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 王庆明 许 虹 肖 民 李 英 刘正道 陆科杰 编 写 班级: 姓名: 学号: 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-?89A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-?89A 三向压电车削测力仪外型如图 所示。 图1 YDC-?89A 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-?89A 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 ，F 和F 三个方向都各自有传感器，分zxy 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-?89A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-?89A 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-?89A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力的测量 x 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。 回车，进入切削力动态测量显示系统。 信号采集方式选择如下: 在“显示方向”下选择“X” 方向。单击“开始”按钮开始测量。 得到如下曲线 在如下窗口中输入文件名 当按“结束”命令按钮后，将结束本次信号采集。如下图所示。 如果想查看高速采集信号，首先在桌面上双击如下所示图标。 得到如下所示的界面 在 中，单击“Browse”，选择欲转换得数据文件。注意，一定要选择用高速采集方式得到的文件。 按 将选定的文件读入内存。 在 中，单击“Browse”，输入要保存的文件名称。 按 开始转换 然后在菜单命令中，选择数据转换 (2)数据与图形处理 a. 执行“时域处理” 可以将测试过程所记录的切削力与时间的数据保存起来，并转换为其它数据。 选择平滑处理的点数 选择要进行平滑处理的文件 b. 执行“转化为Excel格式”/“转化后打开Excel” 请选择欲转换的文件 选择欲转换的文件后，将看到如下信息框。 当按按钮后，打开Excel，并出现如下信息框 请保存Excel，然后按 按钮。 c. 执行“转化为Excel格式”/“转化后不打开Excel” d. 执行“显示全程曲线“命令 如果你没有选取任何方向，你将看到如下信息框。但并不影响使用这个功能。建议你 还是选取某个方向。 当选择 ，出现如下信息框。 选择要打开的文件后，出现如下曲线图 此时在主界面显示区的上方将出现有两个水平滚动条，并在切削力与时间动态显示曲线区显示整个切削过程的曲线。拖动两个水平滚动条，确定显示的区间，松开鼠标后，将出现如下放大图，并问你是否保存。 按 ，出现如下对话框。 输入要保存文件名，进行保存。 e. 执行“切削过程播放“命令 出现如下对话框 可根据需要选择拓展名为*.dat,或*.txt的文件。选择所要播放的文件后，出现播放界面。 按 按钮，开始播放，如下图所示。 在播放区域的上方有一个，你可以拖动滚动条改变显示的 速度。 当按时，可以将观察的数据取平均值。 过程播放的一个很重要的目的，就是将切削加工过程某一段关心的数据的值提取出来。 因此，你可以综合运用 、 、 三个按钮， 提取某个数据端的平均值并记录下来。 4.2. F力的测量 y 与“4.1 F力的测量”类似，只需在“步骤5 切削力动态测量显示系统软件的使用“中 x 将显示方向由x方向改为y方向即可。 4.3 Fz力的测量 与“4.1 F力的测量”类似，只需在“步骤5 切削力动态测量显示系统软件的使用”中x 将显示方向由x方向改为z方向即可。 实验 一 一 实验目的 二 实验中所用测力仪的基本工作原理 三 切削力测力系统框图 四 实验数据记录 Fx Fx Fy Fy Fx Fy 总计采样 最大值 稳态值 最大值 稳态值 最大值 稳态值 次数 实验二 切削振动实验 一、实验目的 使学生掌握切削过程中切削振动测量的基本方法，了解切削颤振的特性、影响因素以及对刀具、切削过程和已加工表面质量的影响效应，了解消振、减振主要方法。 