材料切削加工性能实验指导书
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数据采集流程（流程） 1）启动系统 2）进入设备配置
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机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
3）选择硬件并配置硬件 选择 WP-C401
4）测试硬件 5）确认设定（同时返回主界面） 6）选择恰当坐标设定（主界面右下角） 7）按“刷新”按钮确认坐标设定 8）按采集按钮 9）按“前进”、“后退”调整图形的时间方向 10）当采集完毕后按停止按钮 11）根据需要决定是否存盘。
认真阅读粗糙度样板的使用说明书，对同一零件的不同的三个部位进行测量，取平均。
对不同的材料进行粗车和精车到φ45×200，测量所获得的零件的表面粗糙度。然后将 10
号钢、45 号钢经过正火，T10 经过球化退火后，用同样的工艺参数进行加工，并测量所获
得的零件的表面粗糙度。将以上结果填入表 3-1 中。
三、用切削温度评定材料的切削性能
在相同切削条件下，凡切削温度较高的材料较难加工，即加工性差，反之，则加工性好。 （一）实验目的：
1. 掌握切削温度的测量方法； 2. 掌握材料的切削性能与切削温度的关系。
（二）实验原理 人工热电偶法：是将两种预先经过标定的金属组成热电偶，热电偶的热端焊接在刀具或
工件的预定要测量温度的点上，热电偶的冷端通过导线串联测温计上，测温计的信号由计算 机采集。
该实验的原理框图如下：
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机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
（三）实验内容及材料 选择不同强度的圆棒材料，在相同切削工艺参数下，进行粗车和精车，比较加工时
的切削温度。 （四）实验设备及仪器
普通车床、测温仪、硬质合金（或高速钢）车刀 （五）实验步骤：
z 认真阅读各种仪器的使用说明书； z 安装好刀具，调试好各种测量仪器； z 开动车床进行切削，并采集数据； z 停车、储存采样数据； z 更换不同材质的试棒， z 改变机床的参数，对上述试件进行车削，并采集数据； z 切断电源，清理实验现场； z 分析测量结果，写实验报告，并回答问题。 （六）测温软件使用说明：
z 桥压选择 可选 2 伏或 4 伏的电压；CS-1A 仪器后面板上桥压旋钮选择 2 伏或 4 伏。
建议用 2 伏. z 桥路的连接 使用 120 欧姆的应变片。（金属箔式电阻应变片 BE120 –5AA 型） z 桥盒连接如图
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机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
注意事项：实际测量是，应变片的连线、桥盒接线柱之间的短路线都要尽可能用烙 铁焊接。
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机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
而使电桥平衡破坏，此时因 R1·R3≠R2· R4 使 2、4 端有电压输出，即ΔU≠0。输出的 电压经动态应变仪放大，最后由信号采集仪输出。
信号采集仪输出的是与切削力大小呈线形关系的位移量，该位移量的大小反映了切 削力的大小，即用此位移量来评价材料切削性能指标。 (五) 实验步骤：
(五) 实验结果与分析
表 3-1 不同材料和热处理工艺下的表面粗糙度
材料及热处理 10
15Cr
45
65Mn
T10
10
45
T10
退火
退火
退火
调质
退火
正火
正火
球化退火
粗糙度 f=0.15,
ap=2
粗糙度 f=0.15,
ap=0.5
粗糙度
f=0.05,ap=0.5,
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机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
D 信号处理
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机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
点击当前显示文件，找到所需文件，点击时域绘图。观察结果。 (八) 实验结果与分析
表 3-2 同材料不同热处理工艺下的切削力
材料及热处理工艺
45 钢退火态
