《金屬切削原理與刀具》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

1、金屬切削原理與刀具實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)河南科技學(xué)院2012-08-31實(shí)驗(yàn)一 車(chē)刀幾何角度的測(cè)量一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 熟悉車(chē)刀切削部分的構(gòu)造要素，根據(jù)車(chē)刀幾何角度的定義測(cè)量車(chē)刀的幾何角度。2 了解車(chē)刀測(cè)角儀的結(jié)構(gòu)，學(xué)會(huì)使用車(chē)刀測(cè)角儀測(cè)量車(chē)刀幾何角度的方法。二、 實(shí)驗(yàn)要求：1 加深理解刀具標(biāo)注角度的參考系，各坐標(biāo)平面的位置（靜態(tài)的）。2 根據(jù)測(cè)量結(jié)果繪制車(chē)刀工作圖。3 進(jìn)一步熟悉各剖面之間的角度關(guān)系。三、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. 車(chē)刀量角儀、車(chē)刀一套四、 車(chē)刀測(cè)角儀的結(jié)構(gòu)：測(cè)量刀具幾何角度的量具很多，如萬(wàn)能量角器、擺針式重力量角器、車(chē)刀測(cè)角儀等等。車(chē)刀測(cè)角儀是測(cè)量車(chē)刀角度的專(zhuān)用量角儀，它有很多種型式，本實(shí)驗(yàn)采用的是既

2、能測(cè)量車(chē)刀主剖面參考系的基本角度，又能測(cè)量車(chē)刀法剖面參考系的基本角度的一種車(chē)刀測(cè)角儀，其結(jié)構(gòu)如圖所示。圓形底盤(pán)的周邊上刻有從0起順、逆時(shí)針兩個(gè)方向各100的刻度盤(pán)1。其上面的支撐板可繞小軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度由固連與支撐板上的指針指示出來(lái)。支撐板上的導(dǎo)塊和滑塊1、2固定在一起，能在支撐板的滑槽內(nèi)平行滑動(dòng)。升降桿固定安裝在圓形底盤(pán)上，它是一根矩形螺紋絲杠，其上面的升降螺母可以是導(dǎo)向塊沿升降桿上的鍵槽上、下滑動(dòng)。導(dǎo)向塊上面用小螺釘固定裝上一個(gè)小刻度盤(pán)3，在刻度盤(pán)3的外面用滾花手輪將角鐵的一端鎖緊在導(dǎo)向塊上。當(dāng)松開(kāi)滾花手輪時(shí)，角鐵以滾花手輪為軸，可以向順、逆時(shí)針兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)的角度用固定在角鐵上的

3、小指針在刻度盤(pán)3上指示出來(lái)。在角鐵的另一端固定安裝扇形刻度盤(pán)2，其上安裝著能順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)量指針，并在刻度盤(pán)2上指示出轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。當(dāng)支撐板指針、小指針和測(cè)量指針都處于0時(shí)，測(cè)量指針的前面和側(cè)面b、c垂直與支撐番的平面，而測(cè)量指針的底面a平行于支撐板的平面。測(cè)量車(chē)刀角度時(shí)，就是根據(jù)被測(cè)角度的需要，轉(zhuǎn)動(dòng)支撐板，同時(shí)調(diào)整支撐板上的車(chē)刀位置，再旋轉(zhuǎn)升降螺母使導(dǎo)向塊帶動(dòng)測(cè)量指針上升或下降而處于適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｈ缓笥脺y(cè)量指針的前面（或側(cè)面b、c或底面a）,與構(gòu)成被測(cè)角度的面或線緊密貼合，從刻度盤(pán)2上讀出測(cè)量指針指示的被測(cè)量角度數(shù)值。五、 實(shí)驗(yàn)方法及步驟：1） 校準(zhǔn)車(chē)刀測(cè)角儀的原始位置用車(chē)刀測(cè)角儀測(cè)量車(chē)刀的幾何