二、 实验设备、工件与刀具 1(KBJM6132切削机床 2(TV300测振仪 3(测振探头 4(CZ-4磁性吸座 5(工件、大主偏角外圆车刀、小主偏角外圆车刀 三、实验原理 3.1振动对切削过程的影响 在切削中如果发生振动，由于振动的方向、振幅、频率等，往往产生如下不良结果: (1)增大了已加工表面的粗糙度和波纹。 (2)因崩刃而缩短了刀具耐用度。 (3)损伤机床的传动齿轮、轴承等。 (4)因噪音而使作业环境恶化。 (5)为防止振动而中断作业，降低了生产效率。 但从另一方面看，如果给以适当的振动，可以周期性地在刀具前刀面和切屑之间产生缝隙，有利于润滑，此时就产生下述优点: (1)因不粘结积屑瘤而使已加工表面平滑。 (2)因增大剪切角而减小了切削力。 3.2 测振原理和测振系统 3.2.1 TV300测振仪基本原理及主要技术参数: 本试验采用TV300测振仪，其测振原理是通过采用压电式加速度传感器，把振动信号转换成电信号。通过对输入信号的处理分析，显示出振动速度的有效值(均方根值)、位移峰一峰值、加速度峰值或实时频谱图并可打印出相应的测量值及频谱图。它不仅可以测量振动的加速度、速度、位移和转速/固有频率，而且还可以进行简易故障诊断和打印输出。 测量范围 加速度:0.1 m,s2,392m,s2(峰值) 速 度:0.01 cm/s,80cm/s(有效值) 位 移:0.001 mm,10mm(峰,峰值) 频率范围 加速度:10Hz,200Hz 10Hz,500Hz 10Hz,1kHz 10Hz,10kHz 速 度:10Hz,1kHz 位 移:10Hz,500Hz 3.2.2 TV300测振仪主要特点: (1) 三种显示方式:普通型、专用型、频谱型; (2) 可测量加速度峰值、速度有效值和位移峰峰值，转速和固有频率; (3) 仪器能根据设定的警戒线绘制的柱状图; (4) 简易故障诊断:当被测量值超过报警值时，自动报警;并请求进入频谱测量状态; (5) 与打印机连接，可打印测量数值和频谱图; (6) 与微机连接，可分析测量数值和频谱图(配合上位机软件); (7) 存储功能:可存储25 X 62(25个测点，各个62次)个测量结果及25幅频谱图; (8) 使用锂电池，使用时间长、可即充即用、安全可靠(配有自动保护装置); (9) 有液晶背光，自动关机功能等。 3.2.3 TV300测振仪的各部分名称: 图1为1.主机 2. 探针组件 3. 长触针 4. 测振探 5. 螺柱 6. 磁性吸座。 根据不同的使用场合，可将传感器置于握把内和传感器触针连接或将传感器直接与磁性吸座连接进行振动测量。 图1 测振仪的各部分名称 三、 实验方法及步骤 试验分别针对数控机床空车运转情况下的振动状况和进行实际切削情况下的振动状况加以测试，并进行两种情形下的实验结果对比。 测试仪器的具体操作步骤如下: 步骤一 按键开机。出现如下图界面。 使用上下选择键选取测量点号。 步骤二 将测振探头轻轻的放在被测物体上。请一定要特别注意的是:由于探头磁力很强，决不能将测振探头直接放到被测物体上，这样极容易损坏测振探头。一定要先使测振探头 侧面上的一点接触被测物体，然后慢慢的翻转探头使整个测振探头与被测物体相接触。步骤三 按键，测量开始(测量状态呈滚动条显示，表明测量的进程) 步骤四 按键，测量信号输入结束。 步骤五 使用左右选择键 ，选取“分析”，按键。出现如下图界面。 步骤六 使用左右选择键 ，选取“自动”，按键。 系统会自动分析出最大频率，如下图所示。 步骤六 你也可以选取手动方式。首先，按返回键，使用左右选择键 ，选取“手动”，按键，选去所要测的点，系统将分析出这一点的频率。如下图所示。 实验报告 二 一 实验目的 二 实验中所用测振仪的基本工作原理 三 实验数据记录及分析(数控机床空车运转情况下和进行实际切削情况下的振 动频率与幅值，对其进行分析对比)。 实验三 刀具磨损实验 1 实验目的 使学生掌握切削过程中切削刀具磨损前后刀具各参数的测量方法，了解主要的刀具磨损类型的形貌、特性。 