在切削實驗和生產(chǎn)中可以用測力儀測量切削力

1、機械制造工程學(xué)實 驗 指 導(dǎo) 書實 驗 報 告王慶明 許 虹 肖 民李 英 劉正道 陸科杰編 寫 班級： 姓名： 學(xué)號： 華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院機械制造及其自動化教研室實驗一切削力實驗1 實驗?zāi)康耐ㄟ^測量車削力，使學(xué)生掌握切削過程中切削力測量的基本方法，了解切削力的特性、影響因素以及對刀具、工件和切削過程的影響效應(yīng)。2 實驗設(shè)備、工件與刀具1 KBJM6132數(shù)控車床2 YDC-89A三向壓電車削測力儀。3 PCI-9118DG數(shù)據(jù)采集卡4 DIN-50S接口板及附件5 圓柱工件、外圓車刀、3 實驗原理切削力就是在切削過程中作用在刀具與工件上的力。它直接影響著切削熱的產(chǎn)生，并進(jìn)一步影響

2、著刀具的磨損、耐用度、加工精度和已加工表面質(zhì)量。在生產(chǎn)中，切削力又是計算切削功率、設(shè)計和使用機床、刀具、夾具的必要依據(jù)。在切削實驗和生產(chǎn)中，可以用測力儀測量。目前最常用的測力儀是電阻式測力儀和壓電式測力儀，本實驗采用后者方式。3.1.車削壓電式測力儀YDC-89A 三向壓電車削測力儀外型如圖 所示。圖1 YDC-89A 三向壓電車削測力儀該測力儀同一些必要的二次儀表組合在一起，可以完成切削力的靜、動態(tài)測試，從而使人們可以準(zhǔn)確而容易地獲得金屬切削加工中最重要的參數(shù)，既三維切削力?，F(xiàn)在，金屬切削理論的研究已由過去的靜態(tài)測量發(fā)展到動態(tài)測量，對測力儀有了更高的要求。YDC-89A 壓電式車削測力儀能以

3、其高剛度、高靈敏度、高固有頻率能很好地滿足靜、動態(tài)測試的要求，可測出任意方向力的三個相互正交的分量（Fx、Fy、 Fz）。3.2壓電石英晶體三維力傳感器原理壓電測力儀的工作原理是利用某些材料（石英晶體或壓電陶瓷等）的壓電效應(yīng)。在受力時，它們的表面將產(chǎn)生電荷，電荷的多少與所施加的壓力成正比而與壓電晶體的大小無關(guān)。用電荷放大器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓參數(shù)，從而可測出力的大小。圖2為單一壓電傳感器的原理圖。壓力F通過小球1及金屬薄片2傳給壓電晶體3。在壓電晶體之間有電極4，由壓力產(chǎn)生的負(fù)電荷集中在電極上，由絕緣的導(dǎo)體5導(dǎo)出。正電荷通過金屬片2或測力儀接地。由5輸出的電荷通過電荷放大器后由記錄儀記錄下來，按預(yù)

4、制的標(biāo)定圖就可知道切削力的大小。測力儀中沿F z，F(xiàn) x和F y三個方向都各自有傳感器，分別測出三個分力。圖2 壓電傳感器的原理圖近代常采用多向力傳感器，把幾個石英元件按次序機械地排列在一起。加在傳感器上的力作用在石英片上。由于石英晶體的切割方向選擇的不同，所以各受力方向上的靈敏性不同，故能分別測出各個切削分力。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3 壓電三分量傳感器3.3 YDC-89A三向壓電車削測力儀工作原理及特點（1）測力儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計YDC-89A 三向壓電車削測力儀是由一塊整體構(gòu)件與一個壓電石英晶體三維力傳感器構(gòu)成，見圖4。圖4 三向壓電車削測力儀結(jié)構(gòu)圖（2）測試原理如前所述,該測力儀主要是由二個壓

