金属切削实验技术

•粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，
产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度
自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法 称为应变片自补偿法。
3）热敏电阻补偿
R5 分流电阻
+
R1＋⊿R U R3
0
T
R2 Rt
U0 URt
+
Ui
Rt
R4 U0
-
U = Ui - URt
U0
向不同，可用在多向分力的测量而避免分力的相互干 扰。压电晶体传感器的测力仪性能良好，自振频率可 达3-10kHz，适用于要求严格的科研试验。压电晶体 测力仪用于静态力的测量时，力容易产生另点漂移。
压电晶体测力仪使用性能较好，但价格昂贵，且使用
维护要求严格，因此适合在要求较高的科研试验中使 用。
电阻应变片测力传感器在测力仪中使用广泛、车、
半导体应变片受轴向力作用时, 其电阻相对变化为
d dR R (1 2 )


半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：d E
式中： π——半导体材料的压阻系数;
σ——半导体材料的所受应力; E——半导体材料的弹性模量; ε——半导体材料的应变。
目前箔式应变片应用较多。
金属丝式应变片使用最早。金属丝式应变片蠕变较大，
金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格
便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。
当传感器的弹性体很薄、尺寸很小时，采用箔式应变 片会由于基底材料和粘结剂的存在而对传感器特性产生 不利影响，可采用薄膜式应变片。
测平均切削力，实际已经被淘汰。电容和电感测力仪 虽可用于测量切削力的瞬时变化值，但由于结构限制，
在测量多向切削分力时，特别是在切削力作用点位置
改变时（如铣削和磨削）测力仪结构复杂，因此这两 种传感器也不适用于切削力的测量。
压电晶体传感器因灵敏度高，受力变形小而被重
视。不同方向切片的石英晶体，产生电荷的力作用方
2、测力仪应有足够的刚度。在切削力作用下引起 的刀尖位置变化应极小，在工件—刀具—机床系统中不致 因加入测力仪而使原始切削过程改变。测力仪的静刚度
应大于1×m/N。
3、测力仪的动态性能要好，即测力仪要有较高的 自振频率，以便能测量动态切削力；测力仪的频率应是 切削力变化频率的5-10倍，如切削力变化频率为1000Hz， 测力仪的自振应是5-10kHz。动态性好的测力仪可以测 出切削力的瞬时变化值、
R
l
A
当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长Δl，横截面
积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素 影响而改变了Δρ，从而引起电阻值变化量为: R R R dR dl dA d l A
l ＝ dl 2 dA＋ d A A A
电阻相对变化量：

l
dR dl dA d R l A
1-2切削力测量的一般问题
一、对切削力测量和测力仪性能的基本要求 现代金属切削科学研究对切削力测量和测力仪性
能不断提出新的更高的要求。基本要求可归纳为下面几
方面。 1、测力仪应有足够的灵敏度，测力仪测力仪应能 清楚测出所测力的0.5%的变化。读数要求线性、受温度 干扰小、读数和记录应稳定可靠、重复性好。
μ为材料的泊松比， 负号表示与应变方向相反。
推得：
d dR R (1 2 )


定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应 变所引起的电阻相对变化量。其表达式为
d dR R 1 2 K0


实验证明，在金属电阻材料中，1+2μ＞＞
(dρ/ρ)/ε ，所以(dρ/ρ)/ε ，因而金属电阻材料的灵敏系
因此：
dR (1 2 E ) R
实验证明，在半导体材料中，πE比1+2μ大上百倍，
所以1+2μ可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为

