切削力测量

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车削加工切削力测量实验
实验概述
切削过程中，会产生一系列物理现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等。

对切削加工过程中的切削力、切削温度进行实时测量，是研究切削机理的基本实验手段和主要研究方法。

通过对实测的切削力、进行分析处理，可以推断切削过程中的切削变形、刀具磨损、工件表面质量的变化机理。

在此基础上，可进一步为切削用量优化，提高零件加工精度等提供实验数据支持。

通过本实验可使同学熟悉制造技术工程中的基础实验技术和方法，理解设计手册中的设计参数的来由，在处理实际工程问题中能合理应用经验数据。

实验目的与要求
掌握车削用量υc、f、a p，对切削力及变形的影响。

理解切削力测量方法的基本原理、了解所使用的设备和仪器。

理解切削力经验公式推导的基本方法，掌握实验数据处理方法。

实验系统组成
实验系统由下列设备仪器组成
CA6140车床单元
3向切削力传感器单元
YD-15动态应变仪单元
计算机数据处理仪单元
DCI型电子秤或测力环
硬质合金外圆车刀单元
45号钢试件单元
3向切削力传感器结构与工作原理
图1 3向切削力传感器示意图
3向切削力传感器是一种以电阻式应变片为敏感元件的力传感器。

它具有八角扁环型结构（上下环）的弹性元件。

八角扁环是用整体钢材加工成八角状结构，从而避免接触面间的摩擦和螺钉夹紧的影响。

在八角状弹性元件的适当位置粘贴电阻应变片作为敏感元件。

弹性元件受力变形后，导致电阻应变片变形，引起电阻应变片的电阻值变化，见图1。

其电阻变化率△
R/R与应变△L/L有如下的线性关系：
△R/R=K0*△L/L=K0*ε
式中K o为电阻应变片的应变灵敏系数，一般K o=2.0~2.4；
ε—八角状弹性元件的应变。

由于应变片电阻的电阻变化率△R/R是很小的。

故此需外接电阻应变仪，将电阻应变片的微小变化量放大，进而转变成电流（电压）的变化量，形成电信号输出。

在电阻应变仪的输出端连接计算机数据处理仪，对此信号进行实时采样，A/D转换、形成数字数据流输出，存储，
形成实验数据的实时记录文档。

实验原理
图 2 外圆车削过程切削力示意图
车削工件时，车刀安装在3 向切削力传感器前端，可以将切削力传递给传感器的八角扁环。

切削力中的进给抗力分量F f 使八角环受到切向推力，切深抗刀分量F p 使八角状环受到压缩，主切削力分量F c 使八角环上面受拉伸下面受压缩。

对于这种不同的受力情况，在八角环上适当地布置应变片,就可在相互极小干扰的情况下分别测出各个切削分力。

实验系统调整
1、首先将试件夹固在车床夹盘上，并用尾座上的顶尖顶牢。

卸下原四方刀架，装上3 向切削力传感器。

2、将测量F c、F f、F p 的3 组应变片均按全桥接线，分别接到三个电桥盒上。

3、连接应变仪单元、计算机数据处理仪单元。

图2 车削切削力示意图
4、应变仪平衡调节：
1) 打开DY-15 型稳压电源开关，指示灯亮，观察面板上电压表，指针应定在24 伏上。

图 3 应变片连接示意图
2) 从YD-15 型应变仪的第一槽路开始，逐个观察输出表是否指零。

如果不指零，可调节“低阻基零”电位器，同时用万用表测量电压输出接线叉上的输出电压值。

如果不指零可调节“电压基零”电位器为之满足。

（一般正常情况下，该项已调好）。

3) 将衰减开关依次转动到“100”、“30”、“10”、“3”、“1”档逐次调零，同时转换“预静”开关预和静位置，分别调节“R”和“C”，调节到输出指示表在静和预都指零，此时电桥已经平衡。

5、调整计算机数据处理仪单元
1) 根据测量信号的大小选择应变仪上的“标定”应变尺度，选择数据处理仪的测量显示界面上“标定”功能按钮，记录下定标数据记录值。

2) 将应变仪“输出”开关扳到“测量”位置，选择数据处理仪的测量显示界面上“测量”功能按钮，数据应指示为零，并不应有变化，否则证明电桥不平衡，应重新调整应变仪使之平衡。

3) 根据测量信号的频率选择采样频率。

实验步骤
切削深度a p 对切削力的影响实验
在刀具几何角度和切削用量（υc、f）一定的条件下，只改变切深a p（如1、1.5、2、2.5mm），将所测得的切削力值填入实验报告的表1 中。

2、进给量f 对切削力的影响
在刀具几何角度和切削用量（υc、a p）一定的条件下，只改变进给量f（如0.1、0.2、0.3、0.4），将所测得的切削力值填入实验报告的表2 中。

3、切削速度υc 对主切削力F c 的影响
在刀具几何角度和切削用量（f、a p）一定的条件下，只改变车床主轴转速（如n=12.5、15、20、25、32、40、50、63、80、100、125、150、200、250、320），测出一系列相应的
F c值，填入实验报告的表3中，并在直角坐标纸上，按力和速度之关系画出F c-υc的曲线图。

实验报告内容
1．实验条件
车刀几何角度、试件材料、试件直径、实验切削用量
2．实验结果记录
切削深度υc对切削力的影响的实验结果、切削深度f对切削力的影响的实验结果、切削深度a p
对切削力的影响的实验结果
3．实验数据处理，建立切削力的经验公式
用双对数坐标法（作图法），也可用最小二乘法（计算法）用双对数坐标建立切削力的经验
公式
F c=C ap*a p*X Fc （式1）
F c=C f*fy*F c （式2）
两边取对数
lgF c=lgC ap+X Fc lg a p
lgF c=lgC f+Y Fc*lg f
实验数据推导切削力指数公式
这是直线方程（y=b+aX）。

lgC ap和lgC f为直线的截距b。

X Fc 和Y Fc为直线的斜率a。

当a p=1或f=1时，可得lgF c= lgC ap和lgF c= lgC f，即得C ap和C f。

X Fc 和Y Fc可有直线斜率（tg a）求得。

如测X Fc：
X Fc=tg a=AB/BC ，同理可求得Y Fc
将式1与式2合并，即得经验公式：
F c= C fc*a p XFc*f YFc （式3）
而C fc1= C f/ a p0 XFc C fz2= C ap/ f0 YFc
式中：f0 和a p0 是实验中已知数据。

C fc=（C fc1+ C fc2）/2。