5、電式三維力傳感器組成的。由三維力傳感器的力學(xué)特性可知，該測力儀也具有將空間任何方向的力分解成三個相互正交的分力。根據(jù)需要，通過控制儀的剛度(由結(jié)構(gòu)尺寸決定)和預(yù)緊力的大小，可以設(shè)計出不同測力范圍和頻率范圍的測力儀。（3）特點該測力儀剛性好、固有頻率高、靈敏度高，線性和重復(fù)性好，滯后小，向間干擾均在5%以下，使用方便，便于操作。3.4 YDC-89A三向壓電車削測力儀靜、動態(tài)標(biāo)定簡介（1）靜態(tài)標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定的目的是為了獲得靜標(biāo)曲線，以便求得各項靈敏度、線性誤差、重復(fù)性誤差、向間干擾等靜態(tài)性能參數(shù)。靜態(tài)標(biāo)定在特制的三向加載器或車床上進(jìn)行。壓電系統(tǒng)在靜標(biāo)后得到的靈敏度事實上為測力儀歸一化靈敏度，所謂歸

6、一化，就是通過電路調(diào)節(jié),使示值與實際載荷值兩者間的有效數(shù)字達(dá)到一致。歸一化靈敏度除電路調(diào)節(jié)可得到外，還可通過計算得出，此時放大器靈敏度為10.0pc/kgf,輸出為l mv / kgf ×10，則歸一化靈敏度：Sq = 輸出電壓 / 載荷，經(jīng)“歸一化”后，可以直接從數(shù)字電壓表上讀取力值。被測力值 = 輸出電壓(mv) / 輸出增益檔級(mv/unit)×10，輸出增益一般取1 ,傳感器靈敏度倍率取10, 數(shù)字電壓表取5V 檔即可。（2）動態(tài)標(biāo)定測力儀的動態(tài)標(biāo)定，目前主要有激振法和鋼球沖擊法兩種,主要是用于求得頻率響應(yīng)曲線和固有頻率。動態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)框圖見圖5所示。2626(B&

7、amp;K)電荷放大器、HP5423A 結(jié)構(gòu)動態(tài)分析儀、HP9872 繪圖儀、MO-1251(Meguro)示波器。圖5 動態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)框圖由HP5423A 分析，經(jīng)HP9872 繪制可得到測力儀的幅頻特性曲線，從而求出測力儀三個方向的固有頻率。3.5基本測試系統(tǒng)（1）基本測試系統(tǒng)圖6為一個通用的測試系統(tǒng)框圖。圖6 測試系統(tǒng)框圖（2）電荷放大器的選擇為了保持靜態(tài)分量的穩(wěn)定性，特別為了靜標(biāo)需要，要求電荷放大器必須具有極高的輸入阻抗（>1013 ）、極低的下限頻率(<10-6Hz)和大的時間常數(shù)（>106s）。4 切削力測量實驗步驟4.1 Fx力的測量步驟1 ：按照圖接好連線。步驟

8、2： 調(diào)節(jié)電荷器。首先將電荷器的復(fù)位開關(guān)置于復(fù)位。接好地線，接入交流220V。打開電源開關(guān)預(yù)熱30分調(diào)零。步驟3：用螺栓將測力儀和安裝平面（如工作臺等）連接起來。步驟4： 開始測試。根據(jù)被測信號的大小和性質(zhì)，合理選擇電荷放大器的量程和檔位，以便提高測量精度和減少噪音。在測試過程中，嚴(yán)禁強烈碰撞測力儀或使其受到任何強烈沖擊。因為此類沖擊力可能超過測力范圍，而導(dǎo)致儀器的損壞。步驟5： 切削力動態(tài)測量顯示系統(tǒng)軟件的使用（1）在桌面上雙擊如下圖所示圖標(biāo)。進(jìn)入如下圖所示的切削力測試系統(tǒng)界面。此時回車，出現(xiàn)信號采集卡界面?；剀?，進(jìn)入切削力動態(tài)測量顯示系統(tǒng)。信號采集方式選擇如下：在“顯示方向”下選擇“X”

