仪器制造工艺学实验指导书

1、前言仪器制造工艺学是测控技术专业的一门重要的专业基础课，它是为适应专业改革需要而重新构建的课程，有机地将金属切削原理与刀具、金属切削机床概论、机床夹具设计和机械制造工艺学、金属材料学等几门传统的专业课融合为一体，形成以机械制造技术应用能力培养为主线的新课程体系。在内容体系的安排上，将工艺、机床、夹具、刀具、材料有机地结合在一起，从而加强了针对性和实用性。本实验指导书就是配合仪器制造工艺学的理论教学而编写的，共安排了8学时的实验，其中实验一、二和三为必开实验，实验四为选开实验。通过实验教学，以培养学生的科学实验能力和实验素质，从而提高学生的工程实践动手能力。目 录实验一 车刀角度测量实验 1实验

2、二 碳钢热处理实验5实验三 特种加工实验12实验四 组合夹具实验1515实验一 车刀角度测量实验一、 实验目的1了解车刀量角台的构造与工作原理。2掌握车刀几何角度测量的基本方法。3加深对车刀各几何角度、各参考平面及其相互关系的理解。二、 实验仪器及刀具仪器：回转工作台式量角台车刀：45、93度车刀若干把三、 回转工作台式量角台的构造图1.1所示，回转工作台式量角台主要由底盘1、平台3、立柱7、测量片5、扇形盘6、10等组成。底盘1为圆盘形，在零度线左右方向各有1000角度，用于测量车刀的主偏角和副偏角，通过底盘指针2读出角度值；平台3可绕底盘中心在零刻线左右1000范围内转动； 图1.1 量角

3、台的构造定位块4可在平台上平行滑动，作为车刀的基准；测量片5，如图1-2所示，有主平面（大平面）、底平面、侧平面三个成正交的平面组成，在测量过程中，根据不同的情况可分别用以代表剖面、基面、切削平面等。大扇形刻度盘6上有正副450的刻度，用于测量前角、后角、刃倾角，通过测量片5的指针指出角度值；立柱7上制有螺纹，旋转升降螺母8就可以调整测量片相对车刀的位置。四、实验内容1利用车刀量角台分别测量s = 00 、s < 00的直头外圆车刀的几何角度：要求学生测量r、r、s、o、o 、等 图1.2 测量片共6个基本角度。2记录测得的数据，并计算出刀尖角和楔角。五、 实验方法1 根据车刀辅助平面及

4、几何参数的定义，首先确定辅助平面的位置，在按着几何角度的定义测出几何角度。2 通过测量片的测量面与车刀刀刃、刀面的贴合（重合）使指针指出所测的各几何角度。六、 实验步骤1 首先进行测量前的调整：调整量角台使平台、大扇形刻度盘和小扇形刻度盘指针全部指零，使定位块侧面与测量片的大平面垂直，这样就可以认为：（1） 主平面垂直于平台平面，且垂直于平台对称线。（2） 底平面平行于平台平面。（3） 侧平面垂直于平台平面，且平行于平面对称线。2 测量前的准备：把车刀侧面紧靠在定位块的侧面上，使车刀能和定位块一起在平台平面上平行移动，并且可使车刀在定位块的侧面上滑动，这样就形成了一个平面坐标，可以使车刀置于一

5、个比较理想的位置。3 测量车刀的主（副）偏角（1） 根据定义：主（副）刀刃在基面的与走刀方向夹角。（2） 确定走刀方向：由于规定走刀方向与刀具轴线垂直，在量角台上即垂直于零度线，故可以把主平面上平行于平台平面的直线作为走刀方向，其与主（副）刀刃在基面的投影有一夹角，即为主（副）偏角。（3） 测量方法：顺（逆）时针旋转平台，使主刀刃与主平面贴合。如图1-3所示，即主（副）刀刃在基面的投影与走刀方向重合，平台在底盘上所旋转的角度，即底盘指针在底盘刻度盘上所指的刻度值为主（副）偏角r（r）的角度值。4 测量车刀刃倾角（s）（1）根据定义：主刀刃和基面的夹角。（2）确定主切削平面：主切削平面是过主刀刃

