實(shí)驗(yàn)二車削力的測量天津科技大學(xué)

1、12 實(shí)驗(yàn)二切削力的測量實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書切削力是影響機(jī)械加工質(zhì)量的主要因素之一，其大小和穩(wěn)定性很大程度上決定了零件表面質(zhì)量和刀具的壽命。本實(shí)驗(yàn)通過改變切削參數(shù)并測量車削加工中的切削力變化情況，建立車削力的經(jīng)驗(yàn)公式，從而在已知切削參數(shù)時(shí)可以定量的計(jì)算出相應(yīng)的切削力，便于進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私怆娮枋杰囅鳒y力儀的工作原理、調(diào)整及標(biāo)定方法。研究切削用量（切削速度進(jìn)給量/和背吃刀量a）對(duì)車削力的影響規(guī)律。cp通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，建立切削力的經(jīng)驗(yàn)公式。二、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備1.CA6140型車床1臺(tái)2.應(yīng)變式車削測力儀1臺(tái)3.DH3817動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀1臺(tái)4.外圓車刀2把5.試件（中碳鋼棒料）1件6.卡尺、鋼

2、板尺各1把7.雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙三、實(shí)驗(yàn)原理1.筋板式車削測力儀（電阻式測力儀）工作原理測力儀X向電感線圈的R2向電感線圈R可調(diào)電彳測力儀有兩種類型，一種是電感式，另一種是電阻式。電感式測力儀工作原理如下：切削力作用在刀頭上，刀頭與彈性體連接如圖2-1，2-2所示。在彈性體受切削力的三個(gè)分力方向上分別安裝三個(gè)電感線圈，線圈兩端由電感測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圍的磁場也發(fā)生變化，從而使通過線圈的磁通量變化，使線圈兩端的電壓發(fā)生變化。，每個(gè)電橋的接線圖如圖2-2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

3、器。測量前調(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)莒僑技咲飛測出這個(gè)變化，電流的大小反映出切削力的大小。4個(gè)筋板作為彈性元件，在上面、下面或者側(cè)面，共粘貼著8片電阻應(yīng)變片（應(yīng)變計(jì)），可以組成三個(gè)電橋（考慮應(yīng)變儀只有8個(gè)通道。若應(yīng)變儀通道增加，可適當(dāng)增加應(yīng)變片的數(shù)量），分別測量F,ZF，F(xiàn)。yx（1）電阻式測力儀的基本原理電阻式測力儀的基本原理是將切削力的大小轉(zhuǎn)換成電壓的大小來進(jìn)行測量的一種儀器。筋板式車削測力儀是一種車削測力儀。如圖2-4所示，其工作原理是：筋板式測力儀的安裝基座和刀座之間由4個(gè)相互垂直的彈性筋板連接（安裝基座和刀座相對(duì)剛性較大，一般不會(huì)變

4、形），在筋板的上面、下面或者側(cè)面粘貼有電阻應(yīng)變片，并將這些電阻應(yīng)變片連接成三個(gè)電橋以分別測量三個(gè)方向的切削分力。車削時(shí)，切削力經(jīng)工件轉(zhuǎn)遞給車刀，由車刀刀桿轉(zhuǎn)遞到刀座，再傳到筋板引起筋板變形，筋板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。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+AR）；當(dāng)應(yīng)變片受壓縮變形時(shí)，應(yīng)變片變粗，電阻減小（R-AR）。電阻的變化通過電橋表現(xiàn)為電橋電壓的變化。但是由于電阻變化很小，所以電橋輸出電壓的變化也很小，還需要經(jīng)過放大。將電橋輸出的電信號(hào)接入DH3817動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀后，經(jīng)過放大、標(biāo)定后，在文獻(xiàn)計(jì)算機(jī)上可直接顯示切削力的數(shù)值。測力儀常用的電橋有等臂

5、全橋和臥式半橋兩種形式（如圖2-3）12 # #12 # #12 #(2-2)圖2-3（a）為由電阻應(yīng)變片所組成的電橋，RrR2、R3、R分別為四個(gè)電橋橋臂的電阻。當(dāng)A、C端加一定的電壓切寸，貝岀、D端的輸出電壓/U由下式求得：.(2-1)RR_Rr；電橋形式AU=U（R+R（R+R）:-.-12347由式（2-1）可知，當(dāng)R1R3=R2R4時(shí)，電橋輸出電壓為力U=O,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R、R2、R3、R4分別產(chǎn)生AR、R2、/R3、/R4的電阻變化，貝I由式（2-1）的電橋的輸出電壓為

