在切削实验和生产中,可以用测力仪测量切削力

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

班级：

姓名：

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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