它可以拆开，其元件可清洗入库，以待组装新的夹具。

因此,组合夹具很适合于新产品试制和单件小批量生产中。

5、随行夹具
随行夹具为自动线夹具的一种。

自动线夹具基本上分为两类：一类为固定式夹具，这与一般专用夹具相似；另一类为随行夹具，这除了具有一般夹具所担负的装夹工件任务外，还担负沿自动线输送工件的任务，因为它是跟随被加工工件沿着自动线从一个工位移到下一个工位的，故有“随行夹具”之称。

夹具除了以上分类方法分类外，还可以按动力来源不同分为手动夹具、气动夹具、液压
夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具以及自夹紧夹具等。

按工种还可以分为车床夹具、铣床夹具、磨床夹具、镗床夹具、钻床夹具等。

（二）工件的六点定位原理
如下图所示，工件在夹具中的位置有六个不定度，即空间X 、Y 、Z 直角坐标中沿X 轴
移动X ，沿X 轴转动x ；沿Y 轴的移动Y ，沿Y 轴的转动y ；沿Z 轴的移动Z 和沿Z
轴的转动
z。

这六个不定度需要用夹具上按一定要求布置的六个支承点（定位元件）来消
除，这就是工件的六点定位原理。

（三）工件的夹紧
一般情况下，工件在加工过程中会受到切削力、惯性力、重力等外力的作用，若不夹紧，工件就可能发生移动，造成设备、刀具损坏及人身事故。

同时，工件在定位过程中获得的既定位置主要依靠夹紧来保持，有时工件的定位也是在夹紧过程中实现的。

因此，夹紧装置是夹具的重要组成部分。

（四）组合夹具的组装
组合夹具的组装，就是按一定的步骤和要求，把组合夹具的有关元件组装成加工工件所需的夹具，组装工序包括夹具的设计和装配二个过程。

组合夹具既要有较大的刚度，也要力求结构紧凑，轻巧灵活。

正确的组装过程可按下列步骤进行。

组装步骤
（1）在组装前，根据工件的形状、尺寸、公差等加工工艺要求以及使用的机床、刀具等情况确定组装方案。

（2）按工件的定位和夹紧的基本要求，选择定位元件、夹紧元件及相适应的支承元件、基础板等（包括特殊情况下设计的简单专用件），初步确定夹具的结构形式。

（3）试装。

也就是将前面设想的夹具结构方案先组装一下，各元件之间暂不紧固，对有些主要元件的精度，如等高度、平行度等进行测量和挑选，从而对前面拟定的夹具结构方案进行修改和补充。

（4）连接。

通过试装肯定了夹具结构的方案后，即可进行元件的连接和调整工作。

即按一定的顺序（一般由下到上，由内到外）把各元件用螺钉和螺母连接起来，在连接的同时要进行有关尺寸的调整，连接和调整要交替进行。

（5）检验。

夹具元件全部紧固后，要进行一次仔细的检验。

检验的内容与试装中相同，最后检查零星元件是否配齐。

三、实验步骤
1、对照实验室夹具模型进一步熟悉工件定位原理，了解夹紧机构的作用，分析有关定位元件和夹紧机构的特点。

2、任选一种车、钻、镗、铣等夹具，进行实物分析研究，找出定位元件，分析定位情况，画出夹具简图，写出评定及改进意见。

3、按前述组合夹具组装步骤，结合实验室具体工件的具体加工工序要求，用现有的组合夹具元件，组装所需夹具，并分析加工的可靠性及各元件的具体功能。

4、对已组合好的组合夹具，按元件加工要求进行实物分析，判定是否组装合理；
四、填写实验报告
实验三曲轴状态检查实验
一、实验目的
通过实验使学生进一步熟悉曲轴臂距差的测量方法，学会分析影响臂距差变化的因素，并能根据测定出的曲轴臂距差绘制出曲轴轴线状态图。

三、基本原理
曲轴安放在高低不同的主轴承上时，其轴心线即成为一弯曲的状态。

当曲轴轴心线弯曲时，必然引起曲轴曲柄臂之间的距离在上、下止点或左右舷时有变化，曲轴轴心线弯曲越大，臂距的差值就越大。

曲轴曲柄间产生臂距差的主要原因是机座变形，主轴承加工误差，曲轴安装时的轴线偏差等。

对于长期使用的柴油机由于受力或其它原因造成轴瓦不同程度的严重磨损，也是曲轴曲柄间产生臂距差的重要原因。

三、实验设备及工具
1．6250柴油机一台
2．曲轴量表（拐挡表）及其附件
3．桥规、塞尺、钢直尺等
四、实验步骤
1．测量曲轴各有关尺寸，如图1所示，并将其测量结果填入表1中，要求测量误差小于1mm.
图1 6250柴油机曲轴结构图
表1 曲轴结构尺寸表（mm）
2、测量桥规值
桥规测量如图2所示，如“1”号主轴颈a=0.04，“2”号主轴颈b=0.05。