6、与主加工表面相切的平面，在测量车刀的主偏角时，主刀刃与主平面重合，就使主平面可以近似地看作主切削平面（只有当s =0时，与主加工表面相切的平面才包含主刀刃），当测量片指针指零时底平面可作为基面。这样就形成了在主切削平面内，基面与主刀刃的夹角，即刃倾角。 （3）测量方法：旋转测量片，即旋转底平面（基面）使其与主刀刃重合。如图1.4所示，测量片指针所指刻度值为刃倾角。5 测量车刀主剖面内的前角o 和后角o（1） 根据定义：主前角是指在主剖面内，前刀面与基面的夹角。主后角是指在主剖面内后刀面与主切削平面的夹角。（2） 确定主剖面：主剖面是过主刀刃一点，垂直于主刀刃在基面的投影。（3） 在测量主偏角时

7、，主刀刃在基面的投影与主平面重合（平行），如果使主刀刃在基面的投影相对于主平面旋转900，则主刀刃在基面的投影与主平面垂直，即可把主平面看作主剖面。当测量片指针指零时，底平面作为基面，侧平面作为主切削平面，这样就形成了在主剖面内，基面与前刀面的夹角，即前角（o）；主切削平面与后刀面的夹角，即后角（o）。图1.3 测量车刀的主偏角图 1.4 测量车刀刃倾角（4） 测量方法：使底平面旋转与前刀面重合。如图1.5所示， 测量片指针所指刻度值为前角；使侧平面（即主切削平面）旋转与后刀面重合。如图1.6所示， 测量片指针所指刻度值为后角。图1.5 测量车刀前角 图1.6 测量车刀后角七、记录数据并完成实

8、验报告1 将测量得到的数据，填入自己设计的表格中。2 绘制车刀标注角度图，并标注出测量得到的各标注角度数值。实验、碳钢的热处理一、实验目的1、了解碳钢的基本热处理（退火，淬火及回火）工艺方法。根据工件的加工、及使用性能要求，制订热处理工艺规程。2、分析退火、淬火及回火温度对钢性能的影响。二、实验原理热处理的主要目的是改变钢的性能。钢的热处理工艺过程是将钢加热到一定的温度，经一定时间的保温，然后以某种速度冷却，如图1所示。常用的钢的热处理方法包括退火、正火、淬火和回火等。图1 钢的热处理工艺过程图2 钢在退火时的加热温度1、退火将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却 (炉冷) 的热处理工艺叫做退火

9、。退火的目的包括一下三个方面：调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。 消除内应力，防止加工中变形。 细化晶粒，为最终热处理作组织准备。 退火可分为完全退火、球化退火、扩散退火、再结晶退火等。不同的退火方法，加热温度也不同，图2在相图上表达了不同退火方法对应的加热温度。2、淬火将钢加热到Ac3(亚共析约)或Ac1（共析，过共析钢）以上3050，保温后放入不同的冷却介质中快速冷却(V实>V临)，以获得马氏体组织。图3为淬火钢的加热温度范围。 图3 钢在淬火时的加热温度冷却时应使实际冷却速度大于临界冷却速度，以保证获得马氏体加残余奥氏体组织。所谓临界冷却速度是保证奥氏体在

10、冷却过程中不发生分解，而全部转变到马氏体区的最小冷却速度。钢经淬火后得到的马氏体组织质硬而脆，组织不稳定，并且工件内部存在很大的内应 力。因此淬火钢必须进行回火处理。不同的回火工艺可以使钢获得所需的各种不同性能。所谓回火就是将淬火后的钢在较低的温度下加热、保温和冷却的过程。3、硬度硬度是指金属表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。材料的硬度一般用布氏硬度或洛氏硬度来表示。布氏硬度测试的原理如图4，用规定载荷P(公斤力)的力把直径为D(毫米)的钢球压入试样表面并保持一定的时间，待塑性变形稳定后，卸去载荷，用读数显微镜测出钢球在试样表面所压出的圆形凹痕的直径d(毫米；)，由d计算出凹痕球面积

