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机械制造技术基础实
机械制造技术基础实验指导书
同济大学机械工程学院
二00九年十一月
实验一加工误差统计分析
1、实验目的
1、掌握绘制工件尺寸实际分布图的方法,并能根据分布图分析加工误差的性质,计算工序能力系数。
2、学会用
点图法研究被加工零件尺寸的变化规律和控制被加工零件尺寸,能根据
点图分析工艺过程的稳定性。
二、实验使用的设备和工具
1、机床:
斯来福临精密数控平面磨床K-P36Compact
2、量具:
螺旋测微仪、千分仪
三、实验内容
在数控磨床上加工一批零件,依次测量出其高度尺寸,然后绘制被加工零件尺寸的
图,分析被加工零件尺寸的变化规律,从中找出误差的性质和原因,并计算机床的工艺能力系数、确定机床的工艺能力等级。
四、实验原理和方法
在磨床上用磨削工件一批,做出
控制图和分布图。
应用数理统计方法对加工误差(或其他质量指标)进行分析,是进行过程控制的一种有效方法,也是实施全面质量管理的一个重要方面。
其基本原理是利用加工误差的统计特性,对测量数据进行处理,作出
点图以及分布图,据此对加工误差的性质、工序能力及工艺稳定性等进行识别和判断,进而对加工误差作出综合分析。
详见教材相关章节。
1、
图绘制:
1)确定样组容量,对样本进行分组
样组容量一般取m=2~10件,通常取4或5。
按样组容量和加工时间顺序,将样本划分成若干个样组。
2)计算各样组的平均值和极差
对于第i个样组,其平均值和极差计算公式为:
,
式中
——第i个样组的平均值;
——第i个样组的极差;
xij——第i个样组第j个零件的测量值;
ximax——第i个样组数据的最大值;
ximin——第i个样组数据的最小值
3)计算
图控制限
图的控制限为:
式中A2、D1、D2——常数,可由表1.2查得;
Km--样组个数。
表3.2d、
、A2、D1、D2值
N(件)
d
A2
D1
D2
4
0.880
0.486
0.73
2.28
0
5
0.864
0.430
0.58
2.11
0
6
0.848
0.395
0.48
2.00
0
4)绘制
图
以样组序号为横坐标,分别以各样组的平均值
和极差R为纵坐标,画出
图,并在图上标出中心线和上、下控制限。
2、直方图和分布曲线绘制
1)初选分组数K
一般应根据样本容量来选择,参见表3.1.
表1.1分组数K的选定
n
25~40
40~60
60~100
100
100~160
160~250
k
6
7
8
10
11
12
2)确定组距
找出样本数据的最大值Ximax和最小值Ximin,并按下式计算组距:
选取与计算的d'值相近的且为测量值尾数整倍数的数值为组距。
3)确定分组数
4)确定组界
各组组界为:
(j=1,2,……,k)
5)统计各组频数ni(即落在各组组界范围内的样件个数)
6)画直方图
以样本数据值为横坐标,标出各组组界;以各组频数为纵坐标,画出直方图。
7)计算总体平均值与标准差
平均值得计算公式为:
式中xi-第i个样件的测量值;
n-样本容量。
标准差的计算公式为:
8)画分布曲线
若研究的质量指标是尺寸误差,且工艺过程稳定,则误差分布曲线接近正态分布曲线;若研究的质量指标是形位误差或其他,则应根据实际情况确定其分布曲线。
画出分布曲线,注意使分布曲线与直方图协调一致。
9)画公差带
在横轴下方画出公差带,以便与分布曲线相比较。
3、工序能力系数计算
标准差的计算公式为:
式中xi-第i个样件的测量值;
n-样本容量。
工序能力系数Cp按下式计算:
4、判别工艺过程稳定性
可按表3.3所列标准进行判别。
注意,同时满足表中左列3个条件,工艺过程稳定;表中右列条件之一不满足,即表示工艺过程不稳定。
表3.3正常波动与异常波动标志
正常波动
异常波动
1、没有点子超出控制线