4、角度之前，必須先到測(cè)角儀的測(cè)量指針、小指針和支撐板指針全部調(diào)整到零位，然后將車(chē)刀平放在支撐板上，其側(cè)面緊緊貼導(dǎo)塊側(cè)面，我們稱(chēng)這種狀態(tài)下的車(chē)刀測(cè)角儀位置為測(cè)量車(chē)刀標(biāo)準(zhǔn)角度的原始位置。2） 主偏角Kr的測(cè)量從測(cè)量車(chē)刀標(biāo)注角度上的原始位置起，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)支撐板使車(chē)刀主刀刃和測(cè)量指針前面緊密貼合，此時(shí)支撐板指針在底盤(pán)上所指示的刻度數(shù)值，即為主偏角Kr數(shù)值。3） 刃傾角s的測(cè)量測(cè)完主偏角Kr之后，此時(shí)測(cè)量指針位于切削平面內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量指針使其下邊a與車(chē)刀主刀刃緊密貼合，則測(cè)量指針在刻度盤(pán)2上所指示的刻度數(shù)值，就是刃傾角s的數(shù)值。測(cè)量指針在0左邊為+s，指針在0右邊為-s。4） 副偏角Kr的測(cè)量參照測(cè)量主偏角

5、Kr的方法，逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)支撐板，使車(chē)刀副刀刃與測(cè)量指針的前面緊密貼合，此時(shí)支撐板指針在底盤(pán)上所指示的刻度數(shù)值即為副偏角Kr的數(shù)值。5） 前角0的測(cè)量前角0的測(cè)量是在主刀刃的主剖面內(nèi)進(jìn)行的，首先將車(chē)刀測(cè)角儀位于測(cè)量主偏角Kr的位置上，使支撐板逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90或使支撐板指針從底盤(pán)0刻度逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90- Kr刻度數(shù)值。此時(shí)，主刀刃在基面上的投影恰好垂直于測(cè)量指針前面，然后用測(cè)量指針底邊a與通過(guò)主刀刃上選定點(diǎn)的前刀面緊密貼合，則測(cè)量指針在刻度盤(pán)2上所指示的刻度數(shù)值，就是前角0的數(shù)值。測(cè)量指針在0右邊時(shí)為+0，測(cè)量指針在0左邊時(shí)為-0。6） 后角0的測(cè)量后角0的測(cè)量與前角0的測(cè)量都是在主刀刃的主截面內(nèi)進(jìn)

6、行的，因此在測(cè)量完前角之后支撐板不需要調(diào)整，只需平移導(dǎo)塊和車(chē)刀，使測(cè)量指針的側(cè)面c與通過(guò)主刀刃上選定點(diǎn)的后刀面緊密貼合，此時(shí)測(cè)量指針在刻度盤(pán)2上所指示的刻度值，就是后角0的數(shù)值，測(cè)量指針在0左邊為+0，測(cè)量指針在0右邊為-0。7） 法向前角n和后角n的測(cè)量測(cè)量法向前角n必須在測(cè)量Kr和s之后進(jìn)行。測(cè)量法向前角n是在主刀刃的法向剖面內(nèi)進(jìn)行的，所以必須使測(cè)量指針位于法向剖面內(nèi)，首先逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)支撐板90-Kr，使測(cè)量指針位置主刀刃的主截面內(nèi)，然后松開(kāi)滾花手輪，轉(zhuǎn)動(dòng)角鐵使小指針在刻度盤(pán)上指示刃傾角的角度值，（刃傾角為+s時(shí)，小指針指向0左邊，刃傾角為-s時(shí)，小指針指向0右邊。）此時(shí)測(cè)量指針，即位于主刀

7、刃的法剖面內(nèi)，然后再按如前所述測(cè)量前角0和后角0的方法，便可測(cè)量出車(chē)刀法向前角n和法向后角n的數(shù)值。8） 付后角0的測(cè)量付后角0的測(cè)量是在副刀刃的主剖面內(nèi)進(jìn)行的，所以首先使測(cè)量指針位于副刀刃的主截面內(nèi),其做法是將車(chē)刀測(cè)角儀位于測(cè)量Kr的位置,然后順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90使測(cè)量指針位于副刀刃的主剖面位置，然后用測(cè)量指針的剖面b和通過(guò)副刀刃上選定點(diǎn)的副后刀面緊密貼合,測(cè)量指針在刻度盤(pán)2上所指示的刻度值就是付后角0的數(shù)值。將測(cè)量結(jié)果Kr、Kr、 s、0、0、n、n、0記入實(shí)驗(yàn)報(bào)告表格中。六、 繪制外圓車(chē)刀和切斷刀的工作圖繪制車(chē)刀的工作圖時(shí)，應(yīng)使標(biāo)注的角度數(shù)量最少，并能完整地表達(dá)出車(chē)刀切削部分的形狀及尺寸，同時(shí)