6、：RRAU=U12（ARARARAR）IRRRR丿1234由式（2-2）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，這就是測力儀的布片與接橋原則。（R+R）2測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）及臥式半橋（電橋由兩個(gè)臂加上兩個(gè)固定電阻組成，R1=R2=R），如圖2-3（b）所示。由式（2-2）兩種電橋的輸出電壓為：全橋：AU=（AR-AR+AR-AR）（2-3）4R1234半橋：AU

7、=4R(ARi-AR2)(2-4)12 # #比較（2-3）和（2-4）可知，當(dāng)AR=AR=+AR；AR=AR=-/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量電路。（2）布片與接橋筋板式車削測力儀的結(jié)構(gòu)如圖2-4，安裝基座和刀座之間由4個(gè)相互垂直的彈性筋板連接（安裝基座和刀座相對(duì)剛性較大，一般不會(huì)變形），其中，兩個(gè)筋板與/的方向相同，另外兩個(gè)筋板與的方向相同，在筋板的上面、下面或者側(cè)面粘貼有電阻應(yīng)變片，并將這些電阻應(yīng)變片連接成三個(gè)電橋以分別測量F（主切削力），F(xiàn)（背向力或徑向力），F(xiàn)（進(jìn)給力或軸向力）

8、。zyx12 # #12 # #圖2-6三向力接橋圖 # 筋板式車削測力儀的應(yīng)變片分布如圖2-6所示。用于測量巴的電阻應(yīng)變片有、Rz2、Rz3、R4,組成的測量電橋（全橋）如圖2-6（a）,這4個(gè)應(yīng)變片可以粘貼在筋板的某1方向的兩上、兩下。在巴的作用下，筋板下面的Rz1、Rz3受拉，電阻增大（+/Rz1，+ARz3）；筋板上面的Rz2、Rz4受壓，電阻減?。?/R2,-/R4）此時(shí)AU=U（AR-AR+AR-AR）/（4R），形成全橋電路，有較大輸出，符z2z4z1z2z3z4合布片與接橋原則。用于測量軸向力行的電阻應(yīng)變片有RR&組成的測量電橋如圖2-6（b）。兩個(gè)應(yīng)變片分別粘貼在x方向兩個(gè)筋

9、板的上表面。在進(jìn)給力耳的作用下，Rx1、受拉，電阻增大（各為+/R）,Rx2受壓，電阻減?。ǜ鳛?/R）。同理符合布片與接橋原則。用于測量徑向力的電阻應(yīng)變片有Rw、Ry2,組成的測量電橋如圖2-6。兩個(gè)應(yīng)變片分別粘貼在y方向兩個(gè)筋板的上表面。在背向力仆的作用下，Ry1、受拉，電阻增大（各為+/R），Ry3受壓，電阻減?。ǜ鳛?/R）。同理符合布片與接橋原則。測力儀的布片與接橋，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量的切削力有關(guān)，而與其它兩個(gè)切削分力無關(guān)。注：考慮應(yīng)變儀僅有8個(gè)通道，實(shí)際該測力儀在相間干擾方面還存在一定的誤差；若應(yīng)變儀通道增加，可將,行的測量均

10、改為全橋接線，適當(dāng)增加應(yīng)變片的數(shù)量，可以更好地減少該測力儀的相間干擾問題。2.DH3817動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀DH3817動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)是由應(yīng)變儀（數(shù)據(jù)采集箱）、微型計(jì)算機(jī)或者筆記本電腦及支持的軟件組成。其中DH3817應(yīng)變儀是核心，該儀器具有電源適配器、應(yīng)變測量的電橋盒、信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換等功能，直接連接微型計(jì)算機(jī)（PC機(jī)），通過支持的軟件可以進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集、記錄和處理等。（1）DH3817動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀的主要技術(shù)指標(biāo)1）供橋電壓：2V（DC）；2）采樣頻率：1、2、5、10、20、50、100、200Hz；3）示值分辨率：1圧（電壓輸入1yV）；4）A/D分辨率：14位；5）系統(tǒng)不確