2、大部分点子在平均线上下波动,小部分在控制线附近
3、点子没有明显的规律性
1、有点子超出控制线
2、点子密集在平均线上下附近
3、点子密集在控制线附近
4、连续7点以上出现在平均线一侧
5、连续11点中有10点以上出现在平均线一侧
6、连续14点中有12点以上出现在平均线一侧
7、连续17点中有14点以上出现在平均线一侧
8、连续20点中有16点以上出现在平均线一侧
9、点子有上升或下降的倾向
10、点了有周期性的波动
四、实验步骤
1、在已调整好的平面磨床K-P36加工100个高度12.50±0.06的方形工件。
2、在加工过程中用千分尺依次测量各个零件的,以5个零件为一组记录于报告内的原始数据记录表(见附表)上。
3、计算出每组零件尺寸平均值
和极差R,再依次记录在实验报告内的原始数据记录表上。
4、计算
和
的平均值
和
。
5、计算
图控制线。
6、绘制
控制图。
7、分析
图的点子是否为正常波动,以判断工艺是否稳定
8、绘制分布图。
9、计算全部零件尺寸的均方根偏差σ,计算工艺能力系数,确定工序能力等级。
五、分析判断实验结果
1、通过对实际分布图及
控制图分析、判断影响该批零件加工精度的主要误差因素。
2、推断该工序的工艺能力,确定工艺等级。
3、判断工艺是否稳定。
4、试提出解决上述工艺问题的措施。
六、思考题
1、分布图主要说明什么问题?
在什么情况下分布曲线接近于正态曲线?
在什么情况下分布曲线与正态曲线偏离较远?
2、
图主要说明什么问题?
分布图与
图关系如何?
3、分析产生加工误差的主要因素有哪些?
其中哪些是常值系统误差?
哪些是变值系统误差?
哪些是随机误差?
如何从分布图及
图中加以判断?
4、分析工艺过程稳定性(或不稳定性)的原因?
附表:
测量值记录表
样本组编号
尺寸(mm)
小样本
均值
小样本
极差R
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
实验一平面磨床烧伤实验
一、实验目的
1、掌握什么是磨削烧伤。
2、掌握产生磨削烧伤的机理及影响因素。
3、学会预防烧伤的有效措施和方法。
4、利用KP-36平面磨床等设备演示磨削烧伤、检测及预防改进措施。
二、实验设备和仪器
实验设备及仪器如表1所示。
表1实验设备及仪器
序号
设备(工具)、仪器名称
数量
1
20号钢的磨片试样
4片
2
KP-36平面磨床
1台
3
箱式电阻炉(带电阻炉温度控制器)
1台
4
NEOPHOT-30大型卧式金相显微镜
1台
5
专业数码相机
1部
6
抛光机(金刚石研磨膏)
1台
7
布洛氏光学硬度计
1台
8
4%硝酸酒精浸蚀剂
1瓶
三、实验原理和实验方法
(一)实验原理
机械加工表面质量指标主要包含表面粗糙度、表面层的物理力学性能变化(冷作硬化、金相组织变化和残余应力等)。
本实验主要展示磨削烧伤对表面质量(主要是表面层硬度和金相组织变化)的影响。
磨削工件时,在高的磨削温度作用下,会使工件表层的金相组织产生变化,表层金属强度和硬度降低,并伴有残余应力产生,甚至出现微观裂纹,而使工件表面质量恶化的现象叫做磨削烧伤。
如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度,但已超过马氏体的转变温度,止推面表层金属的回火马氏体组织将转变成硬度较低的回火组织(索氏体或托氏体),这种烧伤称为回火烧伤;如果磨削区温度超过了相变温度,再加上冷却液的急冷作用,表层金属发生二次淬火,使表层金属出现二次淬火马氏体组织,其硬度比原来的回火马氏体的高,在它的下层,因冷却较慢,出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织(索氏体或托氏体),这种烧伤称为淬火烧伤;如果磨削区温度超过了相变温度,而磨削区域又无冷却液进入,表层金属将产生退火组织,表面硬度将急剧下降,这种烧伤称为退火烧伤。