8、要求所標(biāo)注的角度能反映刀具的切削特征，刀具工作圖除表明幾何參數(shù)以外，還需注明刀桿材料，切具切削部分材料，牌號(hào)及型號(hào)，表面光潔度要求，各主要參數(shù)公差等。繪制車(chē)刀工作圖的主要步驟如下：1） 首先畫(huà)出車(chē)刀的正視圖。2） 畫(huà)出車(chē)刀俯視圖。3） 過(guò)車(chē)刀主刃上某點(diǎn)畫(huà)出剖面。4） 過(guò)車(chē)刀副刀刃上某點(diǎn)畫(huà)出付剖圖。5） 畫(huà)出切削平面S向視圖。6） 標(biāo)注車(chē)刀主刀刃四個(gè)基本角度0、0、Kr、 s和付切削刃的基本角度Kr、 0，標(biāo)注刀桿尺寸及車(chē)刀主要技術(shù)要求等。此外，必要時(shí)應(yīng)畫(huà)出局部放大圖。七、 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1 實(shí)驗(yàn)前必須詳細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)說(shuō)明書(shū)，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，要求及方法? 測(cè)量車(chē)刀幾何角度時(shí)，要注意安全，同時(shí)主要愛(ài)護(hù)

9、刀具和測(cè)量?jī)x器，防止碰傷及損壞。3 車(chē)刀工作圖按1：1繪制。七 、車(chē)刀幾何角度參考圖另附車(chē)刀幾何角度參考圖如下: 實(shí)驗(yàn)二 切削力的測(cè)定與分析利用測(cè)力儀將切削力大小轉(zhuǎn)化為電阻應(yīng)變片的變形，該變形反映為電橋電壓的變化。通過(guò)標(biāo)定可以知道電流變化與切削力的關(guān)系，從而測(cè)出切削力。本實(shí)驗(yàn)主要分析切削深度ap和進(jìn)給量對(duì)切削力的影響，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以適當(dāng)處理得到切削力的經(jīng)驗(yàn)公式。利用該公式可以計(jì)算相同切削條件下（相同工件材料、刀具材料、刀具角度等），切削深度ap和進(jìn)給量變化時(shí)的切削力大小。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解車(chē)削測(cè)力儀（電阻式測(cè)力儀）的工作原理、調(diào)整及標(biāo)定方法。2. 研究切削深度ap和進(jìn)給量對(duì)車(chē)削力的影響

10、規(guī)律。3. 掌握單因素法測(cè)量切削力，了解正交實(shí)驗(yàn)法。4. 通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，建立主切削力（切向力）的經(jīng)驗(yàn)公式：同理可建立進(jìn)給力（軸向力）和背向力（徑向力）的經(jīng)驗(yàn)公式：二、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備1. CA6140型車(chē)床 1臺(tái)2. QB-07型雙平行八角環(huán)車(chē)削測(cè)力儀 1臺(tái)3. 數(shù)據(jù)采集卡 1塊4. 高速鋼車(chē)刀 1把5. 試件（中碳鋼棒料） 1件6. 卡尺 1把7. 雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙三、實(shí)驗(yàn)原理1. QB-07型雙平行八角環(huán)車(chē)削測(cè)力儀（電阻式測(cè)力儀）測(cè)力儀有兩種類(lèi)型，一種是電感式，一種是電阻式。電感式測(cè)力儀工作原理如下：切削力作用在刀頭上，刀頭與彈性體連接如圖1所示。在彈性體受切削力的三個(gè)分力方向上分別安裝三

11、個(gè)電感線圈，線圈兩端由電感測(cè)力儀電源箱提供一個(gè)固定的電壓。當(dāng)?shù)都馐艿角邢髁ψ饔脮r(shí)，線圈的間隙變化將使線圈周?chē)拇艌?chǎng)也發(fā)生變化，從而使通過(guò)線圈的磁通量變化，使線圈兩端的電壓發(fā)生變化。 圖1 電感測(cè)力儀示意圖 圖2 電橋接線圖 測(cè)力儀電源箱內(nèi)部裝有三個(gè)電橋與測(cè)力儀的三個(gè)電感線圈相對(duì)應(yīng)，每個(gè)電橋的接線圖如圖2所示。其中U為電橋電源，V為電感線圈產(chǎn)生的變化電壓，接于橋臂兩端。在一個(gè)橋臂上裝有可調(diào)電位器。測(cè)量前調(diào)節(jié)可變電位器，使電橋達(dá)到平衡。當(dāng)外部電壓發(fā)生變化時(shí)，電源箱上的三個(gè)微安表就會(huì)測(cè)出這個(gè)變化，電流的大小反映出切削力的大小。雙平行八角環(huán)作為彈性元件，在上環(huán)和下環(huán)的各個(gè)表面上，共粘貼著20片電阻應(yīng)變

