工艺实验指导书

前言实验是《机械制造工艺学A》课程中重要的实践教学环节，用于巩固和补充课堂讲授的理论知识，培养学生的综合实践能力。

为了搞好实验教学，对学生实验做出如下要求：一、预习实验在上实验课前，必须认真预习实验指导书，了解实验目的、实验用仪器设备的结构及工作原理、实验操作步骤，复习与实验有关的理论知识。

二、上实验课1．按时上、下课，不得迟到、早退或旷课。

2．上课时遵守学生实验守则，按使用方法照章严格操作，严禁违章操作，并注意安全。

3．上课时要注意观察，认真分析，准确地记录实验原始数据。

4．实验结束后要及时关掉电源，并对所用仪器设备进行整理，恢复到原始状态。

5．经指导老师允许后方可离开。

三、撰写实验报告1．实验报告应独立完成，不得抄袭他人成果。

2．实验报告书写要工整。

按照《机械制造工艺学A》课程大纲的要求，编写了此实验指导书，共有“车床静刚度测量”和“加工误差的统计分析”“机床主轴回转精度测试”三个实验。

实验成绩应根据实验预习、实验操作及实验报告综合评定。

完成全部实验方能取得参加期末课程考试的资格。

实验一车床静刚度测量一．实验目的1、了解机床静刚度对加工精度的影响。

2、熟悉机床静刚度的测定方法。

3、巩固所学机床刚度的概念，画出机床静刚度曲线。

二．实验原理及方法机床静刚度Ks是机床在稳态下工作（无振动）的刚度，它衡量机床抵抗静载变形的能力。

静刚度的概念，一般用下式表示：Ks=F/Y式中：Ks---------------静刚度（N/mm）F-----------------切削力（N）Y-----------------在F作用下刀刃与加工面之间的相对位移（mm）。

但是从工艺观点来研究问题时，我们认为在切削分力Fy方向上的变形要比其它切削分力作用方向上的变形大得多，所以Fy对加工精度的影响占主要地位，故又可以用下式表示工艺系统刚度Ks=Fy/Y工艺系统在受力情况下的总位移量Y是各个组成环节的位移量迭加，根据测量数据可得出：刀架刚度Ks D=Fy/Y D前顶尖刚度Ks Q=Fy/2Y Q后顶尖刚度Ks H=Fy/2Y H在根据车床变行Ys为前后顶尖变形位移的平均值和刀架变形位移之和。

Ys=Fy/Ks=1/2（Fy/2Ks Q+Fy/2Ks H）+Fy/Ks D化简后1/Ks=1/4（1/Ks Q+1/Ks H）+1/Ks D这样车床静刚度Ks即可求出。

本实验采用三向刚度仪的静态测定法测定车床静刚度。

车床静刚度测定实验装置，如图1所示。

图中1、前顶尖；2、接长套筒；3、测力环4、加力螺钉；5、弓行加载器；6、模拟车刀图中弓形加载架刚度足够大，其变形略去不计，通过加载器上的加力螺钉5进行加力F。

F经钢球传至测力环3，由测力环的千分表指示出所加F力的数值。

床头、尾座、刀架部件均在F 力作用下发生变形位移，三个部位各安装一个千分表，测其变形位移Ys Q、Ys H、Ys D。

在根据公式计算出床头、刀架、尾座各部件的刚度，然后计算出机床静刚度Ks。

实验时，加载螺钉孔间夹角a=15°，β角选为30°。

根据公式：Fx=F•SinâFy=F•Cosâ•sinβFz=F•cosâ•cosβ注意事项：1．实验前擦净弓形加载器支架中心孔，调好机床可动部件和紧固部件，弓形加载支架与主轴的联接要牢固不得有松动。