2 实验设备、工件与刀具 1(KBJM6132数控车床 2(JT12A-Z数字式投影仪 300, 3(刀具，工件等 3 实验原理 本实验利用JT12A-Z,300数字式投影仪来测量刀具磨损后的刀具参数变化和观察刀具磨损、破损带形貌。 3.1投影仪工作原理 投影仪工作原理如图3.1所示，被测件Y置于工作台上，具有准确放大率的物镜O将被测件Y成放大实像Y,于投影屏P上。可用普通玻璃尺直接测量Y,大小，也可与预先绘制好的标准放大图样比较测量，利用工作台上的数字显示系统直接对Y进行测量。图中S1、S2分别为透射和反射照明光源，K1、K2为透射和反射聚光镜，两组照明可分别使用，也可同时使用，半透半反反光镜L仅在反射照明时使用。 图3.1 投影仪工作原理图 1(投影箱 2(投影屏 3(旋转手轮 4(锁紧手轮 6(反射 升降手柄 7(锁紧螺钉 8(反射聚光镜 9(电源插座板 10(工作台升降手轮 11(壳体 12(数显箱 13(微型打印机 14(工作台 15(物镜 16(零位指示板 17(反射照明开关 18(透射照明强弱光转换开关 19(透射照明开关 20(电源开关 图3.2 投影仪整体结构图 4 实验步骤 4.1投影仪测量方法概述 测量前应仔细检查仪器各部分位置的正确性，将被测件清洗干净，选好物镜照明方式，打开照明开关，即可进行测量。 (1) 利用工作台纵、横向读数系统进行测量 将工件被测尺寸调整到与工作台移动方向平行，移动工作台，使投影屏上的十字线对准工件被测尺寸一端，X或Y置零，移动工作台，使十字线对准工件被测尺寸另一端，这时X或Y的值即为被测长度的实际值。 (2) 用普通玻璃尺直接在投影屏上测量尺寸 用普通玻璃尺直接测量工件被放大后的影像尺寸除以所用物镜的放大率，即为工件的实际尺寸。 (3) 利用投影屏旋转测量角度 先松开手轮4，旋转投影屏2使其上刻线与零位指标板16的刻线对齐，此时投影屏十字线与工作台X、Y坐标相平行。将工件放在工作台适当部位，转动投影屏，使其上的十字线之一与被测角的一边重合，数显箱角度清零:然后再转动投影屏并移动工作台，使其另一边重合。这时数显箱上的角度显示值为工件的实际角度， 投影屏上刻有30?、60?、90?刻线，对于这些特殊角，可直接进行比较。此方法最为简单、方便和常用。 4.2刀具切削区磨损、破损部位的长度测量 调节焦距使刀具切削区磨损、破损部位显示清晰，然后按下列步骤操作: 第一步:按 键进入距离测量。 第二步:移动工作台把十字线中心定位在第一各样点上。按 键，定位目标点位置显示在如下图中，同时采样点数减少1。 第三步:移动工作台将十字线中心定位在第二个点上。按键，距离图形元素数值就立即显示在数显箱上。 第四步:按“MORE”键, 可查看距离的其它信息。 观察磨损、破损部位形貌。 4.3刀具几何角度测量及磨损、破损部位的角度测量 (1)角度测量的一般步骤 1) 通过测量一个角的两条边测量角度元素 2) 采集三个样点(其中第一个样点必为顶点)来测量角度元素。 第一步: 按键进入角度测量。 第二步:按键进入两线夹角测量。测量线需采样点数未2个，如果按 键可增加采样点，则按一次 键增加一个样点。 第三步:移动工作台，把投影屏上的十字中心闲对准第一条直线上的第一个样点，按键，其位置值显示在数显箱上。 第四步:移动工作台，把投影屏上的十字中心线对准第一条直线上的第二个样点，按键，其位置值显示在数显箱上。 第五步:按 键增加一个采样点。 第六步:按照第三、第四步骤的方法在角的第二条边上采集所有的样点。当采集的样点数达到要求的样点数时，角度元素将增加到暂存圆形元素列表中。 第七步:按数显箱LCD屏幕上显示的提示内容按键，投影仪上显示了<3和<4的值的大小，如图3所示 图3 显示示例 第八步:按键，显示如图4所示信息。该屏信息显示了角的顶点的坐标位置。 图4 显示示例 (2) 参照(1)的步骤，进行刀具前角、后角、主偏角的测量。 (3) 进行磨损带、破损裂纹的角度测量 4.4刀具磨损后刀尖圆弧的测量 圆可通过在圆周上采集3到50个样点来测量得。当使用随机采样点数模式时采样点数是由用户决定。一般地，三个点就可以求出圆的参敷，为精确测量，采集的样点数多于3个，且样点均匀分布在圆周上。 实验报告 三 一 实验目的 二 依据实验中所观察到的刀具磨、破损形貌以及对磨、破损有关参数的测量值， 绘出刀具磨破损状态示意图，标出有关尺寸数据。 三 刀具一旦发生磨、破损，对切削过程会产生什么影响,