12、片，可以組成三個(gè)電橋，分別測(cè)量Fz，F(xiàn)y，F(xiàn)x。（1）電路原理電阻式測(cè)力儀的基本原理是將切削力的大小轉(zhuǎn)換成電壓的大小。QB-07型雙平行八角環(huán)車(chē)削測(cè)力儀是一種車(chē)削測(cè)力儀。其工作原理是：測(cè)力儀的雙平行八角環(huán)是彈性元件，在環(huán)的內(nèi)壁上粘貼有電阻應(yīng)變片，并將這些電阻應(yīng)變片連接成三個(gè)電橋以分別測(cè)量三個(gè)方向的分力。車(chē)削時(shí)，車(chē)削力經(jīng)工件轉(zhuǎn)遞給車(chē)刀，再由車(chē)刀刀桿轉(zhuǎn)遞到八角環(huán)。八角環(huán)的變形使緊貼在其上的應(yīng)變片也隨之變形，從而電阻值發(fā)生變化。l 當(dāng)應(yīng)變片受拉伸變形時(shí)，應(yīng)變片變細(xì)，電阻增大（R+R）；l 當(dāng)應(yīng)變片受壓縮變形時(shí)，應(yīng)變片變粗，電阻減?。≧-R）；電阻的變化通過(guò)電橋表現(xiàn)為電橋電壓的變化。但是由于電阻變化很

13、小，所以電橋輸出電壓的變化也很小，還需要經(jīng)過(guò)放大。將電橋輸出的電信號(hào)接入CLS-1直流三線數(shù)字測(cè)力儀后，經(jīng)過(guò)放大可直接顯示切削力的數(shù)值。測(cè)力儀常用的電橋有等臂全橋和臥式半橋兩種形式（圖3）圖3 電橋形式圖3中a為由電阻應(yīng)變片所組成的電橋，R1、R2、R3、R4分別為四個(gè)電橋橋臂的電阻。當(dāng)A、C端加一定的橋壓U時(shí)，則B、D端的輸出電壓U由下式求得：U=U (1)由式（1）可知，當(dāng)R1R3=R2R4時(shí)，電橋輸出電壓為U=0，即電橋處于平衡，這就是在進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)前必須進(jìn)行的電橋平衡的調(diào)節(jié)工作。在切削力作用下，應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，破壞了電橋的平衡，若R1、R2、R3、R4分別產(chǎn)生R1、R2、R3、R

14、4的電阻變化，則由式（1）的電橋的輸出電壓為：U=U（-+-） (2) 由式（2）可以看出電橋的一個(gè)重要的性質(zhì)，當(dāng)電橋相鄰兩臂有符號(hào)相同的電阻變化時(shí)，電橋輸出電壓為兩橋電阻變化相減的結(jié)果。因此在測(cè)力儀接橋時(shí)，為使電橋有較大的輸出，則應(yīng)使電橋相鄰兩臂有符號(hào)相反的電阻變化，而相對(duì)兩臂有符號(hào)相同的電阻變化，這就是測(cè)力儀的布片與接橋原則。測(cè)力儀常用的電橋有等臂全橋（電橋由四個(gè)臂組成，R1=R2=R3=R4=R）及半橋（電橋由二個(gè)臂加上兩個(gè)固定電阻組成，R1=R2=R），如圖3所示。由式（2）兩種電橋的輸出電壓為：全橋：U=（R1-R2+R3-R4） （3）半橋：U=（R1-R2） （4）比較（3）和（