2．实验所用千分表，在使用前要检查灵敏度，安装时要调好零点（预压1圈）。

3．每次加载或卸载后，不应立即读数，应停一会再读数。

三．实验仪器及器材1．车床CA6140。

2．弓行加载支架。

3．测力环。

4．模拟刀杆（自制），安装在车床小刀架上。

5．千分表磁力表座。

千分表读数值（0.001mm）。

四．实验步骤1．主轴和尾座各安装顶尖，将弓形加载架用接长套筒开口槽套与支架上的定位杆上，将其固定，将尾座固定螺钉紧固好。

2．分别安装三块表，调整好零位。

3．用弓形加载支架上的加力螺钉上的钢球压紧测力环，事先有一个预紧力。

4．用加力螺钉由小到大依次加载，记录每次加载以后车床床头、刀架、尾座的变形位移。

5．用加力螺钉由大到小依次卸载，记录每次卸载以后车床床头、刀架、尾座的变形位移。

附图外圆车削时力的分解加力仪读数格数与载荷关系表五．分析整理实验数据12、计算车床平均静刚度按公式分别计算刀架刚度Ks D、前顶尖刚度Ks Q、后顶尖刚度Ks H最后计算车床平均静刚度Ks。

3、画出车床各部件（床头、尾座和刀架）的刚度曲线六. 思考题1． 实验中，加载曲线与卸载不重合，为什么？2． 当载荷去除后，变形恢复不到起点，什么因素影响的？实验二 加工误差统计分析一、实验目的1、通过研究一批零件在加工过程中尺寸的变化规律，分析其误差的原因，掌握加工过程误差统计分析的基本原理和方法。

2、熟悉运用计算机辅助误差测控试验平台进行误差数据的采集、运算、结果显示和打印。

2）熟悉直方图的作图法，能根据样本数据确定分组数、组距，由直方图作出实际分布曲线，进而将实际曲线与正态分布曲线相比较，判断加工误差性质，评定工序能力系数C P ，根据给定的精度要求估算合格率。

3）熟悉R x -质量控制图的作图法，能根据R x -图判断工序加工稳定性。

二、实验仪器与设备1、D913型轴承检查仪2、100根外圆为020.0025.030+-Φ粗磨曲柄销3、装有“统计过程控制（SPC ）软件”的计算机一台三、实验原理与方法加工误差可以分为系统误差和随机误差两大类。

系统误差指在顺序加工一批工件中，其加工误差的大小和方向都保持不变或按一定的规律变化，前者称常值系统误差，是由大小和方向都一定的工艺因素造成；后者为变值系统误差，由大小和方向有规律变化的工艺因素造成。

随机误差指在顺序加工一批工件中，其加工误差的大小和方向都是随机的 ，是许多相互独立的工艺因素微量的随机变化和综合作用的结果。

实际加工误差往往是系统误差和随机误差的综合表现，因此，在一定的加工条件下，要判断是某一因素起主导作用，必须先掌握一定的数据资料，再对这些数据资料进行分析研究，判断误差的大小、性质、及其变化规律等。

然后再针对具体情况采取相应的工艺措施。

统计分析方法可用来研究、掌握误差的分布规律和统计特征参数，将系统误差和随机误差区分开来。

1．误差的分布图分析法：根据概率论理论，相互独立的大量微小随机变量，其总和的分布接近正态分布。

这就是说，对于随机误差，应满足正态分布。

根据数理统计的原理，随机变量全体（总体）的算术平均值和标准差可用部分随机变量的算术平均值x 和标准差S 来估算，其值是很接近的。

这样，就可由抽检样本来估算整体。

在机械加工中，用调整法加工一批零件，当不存在明显的变值系统误差因素时，其尺寸分布近似于正态分布。

根据上述原理，在本实验中，通过检测曲柄销直径，来模拟一批零件的加工误差的数据样本，不同直径，可以看成是该加工工艺系统中众多随机误差因素综合作用的结果。

根据该误差数据样本绘制实验分布图（即直方图）和正态分布曲线。

若该分布图呈正态分布，表明加工过程中是影响不突出的随机性误差起主导作用，而变值系统性误差作用不明显；若分布图的平均偏差与公差带中点坐标不重合，表明存在常值系统误差；若所分析的误差呈非正态分布，则说明变值系统误差作用突出。

