车削加工切削力测量实验报告书(附指导书)

车削加工切削力测量实验报告书

学 号 姓 名 小 组 时 间

成 绩

上海大学 生产工程实验中心

2014-11

一．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。 二．实验目的与要求

1. 掌握车削用量υc、f、ap，对切削力及变形的影响。 2. 了解刀具角度对切削力及变形的影响。

3. 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。 4. 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。 三．实验系统组成

实验系统由下列设备仪器组成 1、微型数控车床KC0628S 2、车床测力刀架系统（图1），包括 （1）车削测力刀架 （2）动态应变仪 （3）USB数据采集卡 （4）台式计算机

虚拟仪器 USB数采器 台式计算机 USB线

测力刀架 图1

放大器 微型车床

四、实验数据记录与数据处理

1. 切削力测量记录表1

工件材料 实副后验刀 结构 条具 件 外圆车刀 序转速切削速度(m/min) 切削深度(mm) 进给 量材料 规格 前角后角 角角 角 角 主偏副偏刃倾 工件直径 0 0 0 r r s 主切削力Fc (N) 背向力Fp (N) 号 (rpm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0

(mm/r)

1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6

2. 请按指数规律拟合主切削力或背刀力和切削深度、进给量的关系，建立切削力的经验公式。

答：（请将数据处理过程写于此处）

附录：车削加工切削力测量实验指导书

一. 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。 二. 实验目的与要求

5. 掌握车削用量υc、f、ap，对切削力及变形的影响。 6. 了解刀具角度对切削力及变形的影响。

7. 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。 8. 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。 三. 实验系统组成

实验系统由下列设备仪器组成 1. 微型数控车床KC0628S

2. 车床测力刀架系统（图1），包括： （1）车削测力刀架 （2）动态应变仪 （3）USB数据采集卡 （4）台式计算机

图1 实验系统

3.三向切削力传感器结构与工作原理

三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2。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Ko为电阻应变片的应变灵敏系数，一般Ko=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。

图2 三向切削力传感器示意图

四. 实验原理

1．切削力测量

车削工件时，车刀安装在三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Ff使八角环受到切向推力，切深抗刀分量Fp使八角状环受到压缩，主切削力分量Fc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。

图3 外圆车削过程切削力示意图

2．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，装上三向切削力传感器。

2）将测量Fc、Ff、Fp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。 4）应变仪平衡调节：

（1）打开YD-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。 （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

图4应变片连接示意图

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。

五．实验方法和步骤 1. 测力装置的安装

（1）拆下原机床上的回转刀架。

（2）装上测力刀架，调节刀尖高度，使刀尖和机床中心等高。 （3）连接测力刀架和放大器、USB数据采集卡和台式计算机。 2. 检查系统

（1）启动计算机、打开测力刀架和运动控制器电源。

（2）在计算机上运行LabView切削力虚拟仪器。在刀尖处加一水平力，观察虚拟仪器显示的切削力波形及其数据的变化。

（3）数控车床上电，检查操控面板、主轴、拖板运动等各项功能是否正常。

3. 在数控操控面板上输入外圆加工程序，在没有工件的条件下试运行一次，确保程序、走刀轨迹无误。

4. 用三爪卡盘和顶尖装夹一根φ20×200左右的棒材，用较小的切削深度（ap<0.3mm）和进给量光车外圆，消除棒材形状误差。

5. 在控制面板上，设置主轴转速、进给量、和切削深度，启动外圆车削，记录实验条件和主切削力Fc、背刀力Fp。

6. 调节进给量和切削深度，重复上述至少记录10组外圆车削时的主切削力、背刀力数据。 7. 清理、复原系统

六．实验数据记录与数据处理 1．切削速度υc对主切削力Fc的影响

在刀具几何角度和切削用量（f、ap）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Fc值，填入实验报告的表1中，并在直角坐标纸上，按力和速度之关系画出Fc-υc的曲线图。

2．切削深度ap对切削力的影响

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ap（如1、1.5、2、2.5mm），将所测得的切削力值填入实验报告的1表中。 3．进给量f对切削力的影响

在刀具几何角度和切削用量（υc、ap）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1中。

七. 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

1）切削速度υc对主切削力Fc的影响实验结果记录，并在直角坐标纸上，按力和速度之关系画出Fc-υc的曲线图。

2）切削深度ap对切削力的影响实验结果记录 3）进给量f对切削力Fc的影响实验结果记录 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

FcCap*apXFc （式1）

FcCf*f两边取对数

YFc （式2）

lgFclgCapXFc*lgap

lgFclgCfYFc*lgf

实验数据推导切削力指数公式

这是直线方程（y=b+aX）。lgCap和lgCf为直线的截距b。XFc 和YFc为直线的斜率a。当ap=1或f=1时，可得lgFc= lgCap和lgFc= lgCf，即得Cap和Cf。XFc 和YFc可有直线斜率（tga）求得。如测XFc：

XFc=tga=AB/BC ， 同理可求得YFc 将式1与式2合并，即得经验公式：

Fc= Cfc*ap XFc*fYFc （式3）

而Cfc1= Cf/ ap0 XFc Cfc2= Cap/ f0 YFc

式中：f0 和ap0 是实验中已知数据。Cfc=（Cfc1+ Cfc2）/2