dR K R E

根据应变力与应变的关系，得到应变力σ为
σ=E·ε
dR K R
由此可知, 应变力σ正比于应变ε, 而试件应变ε正比于电阻值 的变化, 所以应变力σ正比于电阻值的变化, 这就是利用应变
工件
2.刀具与切屑、工件表面
间的摩擦阻力。
二、研究切削力的意义
1、在切削过程中，切削力直接决定着切削热的产
生，并影响刀具磨损、破损、使用寿命、加工精
度和已加工表面质量。 2、在生产中，切削力又是计算切削功率，设计和 使用机床，刀具、夹具的必要依据。
三、切削分力
1、主切削Fz：在主运动方向上的分力；
-
+
-
二、电阻应变片的测量电路
直流电桥
R1 B R2 C R3 RL Io £ « Uo £ R4 D E
1. 直流电桥平衡条件
A
当RL→∞时，电桥输出电压为
R1 R3 Uo E R R R R 2 3 4 1
图3-9 直流电桥
当电桥平衡时，Uo=0，则有
求一定的实验技术。
测量切削力不仅使用标准的测力仪，还常需要 根据具体条件设计专用测力仪，因此设计测力仪
也成为测量切削力的重要内容。金属切削技术的
不断发展和研究工作的深化，已将动态切削力的 测量提上日程，故测力仪的动态特性已成为衡量 测力仪质量的重要指标，动态切削力的测量技术 也成为需要研究的重要实验技术。
E
dR K R
此处k为应变片的灵敏系数
一、电阻应变片的工作原理
应变
– 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象
弹性应变
– 当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的 应变
弹性元件
– 具有弹性应变特性的物体
应变传感器在承重梁上
电阻应变片的种类
电阻应变片品种繁多, 形式多样。
数为
dR K / (1 2 ) R
大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的 相对变化与应变成正比，即K为常数。
dR K R
半导体应变片
半导体应变片是用半导体材料制成的, 其工作原理是基 于半导体材料的 压阻效应 。所谓压阻效应，是指半导体材料
在某一轴向受外力作用时, 其电阻率ρ 发生变化的现象。
4、能同时测出各切削分力，各分力都应有足够的灵敏 度，各分力的相互干扰要小。例如车削测力仪要求同时 测出X,Y,Z三个方向的的切削分力，铣削测力仪要求同时 测出四向力（三个切削分力和扭矩）。有些切削测力仪 要求切削力作用点位置改变不影响测力结果，如铣削和 磨削测力仪 5、测力仪应结构简单，制造调试容易，使用维护方便， 能和标准的电放大器和记录器配套使用。 6、随着计算机应用的普遍性，已有和测力仪配套的微 型计算机（或单板机）的切削力采集和数据处理系统。
钻、铣、磨测力仪均有使用。这种传感器用于切削力
测量优点较多，灵敏度高、可测力的瞬时值、应用电 补偿原理易于消除各分力的相互干扰。测剪切和拉压 应变的测力仪的出现，使测力仪的刚度和自振频率都 提高了一个数量级，其动特性可与压电晶体测力仪相
抗衡。价格便宜、使用维护方便，易于制造特殊用途
的专用测力仪，可适用于多种用途的切削力的测量。
常用的应变片可分为两类: 金属电阻丝应变片和半导体
电阻应变片。
应变效应分析
电阻应变片的工作原理是基于应变效应
应变效应：即导体或半导体材料在外界力的作
用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，
这种现象称为“应变效应”。
l
l
F r
r
F
图3-1 金属电阻丝应变效应 一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：
不仅可测的切削力的瞬时值，且可根据需要直接得出 切削力的平均值、切削力的指数公式，并可在数据吃 力中消除各切削分力的相互干扰。由于对切削力测量 要求的提高，近年来对测力仪的动态特性进行了不少 研究，并提出一些改善测力仪动特性的方法。还有提 出用阻尼器扩大测力仪的测力频域范围，用加速度计 补偿测力时的动态误差等。这些方法是能够提高测力 水平，但应注意，测力动态误差的补偿，只是在高质 量测力仪上进行才有意义，因此提高测力仪本身的性 能，仍是提高切削力测量技术的关键.
式中：dl/l——长度相对变化量，用应变ε表示为：
dl l
dA/A——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电 阻丝的半径，微分后可得dA=2πr dr，则
dA dr 2 A r
材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长， 沿径向缩短。
轴向应变和径向应变的关系可表示为
dr dl r l
压电晶体测力仪和电荷放大器配套使用，现在国
内已有质量较好的电荷放大器产品。电荷放大器要求
非常高的输入阻抗和很高的绝缘电阻，因此使用必须 很仔细。
本文主要围绕压电式测力传感器和电阻应 变片式测力传感器进行说明。
1-3电阻应变片式测力传感器
使用电阻应变片作为测力传感器时，应变片贴在
测力仪的弹性变形原件上，切削力作用使变形原件变 形，贴在上面的应变片随切削力的变化而产生相应的 应变。用应变仪测出应变值，即可得知切削力数值。
金属切削实验技术之 切削力的测量
综述：切削力测量是金属切削研究中的重要实验技术。
不仅研究金属切削机理需要研究切削力的瞬时变化
值，制定切削用量和设计机床时需要切削力数据， 而且切削力是对切削过程进行进行自适应控制的参 数，是自动化加工中对切削过程进行监测的重要信 号。切削力的测量不仅需要高性能的测力仪。并要
R1R4=R2R3
或
R1 R3 R2 R4
电桥平衡条件：欲使电桥平衡， 其相邻两臂电阻的比值应相 等， 或相对两臂电阻的乘积应相等。
2. 电压灵敏度 应变片工作时：电阻值变化很小，电桥相应输 出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。 由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多， 所以此时仍视电桥为开路情况。