图2 曲轴桥规定值测量
1—桥规 2—曲轴轴颈
3、在曲柄臂内左右两边找出安装曲轴量表的洋冲眼如图4所示
2
2S D R +=
， 其中：
R-----------曲轴量表回转半径 R=245mm ； D-----------曲轴颈直径 D=220mm ； S-----------活塞行程 S=270mm 。

图4 曲轴量表安装示意图
4．绘制臂距值记录表
5．安装曲轴量表
（1）活塞运动部件未装上时，盘车将曲柄销转至下止点或其它合适位置，即可安装曲轴量表。

（2）在放置曲轴量表时，其表的两端顶尖一定要顶在曲柄臂上既定的洋冲眼内，安放好曲轴量表后，要将其来回摆动几次，直至曲轴量表无论摆到任何角度，指针都不动时，才可认为曲轴量表顶尖确实顶到了洋冲眼的中心，证明曲轴量表已经安装好。

（3）盘车时应注意飞轮周围的人和物，待所有人员的头和手离开曲柄箱并检查曲柄箱内无其他物件后方可盘车，以免发生人身事故及机损事故。

（4）盘车至下止点，调整零位（即再转动表的外表，使指针指到零位）。

最后，装表人员的头和手应立即离开曲柄箱，并检查无工具或障碍物悬在曲轴箱内，方可缓慢按顺序盘车。

（5）若活塞运动部件已装上时，盘车将曲柄销转至下止点后30°，安装曲轴量表，调整零位,曲柄销不能到下止点，否则在曲柄销运行中连杆会打坏曲轴量表。

6．测量和记录 按柴油机转向盘车：
（1）活塞运动部件未装上时，依次测出曲轴曲柄销在左舷、上止点、右舷、下止点（如图5a 所示）的臂距值，记入表2。

（2）活塞运动部件已装上时，要在下止点后30°装表，调整零位，并依次测出曲轴曲柄销处在左舷、上止点、右舷、下止点前30°（如图5b 所示）的臂距值，记入表2。

a 、活塞运动部件未装上时
b 、活塞运动部件运装上时
图5 测量点确定示意图
（3）活塞运动部件已装上时，上止点前30°和下止点后30°两处的臂距测量值取平均值作为下止点臂距值。

7．计算臂距差值填入表2 五、注意事项
1．安装曲轴量表时注意短针压缩，长针调零（装好后方可松手，以免损坏曲轴量表）。

2．盘车时注意柴油机的转向、转角准确，注意人身安全。

3．读取、记录、计算要求准确，实验时分工负责。

4．活塞运动部件已装上测量时，注意下止点前30°值的测量，防止连杆旋转打坏曲轴量表。

六、确定所测臂距值的正确性
通常根据上下止点的臂距值之和与左右舷臂距值之和相等的规律来验证所测臂距值的正确性。

七、作曲轴轴线状变图
1．计算臂距差值
现假设一组数据，如表3所示
2．作垂直平面曲轴轴线状态图
⑴ 计算垂直平面各拐因臂距差△垂所引起的主轴承偏移量f ，且将计算结果填入表4：
表4 垂直平面各拐因臂距差△垂所引起的主轴承偏移量f
计算公式：
R
4
式中：R--------曲轴量表回转半径（mm ） LX-------汽缸中心距（mm ） f---------主轴承偏移量
⑵ 绘制垂直平面内曲轴轴线状态图
a 、如图6，作水平线0—0代表曲轴轴线，以M （1:25）表示曲轴轴线长度的比例，在0—0线上划出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ代表相应的汽缸中心线位置。

b 、通过Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ分别作0—0的垂直线。

c、以N（50:1）表示某一臂距差△所引起的相邻主轴承轴线偏移量的比例，在Ⅱ点的垂直线上取ⅡⅡ′=2fN=2×0.48=4.8若△为正值向上取，△为负值向下取，下面同理，这里△为正值故向上取4.8得Ⅱ′点。