45 钢正火态
切削力（MPa）
45 钢淬火态
为什么同一种钢，不同的热处理工艺处理后，切削性能却有很大的不同？
机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
材能是指材料被切除多余部分获得合格零件的难易程度。因此，材料的切削 性能受到许多因素的影响，主要是工件材料的物理和机械性能、刀具材料及几何角度、切削 参数等。为了合理地评价材料的切削性能，通常用生产率和刀具的耐用度、最高切削速度、 表面粗糙度、断屑的难易、切削力的大小和切削温度的高低进行综合评定。在生产实际和试 验研究中，常常只取一项指标来反映材料性能某一方面。
本实验 2 学时。
一、用表面粗糙度评定材料的切削性能实验
(一) 实验目的
1．了解金属材料的概念及表示方法。
2．掌握材料切削性能分析的试验方法。
3．掌握材料的切削性能与表面粗糙度的关系。
4．掌握材料塑性与表面粗糙度的关系及改善切削性的工艺措施。
(二) 实验内容及材料
学会用粗糙度样板测量零件的表面粗糙度，选择具有不同塑性的圆棒材料，在相同切削
桥盒与应变片之间用屏蔽线，防止外部电磁干扰。
z 增益选择：所有测量通道桥路接好后，放大器置于“1”的位置，无桥路 接入的增益置于“0”位，开启电源。CS-1A 前面板的“增益选择”旋钮“1”或“0”
z 零点调平衡：将每通道的功能转换开关置于“测量”位置，按下自动平衡 按钮。
将电源通道上的公共“通道选择”开关置于相应的通道示数上，电源 通道上数字表基本为“0”时，表示对应通道处于平衡状态。或按下电源上总负零按钮。
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机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
z Vib’SYS 程序用到的文件及其扩展文件名约定：
文件扩展名
文件内容说明
.TIM
Vib’SYS 程序时域数据文件（时间单位：秒）
.FRQ
Vib’SYS 程序冯频域数据文件（频域单位：Hz）
.CALL
存对时域数据文件的标定值
.ASC
用于转出、转入 Vib’SYS 程序文件
z 按要求安装软件；首先，把 Vib’SYS 程序安装光盘插入光盘驱动器，然 后，直接运行 Vib’SYS 程序安装程序，安装程序在硬盘上缺损建立的文件子目录是， 用户可根据自己安排选择不同的磁盘符及子目录，然后把存储在光盘上的 Vib’SYS 程序按顺序分别安装到该子目录区的不同子目录内。
z 进入 Vib’SYS 程序，Vib’SYS 程序主界面及快捷键定义如图
1．普通车床； 2．动态应变仪 3．振动信号采集仪及分析软件 4．高速钢车刀 5．箱式电阻炉 (四) 实验原理 一般切削力越大，产生的切削热就多，刀具磨损也越快。所以，本项测试以切削力的作 为评判材料切削性能的指标。
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1. 测力系统的工作原理
机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
3-2 测力系统框图：
z 在车床上安装好试棒，测力仪及刀具； z 按实验原理框图安装连机，调试各部分仪器，并热机 10 分钟； z 开动车床进行切削，并采集数据； z 停车、储存采样数据； z 更换不同材质的试棒， z 改变机床的参数，对上述试件进行车削，并采集数据； z 切断电源，清理实验现场； z 写实验报告，并回答问题。 (六) 动态应变仪测量前的准备及调试 CS-1A 动态应变仪前、后面版如图
.TXT
存最大值、列表等（可用 Excel 调用）
.AD
存采集数据、经数据转换后存入时域数据文件
z 使用步骤：
A 设置示波通道等参数，检查是否有零点漂移。
检查零点幅值漂移是否太大。
B 建立信号采集存储文件名；设置有关参数数据采集。
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机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
建文件名；设置有关参数（采样频率、采集开始及结束通道、采集时间、示波频率及时 间）；点击采样清零；点击开始采样按钮。采样完毕后，点击转换数据按钮，进行数据转换。
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上图是采用电阻应变测力仪测量切削力的系统框图。其中，测力仪完成切削力与电 量之间的转换；动态应变仪为电桥提供电源并将测力仪输出的微小电量放大；振动信号 采集仪用做测量结果的记录。
2. 测力仪的构造及工作原理