11、F凹，用F除P得到平均单位凹球面上所受的力PF凹，作为布氏硬度值，用符号HB表示。布氏硬度适合测试硬度不高的材料，如经退火、正火处理的钢材。（a）原理图 （b）h和d的关系图4 布氏硬度试验原理图洛氏硬度测试时的压头为一锥体，如图5所示。测定时，需要先后两次施加载荷(预载荷和主载荷)，预加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好，以保证测量结果准确。图5中00位置为未加载荷时的压头位置，11位置为加上10kg·f预加载荷后的位置，此时压入深度为h1，22位置为加上主轴荷的位置，此时压入深度为h2，h2包括由加载所引起的弹性变形和塑性变形，卸除主载荷后，由于弹性变形恢复而稍提高到33位置，

12、此时压头的实际压入深度为h3。洛氏硬度就是以主载荷所引起的残余压入深度(h=h3-h1)来表示硬度的大小。实测过程中，可以直接从硬度计上读出硬度值。洛氏硬度适合测试硬度较高高的材料，如经淬火处理的钢材。图5 洛氏硬度试验原理图三、实验设备及材料1箱式电炉。2洛氏硬度机，布氏硬度机。3冷却剂；水、油。4砂布、夹钳等。5实验材料：45钢、T12。四、实验步骤1、电炉加热。两台电炉，加热温度分别为860和750。2淬火实验将45钢、T12钢分别放入860、750的电炉中，加热保温，保温时间为10-12分钟，然后水淬。3.硬度测试五、实验报告要求1明确实验目的，了解所用的实验设备及材料。2画出热处理工

13、艺曲线。3记录硬度测试结果。 4简述实验体会。实验三 特种加工实验一、实验目的与要求 1了解电火花加工的加工原理、特点和应用。 2了解编制一般零件的线切割加工程序的方法。 3了解计算机辅助制造的概念和加工过程。 二、电火花加工的工作原理非传统加工方法，又称特种加工方法，是指不用常规的机械加工和常规压力加工的方法，利用光、电、化学、生物等原理去除或添加材料以达到零件设计要求的加工方法的总称。它是对传统机械加工方法的有力补充和延伸，并已成为机械制造领域中不可缺少的技术内容。电火花加工便是其中之一。电火花加工又称电腐蚀加工，包括使用模具电极的型腔加工和使用电极丝的线切割加工。随着加工速度和电极损耗等

14、加工特性的改善，电火花加工得到了很广泛的应用，从大到数米的金属模具，小到数微米的孔和槽都可以加工。特别是电火花线切割机床的出现，使其应用范围更加广泛。电火花加工时，作为加工工具的电极和被加工工件同时放入绝缘液体（一般使用煤油）中，在两者之间加上直流100V左右的电压。因为电极和工件的表面不是完全平滑而是存在着无数个凹凸不平处，所以当两者逐渐接近，间隙变小时，在电极和工件表面的某些点上，电场强度急剧增大，引起绝缘液体的局部电离，于是通过这些间隙发生火花放电。放电时的火花温度高达5000，在火花发生的微小区域（称为放电点）内，工件材料被熔化和气化。同时，该处的绝缘液体也被局部加热，急速地气化，体积

15、发生膨胀，随之产生很高的压力。在这种高压力的作用下，已经熔化、气化的材料就从工件的表面迅速地被除去。虽然电极也由于火花放电而损耗，但如果采用热传导性好的铜，或熔点高的石墨材料作为电极，在适当的放电条件下，电极的损耗可以控制到工件材料消耗的1以下。当放电时间持续增长时，火花放电就会变成弧光放电。弧光放电的放电区域较大，因而能量密度小，加工速度慢，加工精度也变低。所以，在电火花加工中，必须控制放电状态，使放电仅限于火花放电和短时间的过渡弧光放电。为实现这个目标，在电极和工件之间要接上适当的脉冲放电的电源。该脉冲电源使最初的火花放电发生数毫秒至数微秒后，电极和工件间的电压消失（为零），从而使绝缘油恢