9、方向。單擊“開始”按鈕開始測量。 得到如下曲線在如下窗口中輸入文件名當(dāng)按“結(jié)束”命令按鈕后，將結(jié)束本次信號采集。如下圖所示。如果想查看高速采集信號，首先在桌面上雙擊如下所示圖標(biāo)。得到如下所示的界面在中，單擊“Browse”，選擇欲轉(zhuǎn)換得數(shù)據(jù)文件。注意，一定要選擇用高速采集方式得到的文件。按 將選定的文件讀入內(nèi)存。在中，單擊“Browse”，輸入要保存的文件名稱。按 開始轉(zhuǎn)換然后在菜單命令中，選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（2）數(shù)據(jù)與圖形處理a.執(zhí)行“時域處理”可以將測試過程所記錄的切削力與時間的數(shù)據(jù)保存起來，并轉(zhuǎn)換為其它數(shù)據(jù)格式。選擇平滑處理的點數(shù)選擇要進(jìn)行平滑處理的文件b.執(zhí)行“轉(zhuǎn)化為Excel格式”/“轉(zhuǎn)化

10、后打開Excel”請選擇欲轉(zhuǎn)換的文件選擇欲轉(zhuǎn)換的文件后，將看到如下信息框。當(dāng)按按鈕后，打開Excel，并出現(xiàn)如下信息框請保存Excel，然后按 按鈕。c. 執(zhí)行“轉(zhuǎn)化為Excel格式”/“轉(zhuǎn)化后不打開Excel”d. 執(zhí)行“顯示全程曲線“命令如果你沒有選取任何方向，你將看到如下信息框。但并不影響使用這個功能。建議你還是選取某個方向。當(dāng)選擇 ，出現(xiàn)如下信息框。選擇要打開的文件后，出現(xiàn)如下曲線圖此時在主界面顯示區(qū)的上方將出現(xiàn)有兩個水平滾動條，并在切削力與時間動態(tài)顯示曲線區(qū)顯示整個切削過程的曲線。拖動兩個水平滾動條，確定顯示的區(qū)間，松開鼠標(biāo)后，將出現(xiàn)如下放大圖，并問你是否保存。按 ，出現(xiàn)如下對話框。

11、輸入要保存文件名，進(jìn)行保存。e. 執(zhí)行“切削過程播放“命令出現(xiàn)如下對話框可根據(jù)需要選擇拓展名為*.dat,或*.txt的文件。選擇所要播放的文件后，出現(xiàn)播放界面。按 按鈕，開始播放，如下圖所示。在播放區(qū)域的上方有一個，你可以拖動滾動條改變顯示的速度。當(dāng)按時，可以將觀察的數(shù)據(jù)取平均值。過程播放的一個很重要的目的，就是將切削加工過程某一段關(guān)心的數(shù)據(jù)的值提取出來。因此，你可以綜合運用 、 、 三個按鈕，提取某個數(shù)據(jù)端的平均值并記錄下來。4.2. Fy力的測量與“4.1 Fx力的測量”類似，只需在“步驟5 切削力動態(tài)測量顯示系統(tǒng)軟件的使用“中將顯示方向由x方向改為y方向即可。4.3 Fz力的測量與“4

12、.1 Fx力的測量”類似，只需在“步驟5 切削力動態(tài)測量顯示系統(tǒng)軟件的使用”中將顯示方向由x方向改為z方向即可。實驗報告 一一 實驗?zāi)康亩?實驗中所用測力儀的基本工作原理三 切削力測力系統(tǒng)框圖四 實驗數(shù)據(jù)記錄總計采樣次數(shù)Fx最大值Fx穩(wěn)態(tài)值Fy最大值Fy穩(wěn)態(tài)值Fx最大值Fy穩(wěn)態(tài)值實驗二切削振動實驗一、實驗?zāi)康氖箤W(xué)生掌握切削過程中切削振動測量的基本方法，了解切削顫振的特性、影響因素以及對刀具、切削過程和已加工表面質(zhì)量的影響效應(yīng)，了解消振、減振主要方法。二、 實驗設(shè)備、工件與刀具1KBJM6132切削機床2TV300測振儀3測振探頭4CZ-4磁性吸座5工件、大主偏角外圓車刀、小主偏角外圓車刀三、實