（c） 上图为三向电阻应变式测力仪的构造，它主要包括：车刀、弹性元件、电阻应变仪、 测力仪本体等。图（a）为测力仪的外形，图(b)为弹性元件上电阻应变片的布片情况。 在弹性元件上粘贴有电阻应变片，他们按图（c）连接成电桥。电桥各臂的电阻为 R1·R3= R2· R4，则电桥平衡，2、4 端没有电压输出，即ΔU=0。切削时由于切削力使 弹性元件产生扭转变形，贴在弹性元件上的电阻应变片也随之变形，从而引起阻值变化。 上表面拉伸，应变片长度伸长，截面积缩小，阻值增大。下表面相反，阻值见减小。从
z 底通滤波器档位选择： 测量时为了滤除测量信号中不必要的频率分量，应将滤波器开关置于最高被测信号 频率 5~10 倍的截止频率处。 本实验截止频率为 1K。
z 量程的选择： 根据预计的应变产生值来放置增益开关的位置。 增益开关为“1”，若桥压为 2 伏，单只应变片产生 1μ时，输出约 6mV 峰值电 压。 增益开关为“1/2”，若桥压为 2 伏，单只应变片产生 1μ时，输出约 3mV 峰值 电压。 当连续信号测量时，若过荷灯亮了，则需将增益开关依次递减。 (七) 分析软件使用说分明 Vib’SYS 程序是在 PC 机 Windows 操作系统支持的专业振动信号采集、处理和分析 应用软件。 Vib’SYS 程序是用软件开发工具语言及汇编语言编制而成。
工艺参数下，进行粗车和精车，比较加工后的表面粗糙度大小。采用热处理工艺改善材料的
切削性能。所用材料为 10、15Cr、45 和 T10 圆棒钢，原始状态为退火态，65Mn（调质），
圆棒直径为 50mm,长 200mm。
(三) 实验设备及仪器
1．普通车床
2．粗糙度样板
3．硬质合金车刀
4．箱式电阻炉
(四) 实验步骤
(六) 思考题 1． 材料的塑性对加工表面的粗糙度有何影响？为什么？
2． 为什么 10 钢经过正火，T10 钢经过球化退火能改善材料的切削加工性能？通 常将这种热处理工艺安排在机械加工的什么工序？
二、用切削力评定材料的切削性能
(一) 实验目的 1．掌握切削力的测量方法； 2．掌握材料的切削性能与切削力的关系； 3．掌握材料强度与切削力的关系及改善切削性的工艺措施。
(二) 实验内容及材料 学会用电阻应变仪和动态应变仪测量切削力，选择具有不同强度的圆棒材料，在相同切
削工艺参数下，进行粗车和精车，比较加工后的表面粗糙度大小。采用热处理工艺改善材料 的切削性能。所用材料为 45 圆棒钢，原始状态为退火态，圆棒直径为 50mm,长 200mm。 (三) 实验设备及仪器
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机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
3）选择硬件并配置硬件 选择 WP-C401
4）测试硬件 5）确认设定（同时返回主界面） 6）选择恰当坐标设定（主界面右下角） 7）按“刷新”按钮确认坐标设定 8）按采集按钮 9）按“前进”、“后退”调整图形的时间方向 10）当采集完毕后按停止按钮 11）根据需要决定是否存盘。
认真阅读粗糙度样板的使用说明书，对同一零件的不同的三个部位进行测量，取平均。
对不同的材料进行粗车和精车到φ45×200，测量所获得的零件的表面粗糙度。然后将 10
号钢、45 号钢经过正火，T10 经过球化退火后，用同样的工艺参数进行加工，并测量所获
得的零件的表面粗糙度。将以上结果填入表 3-1 中。
三、用切削温度评定材料的切削性能
在相同切削条件下，凡切削温度较高的材料较难加工，即加工性差，反之，则加工性好。 （一）实验目的：
1. 掌握切削温度的测量方法； 2. 掌握材料的切削性能与切削温度的关系。
（二）实验原理 人工热电偶法：是将两种预先经过标定的金属组成热电偶，热电偶的热端焊接在刀具或
工件的预定要测量温度的点上，热电偶的冷端通过导线串联测温计上，测温计的信号由计算 机采集。
该实验的原理框图如下：
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机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
（三）实验内容及材料 选择不同强度的圆棒材料，在相同切削工艺参数下，进行粗车和精车，比较加工时
的切削温度。 （四）实验设备及仪器
普通车床、测温仪、硬质合金（或高速钢）车刀 （五）实验步骤：
z 认真阅读各种仪器的使用说明书； z 安装好刀具，调试好各种测量仪器； z 开动车床进行切削，并采集数据； z 停车、储存采样数据； z 更换不同材质的试棒， z 改变机床的参数，对上述试件进行车削，并采集数据； z 切断电源，清理实验现场； z 分析测量结果，写实验报告，并回答问题。 （六）测温软件使用说明：