11、定度不大于0.5%3陸；6）零漂：3圧/h（輸入端短路，最高靈敏度，恒溫）；7）自動(dòng)平衡范圍：10000陸（應(yīng)變計(jì)阻值誤差2%）；8）使用應(yīng)變計(jì)阻值：50100000任意設(shè)定；9）應(yīng)變計(jì)靈敏度系數(shù)：1.03.0自動(dòng)修正；10）電源：22010%，50Hz2%；11）使用環(huán)境：符合GB6587.1-86II組條件和環(huán)境。（2）DH3817動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀面板及功能 #圖2-7DH3817動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀面板示意圖DH3817動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀面板只有正面，如上圖所示。圖中A為滿度值指示燈；B為220V交流電電源插座；C為補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)接線端子；D為電源指示燈；E為外殼接地端子；F為電源開關(guān)；G為散熱風(fēng)扇；H為電壓

12、信號(hào)輸入端子；I工作指示燈，當(dāng)啟動(dòng)采樣時(shí)此燈亮；當(dāng)停止采樣時(shí)次燈熄滅；J為1394接口，該儀器采樣1394通訊線與計(jì)算機(jī)連接；K為通訊擴(kuò)展輸入插座；L為信號(hào)輸入接線端子;M為擴(kuò)展輸出插座。補(bǔ)償(3)測量系統(tǒng)(a)個(gè)橋廟變的連接(b)半橋應(yīng)變計(jì)的連接 # # # #圖2-9車削力測量系統(tǒng)圖圖2-9是車削測力儀測量系統(tǒng)圖。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將CA6140方刀架卸下，筋板車削測力儀通過4個(gè)螺釘安裝在固定方刀架的T形槽上，安裝時(shí)應(yīng)保證測力儀4個(gè)筋板的方向與車床軸向和徑向平行。測力儀引出線按圖2-8連接方式與DH3817應(yīng)變儀連接，應(yīng)變儀信號(hào)通過1394接口與微型計(jì)算機(jī)連接。計(jì)算機(jī)在Windows2000/XP環(huán)

13、境下安裝DHDAS-3817控制與分析軟件，就可以進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)。DHDAS-3817控制與分析軟件是用于DH3817動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀控制和信號(hào)測試分析的軟件系統(tǒng)，其主要功能是：參數(shù)設(shè)置模式（設(shè)置參數(shù)系統(tǒng)、通道參數(shù)等）、顯示模塊（光標(biāo)顯示、窗口顯示、圖形顯示等）、信號(hào)分析模塊（數(shù)據(jù)預(yù)處理、頻譜分析、頻響分析、統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)分析等）、傳感器標(biāo)定模塊（靜態(tài)標(biāo)定等）。該測量系統(tǒng)通過靜態(tài)標(biāo)定后，則可以進(jìn)行車削力的測量。由于DH3817是動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀，除了靜態(tài)切削力測量之外，該系統(tǒng)還可以進(jìn)行切削力的動(dòng)態(tài)測量實(shí)驗(yàn)和研究。關(guān)于DH3817動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀的操作詳見DH3817動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)使用說明書關(guān)于DHDAS

14、-3817控制與分析軟件的使用詳見DH3817動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)軟件使用手冊（4）測量系統(tǒng)的靜態(tài)標(biāo)定筋板式車削測力儀制作好之后，或者重新粘貼應(yīng)變片之后，必須要進(jìn)行標(biāo)定。一般是進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)儀器的連接與測量狀態(tài)一樣，如圖2-9。加載標(biāo)定方式如下：1）z向標(biāo)定：安裝與測力儀固定的加載架，加載架上有一套螺旋加載機(jī)構(gòu)，加載機(jī)構(gòu)通過標(biāo)準(zhǔn)測力環(huán)作用在標(biāo)定刀桿上，標(biāo)準(zhǔn)測力環(huán)的作用是讀出加載的大小。載荷等差遞增，加載45點(diǎn)（所加載荷范圍應(yīng)涵蓋估計(jì)的切削力變化范圍），每個(gè)載荷都有對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量，重復(fù)做34次，取平均值；載荷和應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系（曲線）即為標(biāo)定結(jié)果。2）x向標(biāo)定：不使用加載架，只要將標(biāo)準(zhǔn)測力環(huán)放在