13、驗原理3.1振動對切削過程的影響在切削中如果發(fā)生振動，由于振動的方向、振幅、頻率等，往往產(chǎn)生如下不良結(jié)果：（1）增大了已加工表面的粗糙度和波紋。（2）因崩刃而縮短了刀具耐用度。（3）損傷機床的傳動齒輪、軸承等。（4）因噪音而使作業(yè)環(huán)境惡化。（5）為防止振動而中斷作業(yè)，降低了生產(chǎn)效率。但從另一方面看，如果給以適當(dāng)?shù)恼駝?，可以周期性地在刀具前刀面和切屑之間產(chǎn)生縫隙，有利于潤滑，此時就產(chǎn)生下述優(yōu)點：（1）因不粘結(jié)積屑瘤而使已加工表面平滑。（2）因增大剪切角而減小了切削力。3.2 測振原理和測振系統(tǒng)3.2.1 TV300測振儀基本原理及主要技術(shù)參數(shù)：本試驗采用TV300測振儀，其測振原理是通過采用壓電

14、式加速度傳感器，把振動信號轉(zhuǎn)換成電信號。通過對輸入信號的處理分析，顯示出振動速度的有效值（均方根值）、位移峰一峰值、加速度峰值或?qū)崟r頻譜圖并可打印出相應(yīng)的測量值及頻譜圖。它不僅可以測量振動的加速度、速度、位移和轉(zhuǎn)速/固有頻率，而且還可以進(jìn)行簡易故障診斷和打印輸出。測量范圍 加速度：0.1 ms2392ms2（峰值）速 度：0.01 cm/s80cm/s（有效值）位 移：0.001 mm10mm（峰峰值）頻率范圍 加速度：10Hz200Hz 10Hz500Hz 10Hz1kHz 10Hz10kHz 速 度：10Hz1kHz 位 移：10Hz500Hz3.2.2 TV300測振儀主要特點:(1)

15、三種顯示方式：普通型、專用型、頻譜型；(2) 可測量加速度峰值、速度有效值和位移峰峰值，轉(zhuǎn)速和固有頻率；(3) 儀器能根據(jù)設(shè)定的警戒線繪制的柱狀圖；(4) 簡易故障診斷：當(dāng)被測量值超過報警值時，自動報警；并請求進(jìn)入頻譜測量狀態(tài)；(5) 與打印機連接，可打印測量數(shù)值和頻譜圖；(6) 與微機連接，可分析測量數(shù)值和頻譜圖（配合上位機軟件）；(7) 存儲功能：可存儲25 X 62（25個測點，各個62次）個測量結(jié)果及25幅頻譜圖；(8) 使用鋰電池，使用時間長、可即充即用、安全可靠（配有自動保護裝置）；(9) 有液晶背光，自動關(guān)機功能等。3.2.3 TV300測振儀的各部分名稱:圖1為1.主機 2.

16、探針組件 3. 長觸針 4. 測振探 5. 螺柱 6. 磁性吸座。根據(jù)不同的使用場合，可將傳感器置于握把內(nèi)和傳感器觸針連接或?qū)鞲衅髦苯优c磁性吸座連接進(jìn)行振動測量。圖1 測振儀的各部分名稱三、 實驗方法及步驟試驗分別針對數(shù)控機床空車運轉(zhuǎn)情況下的振動狀況和進(jìn)行實際切削情況下的振動狀況加以測試，并進(jìn)行兩種情形下的實驗結(jié)果對比。測試儀器的具體操作步驟如下：步驟一 按鍵開機。出現(xiàn)如下圖界面。使用上下選擇鍵選取測量點號。步驟二 將測振探頭輕輕的放在被測物體上。請一定要特別注意的是：由于探頭磁力很強，決不能將測振探頭直接放到被測物體上，這樣極容易損壞測振探頭。一定要先使測振探頭側(cè)面上的一點接觸被測物體，然

17、后慢慢的翻轉(zhuǎn)探頭使整個測振探頭與被測物體相接觸。步驟三 按鍵，測量開始(測量狀態(tài)呈滾動條顯示，表明測量的進(jìn)程)步驟四 按鍵，測量信號輸入結(jié)束。步驟五 使用左右選擇鍵 ，選取“分析”，按鍵。出現(xiàn)如下圖界面。步驟六 使用左右選擇鍵 ，選取“自動”，按鍵。 系統(tǒng)會自動分析出最大頻率，如下圖所示。步驟六 你也可以選取手動方式。首先，按返回鍵，使用左右選擇鍵 ，選取“手動”，按鍵，選去所要測的點，系統(tǒng)將分析出這一點的頻率。如下圖所示。實驗報告 二一 實驗?zāi)康亩?實驗中所用測振儀的基本工作原理三 實驗數(shù)據(jù)記錄及分析（數(shù)控機床空車運轉(zhuǎn)情況下和進(jìn)行實際切削情況下的振動頻率與幅值，對其進(jìn)行分析對比）。實驗三刀具