16、复到原来的绝缘状态，放电消失。在电极和工件之间又一次处于绝缘状态后，电极和工件之间的电压再次得到恢复。如果使电极和被加工工件之间的距离逐渐变小，在工件的其它点上会发生第二次火花放电。由于这些脉冲性放电在工件表面上不断地发生，工件表面就逐渐地变成和电极形状相反的形状。从以上分析可以看出，电火花加工必须具备下述条件：（1）要把电极和工件放入绝缘液体中；（2）使电极和工件之间距离充分变小；（3）使两者间发生短时间的脉冲放电；（4）多次重复这种火花放电过程。按加工方式分，电火花加工包括电火花线切割加工和电火花成形加工。图3.1是电火花线切割加工构成原理图。作为细金属丝（通常直径为0.050.25mm）

17、的电极，一边卷绕一边与工件之间发生放电，由这种放电能量加工零件。根据零件和线电极的相对运动可以加工各种形状不同的二维曲线轮廓。相对运动由数控工作台在X、Y两方向的运动合成实现。图3.1电火花线切割加工原理三、实验设备本实验采用DK7732型数控电火花线切割机床，主要特点如下：其控制系统，以PC总线工控机为控制核心，采用电子虚盘，速度快，可靠性强，维护性高，维护扩展方便；它提供全中文操作环境，彩色立体图形显示，实时跟踪加工轨迹；周到的加工保护措施，断电记忆，断丝检测，行程保护，自动关机等功能；运丝电机控制采用进口变频器和PLC编程控制器实现交流变频调速控制，使走丝机构的绕丝、运丝、丝速控制非常方

18、便、可靠、稳定四、实验内容1.听取实验指导老师讲解电火花线切割加工原理、特点和应用。2.听取实验指导老师讲解电火花线切割机床的结构及使用方法。3.演示电火花电火花线切割加工。实验四 组合夹具实验一、实验目的随着科学技术的不断发展，机械制造工业的自动化程度越来越高，生产成本越来越低，尤其组合夹具的使用，在机械制造工业中取得了十分显著的经济效果。由于现代数控技术的不断提高，对组合夹具的依赖性日益增强，组合夹具的使用，不仅为企业节约了大量的人力和物力，还推动了社会的技术进步和生产发展。因此，了解组合夹具的使用，对于机械制造专业的学生尤为重要。通过对组合夹具的组装实验，可以了解到组合夹具的使用范围，类

19、型，初步掌握组合夹具的使用原则，设计原理、以及简单的装配技术。二、实验设备1.三套完整的组合夹具组件及零件，其中包括每道工序所用的定位元件、夹紧元件、以及钻套、钻模、对刀块等辅助元件。2.装配所用工具。三、实验要求1.实验前认真阅读教材和实验指导书，了解工件定位、夹紧的概念，初步了解组合夹具的各种元件及用途。2.通过组合夹具的组装实验，初步了解机床与组合夹具之间的相互联系，初步掌握组合夹具的设计思路及设计方法。3.实验时严格执行实验室的规章制度，严格按操作规程操作。4.实验过程中严禁戏耍打闹，确保实验安全顺利完成。四、实验内容本实验以加工工艺比较典型的连杆零件为内容，进行组合夹具的组装实验。三

20、道连杆加工工序及要求如下：1.铣连杆体结合面技术要求为：1） 连杆体结合面至小头孔中心距离为 148.49;2） 位基面：连杆端面，小头孔 38.80.02 ,工艺凸台。3） 机床：立式铣床。连杆体加工工序图如图4-1所示。2.钻连杆体连接定为孔技术要求为：1） 杆体连接定为孔215.5 ，保证两孔中心距为 90±0.1 。2） 位基面： 连杆端面，小头孔， 38.8±0.02 。3） 机床：立式钻床。3.精镗大头孔技术要求为：1)镗大头孔至 70 ，保证大小孔中心距为 210±0.05 。2)定位基面：连杆大头端面，小头孔 39 ，工艺凸台。3)机床：卧式镗床。