15、車床三爪卡盤和標(biāo)定刀桿x向之間，移動(dòng)車床溜板箱上的橫向進(jìn)給手柄，即可加上載荷，加載時(shí)應(yīng)將縱向進(jìn)給小刀架鎖緊。每次讀數(shù)時(shí)應(yīng)穩(wěn)住車床箱，防止加載停止后自動(dòng)卸載，此外，加載點(diǎn)數(shù)和次數(shù)與z向標(biāo)定相同。3）y向標(biāo)定：不使用加載架，在車床安裝工件的位置裝夾一個(gè)剛性很好的短軸，前端用三爪卡盤夾緊，尾部用頂尖頂緊。將標(biāo)準(zhǔn)測力環(huán)放在工件和標(biāo)定刀桿的y向之間，移動(dòng)車床溜板箱上的縱向進(jìn)給手柄，即可加上載荷。加載時(shí)，應(yīng)將橫向進(jìn)給溜板鎖緊，防止橫向移動(dòng)。此外，加載點(diǎn)數(shù)和次數(shù)與z向標(biāo)定相同。車削力測量系統(tǒng)標(biāo)定曲線（關(guān)系）得到后，就可以進(jìn)行車削力測量實(shí)驗(yàn)。如果改變測力儀的位置和儀器的連接方式，要重新進(jìn)行系統(tǒng)的標(biāo)定。3.標(biāo)準(zhǔn)

16、測力環(huán)6下承壓座 #標(biāo)準(zhǔn)測力環(huán)的作用像砝碼一樣，是一種經(jīng)過計(jì)量部門認(rèn)證的測力裝置。如圖2-10所示，當(dāng)上、下承壓座受力時(shí)彈性體變形，支桿使杠桿向上擺動(dòng)而使百分表指針偏移，根據(jù)偏擺量可知力的大小。四、實(shí)驗(yàn)方法1.準(zhǔn)備工作(1)安裝工件，測力儀及車刀。注意刀尖伸出長度應(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1中。熟悉CA6140機(jī)床的操縱手柄及操作方法，注意安全操作。確定實(shí)驗(yàn)條件。2切削實(shí)驗(yàn)用單因素法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即在固定其它因素，只改變一個(gè)因素的條件下，測量出切削力。固定卩和/,依次改變a(在0.53mm范圍取5個(gè)數(shù)值)，進(jìn)行切削，將a和切削力的數(shù)值填cpp入實(shí)驗(yàn)報(bào)告表中。固定匕和知，依次

17、改變/(根據(jù)機(jī)床進(jìn)給量表，選取5個(gè)數(shù)值)進(jìn)行切削，將/和切削力的數(shù)值填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告表中。3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與切削力經(jīng)驗(yàn)公式的建立實(shí)驗(yàn)時(shí)固定切削速度(比如，取vc=50m/min),只改變背吃刀量偉和進(jìn)給量九已知計(jì)算主切削力的經(jīng)驗(yàn)公式為(2-5)(2-6)則lgF=lgC+Ylgf。z2FzlgF-lga,lgF-lgf的關(guān)系zpzF=CaXFzfYFzzFzp兩邊取對(duì)數(shù)。則有l(wèi)gF=lgC+Xlga+YlgfzFzFzpFz采用單因素法，若f=1,則lgF=lgC+Xlga；若a=1,z1Fzpp將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按lgF-lga,lgF-lgf逐點(diǎn)計(jì)入雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中。zpz近似于一條直線，所以有以下關(guān)系a

18、a(2-7)(2-8)X=tana=,Y=tana=2Fz1bFz2b12式(2-7)中竹，勺分別為=1，a=1兩種情況下對(duì)數(shù)坐標(biāo)上所描出直線與橫坐標(biāo)的夾角。lgF=lgC+Xlgaz1Fzp式(2-8)、式(2-9)可以寫成lgF=lgC+Ylgfz2FzF=CaXFzz1p(2-9)(2-10) # # # (2-11)Fz=C2fYFz系數(shù)C和(2是作=1皿皿及戶1mm/r時(shí)的F值。X砂匚從圖上可以求出。綜合式(2-10)、式(2-11)可得F=CaXFzfYFz(2-12)zFzp式中：CFz待定系數(shù)。式(2-11)應(yīng)分別滿足式(2-10)、式(2-11),即Fz=CaXFz1p=CaXFzfYFz(2-13)FzpF=CfYFz=CaXFzfYFz(2-14)z2Fzp由式(2-13)、式(2-14)得CCCC+CC=1,c-=2,=FzFz(2-15)FzfYFzFzaXFzFz2p則,實(shí)驗(yàn)得到的主切削力公式為：F=CaXFzfYFzzFzp #五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及要求1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器型號(hào)3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理刀具角度卩0表1刀具角度與切削