18、磨損實驗1實驗?zāi)康氖箤W(xué)生掌握切削過程中切削刀具磨損前后刀具各參數(shù)的測量方法，了解主要的刀具磨損類型的形貌、特性。2 實驗設(shè)備、工件與刀具1KBJM6132數(shù)控車床2JT12A-Z數(shù)字式投影儀3刀具，工件等3實驗原理本實驗利用JT12A-Z數(shù)字式投影儀來測量刀具磨損后的刀具參數(shù)變化和觀察刀具磨損、破損帶形貌。3.1投影儀工作原理 投影儀工作原理如圖3.1所示，被測件Y置于工作臺上，具有準(zhǔn)確放大率的物鏡O將被測件Y成放大實像Y于投影屏P上?？捎闷胀úＡС咧苯訙y量Y大小，也可與預(yù)先繪制好的標(biāo)準(zhǔn)放大圖樣比較測量，利用工作臺上的數(shù)字顯示系統(tǒng)直接對Y進(jìn)行測量。圖中S1、S2分別為透射和反射照明光源，K1、

19、K2為透射和反射聚光鏡，兩組照明可分別使用，也可同時使用，半透半反反光鏡L僅在反射照明時使用。圖3.1投影儀工作原理圖1投影箱 2投影屏 3旋轉(zhuǎn)手輪 4鎖緊手輪 6反射升降手柄 7鎖緊螺釘 8反射聚光鏡 9電源插座板 10工作臺升降手輪 11殼體 12數(shù)顯箱 13微型打印機 14工作臺 15物鏡 16零位指示板 17反射照明開關(guān) 18透射照明強弱光轉(zhuǎn)換開關(guān) 19透射照明開關(guān) 20電源開關(guān)圖3.2投影儀整體結(jié)構(gòu)圖 4 實驗步驟4.1投影儀測量方法概述 測量前應(yīng)仔細(xì)檢查儀器各部分位置的正確性，將被測件清洗干凈，選好物鏡照明方式，打開照明開關(guān)，即可進(jìn)行測量。(1) 利用工作臺縱、橫向讀數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行測量

20、 將工件被測尺寸調(diào)整到與工作臺移動方向平行，移動工作臺，使投影屏上的十字線對準(zhǔn)工件被測尺寸一端，X或Y置零，移動工作臺，使十字線對準(zhǔn)工件被測尺寸另一端，這時X或Y的值即為被測長度的實際值。(2) 用普通玻璃尺直接在投影屏上測量尺寸 用普通玻璃尺直接測量工件被放大后的影像尺寸除以所用物鏡的放大率，即為工件的實際尺寸。(3) 利用投影屏旋轉(zhuǎn)測量角度 先松開手輪4，旋轉(zhuǎn)投影屏2使其上刻線與零位指標(biāo)板16的刻線對齊，此時投影屏十字線與工作臺X、Y坐標(biāo)相平行。將工件放在工作臺適當(dāng)部位，轉(zhuǎn)動投影屏，使其上的十字線之一與被測角的一邊重合，數(shù)顯箱角度清零：然后再轉(zhuǎn)動投影屏并移動工作臺，使其另一邊重合。這時數(shù)顯箱上的角度顯示值為工件的實際角度， 投影屏上刻有30°、60°、90°刻線，對于這些特殊角，可直接進(jìn)行比較。此方法最為簡單、方便和常用。4.2刀具切削區(qū)磨損、破損部位的長度測量調(diào)節(jié)焦距使刀具切削區(qū)磨損、破損部位顯示清晰，然后按下列步驟操作：第一步：按 鍵進(jìn)入距離測量。第二步：移動工作臺把十字線中心定位在第一各樣點上。按 鍵，定位目標(biāo)點位置顯示在如下圖中，同時采樣點數(shù)減少1。第三步：移動工作臺將十字線中心定位在第二個點上。按鍵，距離圖形元素數(shù)值就立即顯示在數(shù)顯箱上。第四步：按“MORE”鍵, 可查看距離的其它信息。觀察磨