d、连接ⅠⅡ′并延长交于Ⅲ的垂直线上得Ⅲ′点，取Ⅲ′Ⅲ″=2fN=2×0.008×50=0.8，故向上取0.8得Ⅲ″点。

e、连接Ⅱ′Ⅲ″并延长交于IV的垂直线上IV′点，取IV′IV″=2fN=2×0.056×50=5.6，故向上取5.6得Ⅳ″点。

f、连接Ⅲ″Ⅳ″，并延长交于V的垂直线上得到V′点
取V′V″=2fN=2×（-0.072）×50=-7.2，故向下取7.2，得V″点。

g、连接Ⅵ″V″并延长交于Ⅵ的垂直线上得VI′点，取VI′VI″=2fN=
2×(-0.048)×50=-4.8，故向下取4.8得VI″点。

h、连接V″VI″，并延长交于Ⅶ的垂直线上得VII′点。

取Ⅶ′Ⅶ″=2fN=2×0.028×50=2.8，故向上取2.8，得Ⅶ″点。

i、连接Ⅵ″Ⅶ″，则折线0ⅠⅡ′Ⅲ″Ⅳ″V″Ⅵ″Ⅶ″即为曲轴轴线状态图。

图6 曲轴轴线状态图
八、实验结果分析
九、填写实验报告
实验四平面度误差测量
一、实验目的
通过实验，使学生了解用光学仪器测量大、中型柴油机机座上平面平面度的基本原理，掌握测微准直望远镜及平面扫描仪的使用方法，熟悉平面度测量的基本步骤。

二、实验原理
图一是装上测微准直望远镜的平面扫描仪对固定目标和测量目标进行扫描的布置图。

测量时，转动光学直角头2，使从通光口3出来的光线分别瞄准固定目标7、8、9的中心，调整可调支脚4和6，使三个固定目标的中心处于测微准直望远镜的同一读数上。

此时，使光学直角头2旋转360°，从通光口3发出的光线所扫瞄的平面即为基准平面。

然后，将光学直角头的通光口对准位于测量点的测量目标10，由于测量点存在误差，测量目标的视线4′与基准平面5′有一位移（如图二），转动测微器11使测量目标10的视线与基准面视线重合，从而在测微器11上读出该测量点的平面度误差值。

图一测量仪器布置图
图二测量原理图
1′—回转光学直角头2′—测微准直望远镜视线
3′—扫描头测微器4′—测量点处目标视线
5′—由三个固定目标建立的基准视线
三、实验设备
测微准直望远镜
平面扫描仪及扫描目标
四、实验步骤
（一）清洁被测量平面
（二）根据被测平面形状和尺寸按米字形或网格形对平面进行等分既布置测量点 （三）建立测量基准平面
首先，将装有测微准直望远镜的平面扫描仪和7、8、9三个固定目标安放在被测平面合适的地方，再按下述步骤以平面扫描仪的几何光轴建立测量基准平面：
1、将光学头的窗口转向目标7，调节测微准直望远镜的调焦鼓轮，在目镜视野里出现目标7的清晰影像，即一条亮线，调整调平螺钉4，使亮线的中心与目镜十字线中心重合。

2、将光学头的窗口转向目标9，调节测微准直望远镜调焦鼓轮，目镜视野里出现目标9的亮线。

这时，若亮线中心和十字线中心不重合，就转动平面扫瞄仪的测微鼓轮，使亮线朝十字线中心靠近到误差的一半，另一半通过调整调平螺钉4来达到。

3、重复进行以上1、2的调整，直到目标7、9的亮线中心同时与目镜十字线中心重合为止。

4、将光学头窗口转向目标8，调节测微准直望远镜调焦鼓轮，目镜视野里出现目标8的亮线，调整调平螺钉6，使目标8的亮线中心与目镜十字线中心重合。

5、重复进行以上1、2、3、4的调整，直至三个目标的亮线中心都与目镜十字线中心重合，基准平面就建立好了。

这时，平面扫瞄仪的测微鼓轮的读数值即为基准平面的位置，以此读数为“0”，开始进行测量工作。

为了测量中读数的方便，可将平面扫描仪的测微鼓轮按操作说明归“0”位。

（四）平面度测量（以网格形布点为例）
1、如图3所示，将测量目标10放到测量点上，转动平面扫描仪光学头，使其窗口对准
图三 测量点布置平面图 （五）数据处理
依据《平面度误差检测》（GB/T11337-1989），上述测量方法属于三远点平面法，其求得平面度误差值f TP 的方法为：
max min Tp f d d =-
式中：d max、d min为测量点上相对基准平面的最大、最小偏离值。