21、23210±0.051图4-1铣连杆体结合面工序图五、组合夹具基本概念我国目前生产和使用的组合夹具，多为槽系组合夹具，其元件间以键和键槽定位。用孔和圆销定位的组合夹具称作孔系组合夹具，也已在生产中使用。1 元件的编号组合夹具根据其承载能力的大小分为三种系列：16mm槽系列，俗称大型组合夹具；12mm槽系列，俗称中型组合夹具；8mm、6mm槽系列，俗称小型组合夹具。其划分的依据主要是连接螺栓的直径、定位键槽尺寸及支承件界面尺寸。 组合夹具的分类编号原则和标记方法，按照原机械工业部标准(JB281479)规定如下：（1）编号方法元件分类编号以分数形势表示。a.分子表示元件的型、类、组、品

22、种，称之为“分类编号”。元件分大、中、小三个类型，用汉语拼音大、中、小三字的字头表示：D-大（Da）型组合夹具元件，即16mm槽系列组合夹具元件;Z-中（Zhong）型组合夹具元件，即12mm槽系列组合夹具元件;X-小（Xiao）型组合夹具元件，即8mm或6mm槽系列组合夹具元件。元件的类、组、品种各用一位数字表示。第一位数字表示元件的“类”，按元件的用途划分，用数字19表示。1-基础件；2-支承件；3-定位件；4-导向件；5-压紧件；6-紧固件；7-其它件；8-合件；9-组装用工具和辅具。第二位数字表示元件类中的“组”，按元件的用途划分，用数字09表示。第三位数字表示“组”中的“品种”，按元

23、件的结构特征划分，用数字09表示。b.分母表示元件的规格特征尺寸，一般用L×B×H-称规格。【例】 型别（中型），亦称12mm槽系列 类别，支承件类 组别，支承件中的5号组 品种，伸长板中的4号品种 Z 2 5 4 180×90×30（2）元件的分类组合夹具元件的分类，主要根据元件的结构、形状和用途而划分的。组合夹具元件，按其用途不同，可划分为八大类，详见表4-1表4-1 元件类别及用途序号类别作 用序号类别作 用1基础件夹具的基础元件5压紧件作压紧元件或工件的元件2支承件作夹具骨架的元件6紧固件作紧固元件或工件的元件3定位件元件间定位和工件正确安装用的

24、元件7其它件在夹具中起辅助作用的元件4导向件在夹具上确定切削工具位置的元件8合 件用于分度、导向、支承等的组合件2.元件的名称、结构及尺寸标注要组装好夹具，必须熟悉各类元件的结构、尺寸和使用方法，才能充分发挥各种元件的效能和特长，组装出刚度大、结构良好和使用方便的夹具。1985年机械工业部颁布了“12mm槽系列组合夹具元件”部标准(JB3930.13930.119-85)。各类元件名称、结构和尺寸标注如下。第一类 基础件：包括方型基础板、长方形基础板和基础角铁等。第二类，支承件：包括各种垫片、垫板、支承、角铁、V型角铁、伸长板和菱形板等。第三类 定位件：包括各种键、定位销、定位盘、角度定位件、

25、定位支承、定位板和V型件。第四类 导向件：包括各种钻模板、钻套、铰套和导向支承等。第五类 压紧件：包括各种压板。第六类 紧固件：包括各种螺栓、螺钉、螺母和垫片等。第七类 其它件：包括除上述六类外的各种用途的单件元件，如连接板、滚花手柄、各种支钉和支承冒、支承环、弹簧、二爪支承、三爪支承及平衡块等。另外还有一些组合件及组装工具和辅具等，可参见有关资料。六、组合夹具的组装组装就是将组合夹具元件按照一定的原则，装配成具有一定功能的组合夹具的过程。组合夹具的组装，其本质和设计制造一套专用夹具完全相同，是一个复杂思维（设计）和动手装配（制造）的过程。但是，组合夹具又有自己的装配特点和装配规律。一般装配过程为：1.熟悉有关资料这是组装过程开始的第一步，其目的在于明确组装要求和条件，与之有关的资料有如下内容。（1）工件a.工件形状与轮廓尺寸；b.加工部位与加工方法；c.加工精度与技术要求；d.定位基准与工序尺寸；e.有关前、后工序的要求；f.加工批量与使用时间。（2）机