15、4）可知，當(dāng)R1=R3=+R；R2=R4=-R時(shí)，全橋的輸出為半橋的兩倍，也即全橋的靈敏度為半橋的兩倍。因此，為提高測(cè)力儀的靈敏度，即電橋有較大的輸出，應(yīng)盡可能采用等全臂全橋的測(cè)量電路。（2）布片與接橋QB-07型雙平行八角環(huán)測(cè)力儀的結(jié)構(gòu)如圖4，由上下兩個(gè)八角扁環(huán)（彈性體）組成，環(huán)的表面貼有20片電阻應(yīng)變片，聯(lián)成三個(gè)電橋，分別測(cè)量Fz（主切削力），F(xiàn)y（背向力或徑向力），F(xiàn)x（進(jìn)給力或軸向力）。QB-07型雙平行八角環(huán)測(cè)力儀的應(yīng)變片分布如圖5所示。用于測(cè)量Fz的電阻應(yīng)變片有Rz1、Rz2、Rz3、Rz4，組成的測(cè)量電橋如圖6（a）。圖6 接橋圖在Fz的作用下，Rz1、Rz3受拉，電阻增大（+R

16、z1，+Rz3）；下環(huán)受壓，電阻減?。?Rz2，-Rz4）此時(shí)U=（Rz1-z2+z3-z4）=，形成全橋電路，有較大輸出。符合布片與接橋原則。用于測(cè)量Fy的電阻應(yīng)變片有Ry1、Ry2 、Ry3、Ry4 、Ry5、Ry6、Ry7、Ry8，組成的測(cè)量電橋如圖6（b）。在背向力Fy的作用下，Ry1、Ry2 、Ry5、Ry6受拉，電阻增大（各為+R），Ry3、Ry4 、Ry7、Ry8受壓，電阻減小（各為-R）。同理符合布片與接橋原則。用于測(cè)量Fx的電阻應(yīng)變片有Rx1、Rx2 、Rx3、Rx4 、Rx5、Rx6、Rx7、Rx8，組成的測(cè)量電橋如圖6（c）。在進(jìn)給力Fx的作用下，Rx1、Rx2 、Rx5

17、、Rx6受拉，電阻增大（各為+R），Rx3、Rx4 、Rx7、Rx8受壓，電阻減?。ǜ鳛?R）。同理符合布片與接橋原則。測(cè)力儀的布片與接橋，還應(yīng)該考慮盡可能消除三個(gè)分力間的相互干擾，即每一個(gè)電橋的輸出電壓僅與被測(cè)量的切削力有關(guān)，而與其它兩個(gè)切削分力無(wú)關(guān)。如測(cè)量Fz時(shí)，電橋輸出U=（Rz1-z2+z3-z4）。在Fy作用下，Rz1、Rz2、Rz3、Rz4同時(shí)收壓縮變形，電阻減小，且減小的數(shù)值相等，從而不會(huì)導(dǎo)致測(cè)量Fz的電橋有電壓輸出。在Fx作用下，Rz1、Rz2受壓，Rz3、Rz4受拉，從而不會(huì)導(dǎo)致測(cè)量Fz的電橋有電壓輸出。同理可以證明三個(gè)方向的測(cè)量電橋互不干擾。2. 數(shù)據(jù)采集卡實(shí)驗(yàn)采用的是阿爾

18、泰科技公司的USB2010數(shù)據(jù)采集卡，用來(lái)實(shí)現(xiàn)把八角環(huán)測(cè)力儀得到的電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存和處理。USB2010數(shù)據(jù)采集卡的主要技術(shù)參數(shù)如下：（1）模擬信號(hào)輸入部分模擬通道輸入數(shù): 32路單端或16路雙端輸入模擬輸入電壓范圍：5V、10V、010V模擬輸入阻抗: 100M模擬輸入共模電壓范圍：2V（2）A/D轉(zhuǎn)換電路部分 A/D分辨率：12Bit(4096)非線性誤差：1LSB(最大)轉(zhuǎn)換時(shí)間：10us系統(tǒng)測(cè)量精度：0.1%A/D采樣通過(guò)率：100KHz3. 測(cè)力環(huán)（見(jiàn)附件） 4. 切削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)采集卡圖7 切削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理圖四、實(shí)驗(yàn)方法（1） 準(zhǔn)備工作1） 安裝工件，測(cè)力儀及車(chē)刀。注意刀尖伸出長(zhǎng)度應(yīng)與標(biāo)定時(shí)一致，并對(duì)準(zhǔn)工件中心高。將刀具角度填入表一中。2） 熟悉CA6140機(jī)床的操縱手柄及操作方法，注意安全實(shí)現(xiàn)。3） 確定實(shí)驗(yàn)條件（2） 切削實(shí)驗(yàn)用單因素