z 桥压选择 可选 2 伏或 4 伏的电压；CS-1A 仪器后面板上桥压旋钮选择 2 伏或 4 伏。
建议用 2 伏. z 桥路的连接 使用 120 欧姆的应变片。（金属箔式电阻应变片 BE120 –5AA 型） z 桥盒连接如图
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机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
注意事项：实际测量是，应变片的连线、桥盒接线柱之间的短路线都要尽可能用烙 铁焊接。
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机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
而使电桥平衡破坏，此时因 R1·R3≠R2· R4 使 2、4 端有电压输出，即ΔU≠0。输出的 电压经动态应变仪放大，最后由信号采集仪输出。
信号采集仪输出的是与切削力大小呈线形关系的位移量，该位移量的大小反映了切 削力的大小，即用此位移量来评价材料切削性能指标。 (五) 实验步骤：
(五) 实验结果与分析
表 3-1 不同材料和热处理工艺下的表面粗糙度
材料及热处理 10
15Cr
45
65Mn
T10
10
45
T10
退火
退火
退火
调质
退火
正火
正火
球化退火
粗糙度 f=0.15,
ap=2
粗糙度 f=0.15,
ap=0.5
粗糙度
f=0.05,ap=0.5,
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D 信号处理
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机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
点击当前显示文件，找到所需文件，点击时域绘图。观察结果。 (八) 实验结果与分析
表 3-2 同材料不同热处理工艺下的切削力
材料及热处理工艺
45 钢退火态
45 钢正火态
切削力（MPa）
45 钢淬火态
为什么同一种钢，不同的热处理工艺处理后，切削性能却有很大的不同？
机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
材能是指材料被切除多余部分获得合格零件的难易程度。因此，材料的切削 性能受到许多因素的影响，主要是工件材料的物理和机械性能、刀具材料及几何角度、切削 参数等。为了合理地评价材料的切削性能，通常用生产率和刀具的耐用度、最高切削速度、 表面粗糙度、断屑的难易、切削力的大小和切削温度的高低进行综合评定。在生产实际和试 验研究中，常常只取一项指标来反映材料性能某一方面。
本实验 2 学时。
一、用表面粗糙度评定材料的切削性能实验
(一) 实验目的
1．了解金属材料的概念及表示方法。
2．掌握材料切削性能分析的试验方法。
3．掌握材料的切削性能与表面粗糙度的关系。
4．掌握材料塑性与表面粗糙度的关系及改善切削性的工艺措施。
(二) 实验内容及材料
学会用粗糙度样板测量零件的表面粗糙度，选择具有不同塑性的圆棒材料，在相同切削
桥盒与应变片之间用屏蔽线，防止外部电磁干扰。
z 增益选择：所有测量通道桥路接好后，放大器置于“1”的位置，无桥路 接入的增益置于“0”位，开启电源。CS-1A 前面板的“增益选择”旋钮“1”或“0”
z 零点调平衡：将每通道的功能转换开关置于“测量”位置，按下自动平衡 按钮。
将电源通道上的公共“通道选择”开关置于相应的通道示数上，电源 通道上数字表基本为“0”时，表示对应通道处于平衡状态。或按下电源上总负零按钮。
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机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
z Vib’SYS 程序用到的文件及其扩展文件名约定：
文件扩展名
文件内容说明
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Vib’SYS 程序时域数据文件（时间单位：秒）
.FRQ
Vib’SYS 程序冯频域数据文件（频域单位：Hz）
.CALL
存对时域数据文件的标定值
.ASC
用于转出、转入 Vib’SYS 程序文件
z 按要求安装软件；首先，把 Vib’SYS 程序安装光盘插入光盘驱动器，然 后，直接运行 Vib’SYS 程序安装程序，安装程序在硬盘上缺损建立的文件子目录是， 用户可根据自己安排选择不同的磁盘符及子目录，然后把存储在光盘上的 Vib’SYS 程序按顺序分别安装到该子目录区的不同子目录内。