在此需明确的是，三远点平面法仅适合于一般精度要求的平面度测量，若要对精度要求较高的平面进行测量，则可采用国标《平面度误差检测》中规定的最小包容区域法、最小二乘法等对上述测量数据进行分析处理，以此得到更精确的测量结果。

五、填写实验报告
实验五用投射仪检查轴系两端轴同轴度误差
一、实验目的
通过实验,使学生进一步了解用光学投射仪检查轴系两端轴同轴度误差的方法，熟悉投射仪的使用，学会正确判断轴系两端轴同轴度误差,及其调整方法。

二、基本原理
在全部中间轴吊起之后，利用夹具在曲轴尾法兰上安装投射仪，同时在尾轴法兰端面上安装一个刻有十字线的对光靶，此对光靶十字线交点应与尾轴轴心重合。

之后，调节投射仪的焦距，使投射仪的十字线清晰地投影到对光靶上，并调整其十字线交点与曲轴旋转轴心线同轴。

当曲轴和尾轴不同轴时，则代表曲轴轴心线的十字线1与代表尾轴轴心线的十字线2将不重合，两十字线的交点在垂直方向的误差为a，在水平方向的偏差为a’。

三、设备及工具
1、轴系装置：螺旋桨轴、曲轴、可调节的支承轴承；
2、仪器设备：投射仪及其附件一套、安装夹具一套、光靶等；
3、测量和描点工具：皮尺、钢直尺或三角板、铅笔等。

四、实验步骤
（1）测量两端轴的结构尺寸（如图1）所示。

并记入表1中。

（2）用安装夹具将投射仪安装在曲轴法兰端面上。

（3）校正投射仪在曲轴上的位置，使其十字线的
中心与曲轴的轴线在螺旋桨轴法兰的端面上重合。

图1 端轴结构图
注：d——轴系最小轴径。

②接通电源，调节仪器的焦距，使其投射仪射出的十字线清晰地投射在对光靶上；其十字线交点记作A（如图2）。

③将曲轴转动180゜，得到十字线交点的新位置，并记作B（如图2）。

④连接A、B取中点为C，以C点为基准，调节安装夹具上的调节螺钉，使投射仪投射
图中：1为曲轴转动前投射仪投射的位置；
2为曲轴转动180゜后投射仪的投射位置；
3为仪器调节好后投射仪投射的位置。

⑤再转动曲轴180゜，看其交点是否仍与C点重合，若重合，说明投射仪投射的十字线中心与曲轴轴线的延长线在此端面上重合，若交点与C点不重合，则必须用上述方法调整，直到重合为止。

⑥当曲轴为螺旋桨轴不同轴时，代表曲轴轴心的十字线1与代表螺旋桨轴的十字线2将不重合，如图3所示。

此时需测量1、2两个十字线的交点在垂直方向和水平方向上的偏差a和a’，并记入表2中。

⑦再将投射仪装在螺旋桨轴法兰上，将光靶粘贴在曲轴法兰上，用上述方法测出两端轴不同入轴偏差b及b’，记入表2中。

图三两端轴不同轴度测量原理图
图中1——投射仪投射的十字线；
2——对光靶十字线。

a、b的符号规定：当对光靶十字线在投射仪十字线下面取正值；a'、b'的符号规定：当对光靶十字线在投射仪十字线右舷时取正值。

（8）计算并将结果记入表2中。

表2 两端轴同轴度误差测量及计算表
表3 两端允许的偏移量及倾斜度
实验六用激光导向准直仪确定轴系理论中线
一、实验目的
通过实验进一步了解用激光导向准直仪确定理论中线的原理，熟悉激光导向准直仪确定轴系理论中线的方法和步骤，掌握仪器的使用方法。

二、基本原理
利用激光具有高度的方向性（激光束发散角度小），单色性好，可见的特点及二点确定一直线的原理。

安装和调节激光准直仪，使可见光束同时穿过轴系前后基准点（按船舶设计要求或修船规定），得到轴系安装的理论中线。

再在所需穿过理论中的前后隔仓壁及各轴承处确定中心位置。

三、设备
激光导向准直仪，光电接收光靶，
十字刻度光靶，五角棱镜。

四、实验步骤
1、将激光导向准直仪安装在船尾基准点即后基准点后一米处适当位置，然后在前后基准点位置各装上一个十字刻度光靶，使十字线中心与基准点重合。

2、连接激光导向准直仪各连接线，接通电源，启动激光器。

当发生激光束时，可适当调节电流调节旋钮使激光器稳定工作。