磨削烧伤与磨削热、磨削温度有着密切的关系,所以,一切影响温度的因素,都在一定程度上对烧伤有影响,主要包括磨削用量,被加工材料,砂轮材料和砂轮修正方式和磨削液等。
对于磨削用量,增大背吃刀量会显著地增大表面层的热损伤程度;提高砂轮速度虽然提高生产效率但会增加表面层的热损伤;提高工件的进给速度会减少热损伤。
对于被加工材料,传热性能比较差的材料在磨削时易产生烧伤,如耐热钢、轴承钢等。
对于砂轮材料和砂轮修磨方式,硬砂轮材料自锐性不好,使磨削力增大、温度升高,容易产生烧伤。
且如果砂轮修磨速度比较慢,则砂轮粒度较细,单位时间与工件接触的磨削刃多,摩擦力大,磨削温度高,容易产生烧伤。
最后,对于磨削液,好的冷却润滑条件不易造成烧伤现象。
常见的磨削烧伤鉴别方法有:
目测法、金相显微检测法等。
目测法是依据磨削表面出现的不同于常规金属光泽的反射颜色及其变化范围的大小来鉴别磨削烧伤的程度。
金相显微法是对磨削工件进行局部切片并修磨处理成检测样本,对样本表面进行金相腐蚀之后在高分辨率立体显微镜下观察样本表面的金相组织成分的变化。
本实验采用金相显微法。
本实验采用的是将1mm直径,1mm厚度的圆柱形20#钢放在箱式电阻炉中加热到840℃,保温12min,水淬形成淬火马氏体组织的试件。
(二)实验方法
先按照经验值设置磨削的基本参数,再依次改变一些重要参数,其中包括有无冷却液、工件进给速度、磨削深度来进行磨削加工,通过观察烧伤试片的表面金相组织的变化和检测表面硬度的变化来分析磨削烧伤的影响因素。
四、实验内容和实验步骤
第一步:
打开机床,进行参数设置。
装夹1号淬火20#钢的试片,开动
KP-36平面磨床(如图1),进行参数设置。
参数设置的界面如图2所示,
参数设置过程大体如下:
图1——KP-36平面磨床坐标轴方向图
图2——参数设置总界面图
编程参数设置的界面如图3,且重要的参数设置如下:
参数设置选取经验值,一些重要参数包括设置Yi(每次行程的磨削深度)=0.005mm;设置Vx(工作台横向进给速度)=20m/min;设置砂轮转速GWPS=30m/s。
其他参数设置这里不作详细说明,根据实验现场具体设置。
然后打开冷却液,对试片进行磨削加工,将加工后的试片用抛光机研磨,再用4%硝酸酒精浸蚀剂浸蚀后,用NEOPHOT-30大型卧式金相显微镜观察其金相组织的变化,并用专业数码相机拍下金相组织相片,最后用布洛氏光学硬度计测量试片的表面硬度,将实验结果记录如下表2。
图3——编程参数设置界面图
第二步:
取下1号试片,并装载2号试片,关闭冷却液,设置吃刀量为0.01mm,其他参数不变,对2号试片进行磨削加工,同样用金相显微镜观察其金相组织的变化,并用布洛氏光学硬度计测量试片的表面硬度,将实验结果记录如下表2。
第三步:
取下2号试片,并装载3号试片,关闭冷却液,设置磨削深度为0.02mm,进给速度为1.2m/min,其他参数设置保持不变,对第3号试片进行磨削加工,同样将实验结果记录如下表2。
第四步:
取下3号试片,并装载4号试片,关闭冷却液,设置磨削深度为0.03mm,进给速度为0.8m/min,其他参数设置保持不变,对4号试片进行磨削加工,最后将实验结果记录如下表2。
表2——影响磨削烧伤因素的对比表
试片编号
砂轮转速(m/s)
冷却液
磨削深度
(mm)
进给速度
(m/min)
金相组织成分
表面硬度
1号
30
开
0.005
20
2号
30
关
0.01
20
3号
30
关
0.02
1.2
4号
30
关
0.03
0.8
五、思考题
1.磨削烧伤的影响因素有哪些?
2.如果实验结果与理论不符,试分析是什么原因。
3.结合实验结果试找出能够预防磨削烧伤的措施或方法,并加以举例以详细说明。
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