实验分布图（即直方图）和正态分布曲线的绘制方法如下：假设有一个误差数据样本，其样本容量为n ，样本数据的最大值为max x ，最小值为min x ，并记极差 min max x x R -= 。

将数据分为K 组，K 的选取与样本容量n 的大小有一定的关系，可参见教材。

确定K 值以后，即可按D=R/K 确定组距。

样本值落在同一误差组的个数即为频数i m ，频数与样本容量n 之比，称为频率i f 。

以组距为横坐标，以频数为纵坐标按一定比例作出各个数据组的长方形，就构成了直方图。

正态分布概率分布密度函数为：其中σ、μ是正态分布曲线的两个特征参数，分别为随机变量总体的标准差和均值。

样本的标准差的估算值为：根据x 和S 即可绘出样本的正态分布曲线。

2．点图法由于分布图法采用随机样本，不考虑加工顺序，因而不能反映误差大小、方向随加工先后顺序的变化，此外，分布图法是在一批工件加工结束以后进行分析的，它不能及时反映加工过程误差的变化，不利于控制加工误差。

因此，如何使工艺过程在给定的运行条件下，在给定的工作时间内，稳定可靠地保证加工质量是一个重要问题。

这就是工艺过程稳定性的问题。

按照概率论中的中心极限定律，无论何种分布的大样本，其中小样本的平均值趋向于服从正态分布，这样，从统计分析的一般角度，认为若某一项质量数据的总体分布的参数（例如σ、μ）保持不变，则这一工艺过程是稳定的。

因此，可通过分析样本统计特征值x 、S 推知工艺过程是否稳定。

总体分布参数μ可用样本平均值x 的平均值x 估算，总体分布参数σ可用样本极差的平均值R 来估算。

通常采用点图（控制图）法来进行工艺过程稳定性的分析。

用点图来分析工艺过程稳定性212x y μσ-⎛⎫- ⎪⎝⎭=S =11nii x x n ==∑首先要采集顺序样本，这样的样本可以得到在时间上与工艺过程运行同步的有关信息，反映出加工误差随时间变化的趋势，以便对加工工艺过程质量的稳定性随时进行监视，防止废品产生。

误差点图有个值点图和样组点图两类，其中样组点图较常用的是R x -点图(即平均值-极差点图)。

R x -图是平均值x 控制图和极差R 控制图联合使用时的统称。

前者控制工艺过程质量指标的分布中心，后者控制工艺过程质量指标的分散程度。

根据数理统计的中心极限定律，即使不知原始数据的分布，但它们的平均值分布近似于正态分布。

总体分布越接近正态分布，样本平均值的分布就更接近正态分布，此时所需样本的容量也可越小。

R x -点图的绘制方法如下：1）数据抽样绘制R x -图是以小样本顺序随机抽样为基础的，通常的要求是在工艺过程进行中，每隔一定时间，如半小时或一小时，从这段时间内加工的工件中，随机抽取几件作为小样本，小样本的容量N=2～10件，求出小样本的统计特征值的平均值和极差R 。

经过若干时间后，取得K 个小样本，通常取K=25，这样，抽取样本的总容量一般不少于100件，以保证有较好的代表性。

在本实验中，采取小样本容量N=5， K=20。

2）绘-X 点图和R 点图以分组序号为横坐标，每组尺寸的平均值-X 为纵坐标绘制-X 点图；以分组序号为横坐标，每组尺寸的最大值与最小值之差R 为纵坐标绘制R 点图。

-X 、R 分别按下式计算：∑==ni i x n x 11 min max x x R -=式中： n ——每组的工件数(即小样本容量)； x i ——第i 个工件的尺寸；max x 、 min x ——每组误差的最大、最小值。