(生产管理知识)在切削实验和生产中,可以用测力仪测量切削力

机械制造工程学实验指导书实验报告

王庆明许虹肖民

李英刘正道陆科杰

编写

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华东理工大学机械与动力工程学院

机械制造及其自动化教研室

实验一切削力实验

1 实验目的

通过测量车削力，使学生掌握切削过程中切削力测量的基本方法，了解切削力的特性、影响因素以及对刀具、工件和切削过程的影响效应。

2 实验设备、工件与刀具

1．KBJM6132数控车床

2．YDC-Ⅲ89A三向压电车削测力仪。

3．PCI-9118DG数据采集卡

4．DIN-50S接口板及附件

5．圆柱工件、外圆车刀、

3 实验原理

切削力就是在切削过程中作用在刀具与工件上的力。它直接影响着切削热的产生，并进一步影响着刀具的磨损、耐用度、加工精度和已加工表面质量。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。

在切削实验和生产中，可以用测力仪测量。

目前最常用的测力仪是电阻式测力仪和压电式测力仪，本实验采用后者方式。

3.1.车削压电式测力仪

YDC-Ⅲ89A 三向压电车削测力仪外型如图所示。

图1 YDC-Ⅲ89A 三向压电车削测力仪

该测力仪同一些必要的二次仪表组合在一起，可以完成切削力的静、动态测试，从而使人们可以准确而容易地获得金属切削加工中最重要的参数，既三维切削力。现在，金属切削理论的研究已由过去的静态测量发展到动态测量，对测力仪有了更高的要求。YDC-Ⅲ89A 压电式车削测力仪能以其高刚度、高灵敏度、高固有频率能很好地满足静、动态测试的要求，

可测出任意方向力的三个相互正交的分量（Fx、Fy、Fz）。

3.2压电石英晶体三维力传感器原理

压电测力仪的工作原理是利用某些材料（石英晶体或压电陶瓷等）的压电效应。在受力时，它们的表面将产生电荷，电荷的多少与所施加的压力成正比而与压电晶体的大小无关。用电荷放大器转换成相应的电压参数，从而可测出力的大小。

图2为单一压电传感器的原理图。压力F通过小球1及金属薄片2传给压电晶体3。在压电晶体之间有电极4，由压力产生的负电荷集中在电极上，由绝缘的导体5导出。正电荷通过金属片2或测力仪接地。由5输出的电荷通过电荷放大器后由记录仪记录下来，按预制的标定图就可知道切削力的大小。测力仪中沿F z，F x和F y三个方向都各自有传感器，分别测出三个分力。

图2 压电传感器的原理图

近代常采用多向力传感器，把几个石英元件按次序机械地排列在一起。加在传感器上的力作用在石英片上。由于石英晶体的切割方向选择的不同，所以各受力方向上的灵敏性不同，故能分别测出各个切削分力。其结构如图3所示。

图3 压电三分量传感器

3.3 YDC-Ⅲ89A三向压电车削测力仪工作原理及特点

（1）测力仪的结构设计

YDC-Ⅲ89A 三向压电车削测力仪是由一块整体构件与一个压电石英晶体三维力传感

器构成，见图4。

图4 三向压电车削测力仪结构图

（2）测试原理

如前所述,该测力仪主要是由二个压电式三维力传感器组成的。由三维力传感器的力学特性可知，该测力仪也具有将空间任何方向的力分解成三个相互正交的分力。根据需要，通过控制仪的刚度(由结构尺寸决定)和预紧力的大小，可以设计出不同测力范围和频率范围的测力仪。

（3）特点

该测力仪刚性好、固有频率高、灵敏度高，线性和重复性好，滞后小，向间干扰均在5%以下，使用方便，便于操作。

3.4 YDC-Ⅲ89A三向压电车削测力仪静、动态标定简介

（1）静态标定

静态标定的目的是为了获得静标曲线，以便求得各项灵敏度、线性误差、重复性误差、

向间干扰等静态性能参数。静态标定在特制的三向加载器或车床上进行。压电系统在静标后得到的灵敏度事实上为测力仪归一化灵敏度，所谓归一化，就是通过电路调节,使示值与实际载荷值两者间的有效数字达到一致。

归一化灵敏度除电路调节可得到外，还可通过计算得出，此时放大器灵敏度为10.0pc/kgf,输出为l mv / kgf ×10，则归一化灵敏度：Sq = 输出电压/ 载荷，经“归一化”后，可以直接从数字电压表上读取力值。

被测力值= 输出电压(mv) / 输出增益档级(mv/unit)×10，输出增益一般取1 ,传感器灵敏度倍率取10, 数字电压表取5V 档即可。

（2）动态标定

测力仪的动态标定，目前主要有激振法和钢球冲击法两种,主要是用于求得频率响应曲线和固有频率。

动态标定系统框图见图5所示。2626(B&K)电荷放大器、HP5423A 结构动态分析仪、HP9872 绘图仪、MO-1251(Meguro)示波器。

图5动态标定系统框图

由HP5423A 分析，经HP9872 绘制可得到测力仪的幅频特性曲线，从而求出测力仪三个方向的固有频率。

3.5基本测试系统

（1）基本测试系统

图6为一个通用的测试系统框图。

图6测试系统框图

（2）电荷放大器的选择

为了保持静态分量的稳定性，特别为了静标需要，要求电荷放大器必须具有极高的输入阻抗（>1013 Ω）、极低的下限频率(<10-6Hz)和大的时间常数（>106s）。

4 切削力测量实验步骤

4.1 F x力的测量

步骤1 ：按照图接好连线。

步骤2：调节电荷器。首先将电荷器的复位开关置于复位。接好地线，接入交流220V。打开电源开关预热30分调零。

步骤3：用螺栓将测力仪和安装平面（如工作台等）连接起来。

步骤4：开始测试。

根据被测信号的大小和性质，合理选择电荷放大器的量程和档位，以便提高测量精度和减少噪音。

在测试过程中，严禁强烈碰撞测力仪或使其受到任何强烈冲击。因为此类冲击力可能超过测力范围，而导致仪器的损坏。

步骤5：切削力动态测量显示系统软件的使用

（1）在桌面上双击如下图所示图标。

进入如下图所示的切削力测试系统界面。

此时回车，出现信号采集卡界面。