z 进入 Vib’SYS 程序，Vib’SYS 程序主界面及快捷键定义如图
1．普通车床； 2．动态应变仪 3．振动信号采集仪及分析软件 4．高速钢车刀 5．箱式电阻炉 (四) 实验原理 一般切削力越大，产生的切削热就多，刀具磨损也越快。所以，本项测试以切削力的作 为评判材料切削性能的指标。
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1. 测力系统的工作原理
机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
3-2 测力系统框图：
z 在车床上安装好试棒，测力仪及刀具； z 按实验原理框图安装连机，调试各部分仪器，并热机 10 分钟； z 开动车床进行切削，并采集数据； z 停车、储存采样数据； z 更换不同材质的试棒， z 改变机床的参数，对上述试件进行车削，并采集数据； z 切断电源，清理实验现场； z 写实验报告，并回答问题。 (六) 动态应变仪测量前的准备及调试 CS-1A 动态应变仪前、后面版如图
.TXT
存最大值、列表等（可用 Excel 调用）
.AD
存采集数据、经数据转换后存入时域数据文件
z 使用步骤：
A 设置示波通道等参数，检查是否有零点漂移。
检查零点幅值漂移是否太大。
B 建立信号采集存储文件名；设置有关参数数据采集。
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机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
建文件名；设置有关参数（采样频率、采集开始及结束通道、采集时间、示波频率及时 间）；点击采样清零；点击开始采样按钮。采样完毕后，点击转换数据按钮，进行数据转换。
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上图是采用电阻应变测力仪测量切削力的系统框图。其中，测力仪完成切削力与电 量之间的转换；动态应变仪为电桥提供电源并将测力仪输出的微小电量放大；振动信号 采集仪用做测量结果的记录。
2. 测力仪的构造及工作原理
（c） 上图为三向电阻应变式测力仪的构造，它主要包括：车刀、弹性元件、电阻应变仪、 测力仪本体等。图（a）为测力仪的外形，图(b)为弹性元件上电阻应变片的布片情况。 在弹性元件上粘贴有电阻应变片，他们按图（c）连接成电桥。电桥各臂的电阻为 R1·R3= R2· R4，则电桥平衡，2、4 端没有电压输出，即ΔU=0。切削时由于切削力使 弹性元件产生扭转变形，贴在弹性元件上的电阻应变片也随之变形，从而引起阻值变化。 上表面拉伸，应变片长度伸长，截面积缩小，阻值增大。下表面相反，阻值见减小。从
z 底通滤波器档位选择： 测量时为了滤除测量信号中不必要的频率分量，应将滤波器开关置于最高被测信号 频率 5~10 倍的截止频率处。 本实验截止频率为 1K。
z 量程的选择： 根据预计的应变产生值来放置增益开关的位置。 增益开关为“1”，若桥压为 2 伏，单只应变片产生 1μ时，输出约 6mV 峰值电 压。 增益开关为“1/2”，若桥压为 2 伏，单只应变片产生 1μ时，输出约 3mV 峰值 电压。 当连续信号测量时，若过荷灯亮了，则需将增益开关依次递减。 (七) 分析软件使用说分明 Vib’SYS 程序是在 PC 机 Windows 操作系统支持的专业振动信号采集、处理和分析 应用软件。 Vib’SYS 程序是用软件开发工具语言及汇编语言编制而成。
工艺参数下，进行粗车和精车，比较加工后的表面粗糙度大小。采用热处理工艺改善材料的
切削性能。所用材料为 10、15Cr、45 和 T10 圆棒钢，原始状态为退火态，65Mn（调质），
圆棒直径为 50mm,长 200mm。
(三) 实验设备及仪器
1．普通车床
2．粗糙度样板
3．硬质合金车刀
4．箱式电阻炉
(四) 实验步骤
(六) 思考题 1． 材料的塑性对加工表面的粗糙度有何影响？为什么？
2． 为什么 10 钢经过正火，T10 钢经过球化退火能改善材料的切削加工性能？通 常将这种热处理工艺安排在机械加工的什么工序？
二、用切削力评定材料的切削性能
(一) 实验目的 1．掌握切削力的测量方法； 2．掌握材料的切削性能与切削力的关系； 3．掌握材料强度与切削力的关系及改善切削性的工艺措施。
(二) 实验内容及材料 学会用电阻应变仪和动态应变仪测量切削力，选择具有不同强度的圆棒材料，在相同切
削工艺参数下，进行粗车和精车，比较加工后的表面粗糙度大小。采用热处理工艺改善材料 的切削性能。所用材料为 45 圆棒钢，原始状态为退火态，圆棒直径为 50mm,长 200mm。 (三) 实验设备及仪器