在切削实验和生产中可以用测力仪测量切削力16248.docx

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1、机械制造造工程学学实 验 指 导导 书实验报告告王庆明 许许 虹 肖肖 民民李 英刘刘正道陆陆科杰编 写写班级：姓名：学号：华东理工工大学机机械与动动力工程程学院机械制造造及其自自动化教教研室实验一切削力力实验1 实验目的的通过测量量车削力力，使学生生掌握切切削过程程中切削削力测量量的基本本方法，了了解切削削力的特特性、影影响因素素以及对对刀具、工工件和切切削过程程的影响响效应。2 实验设备备、工件件与刀具具1 KBJMM61332数控控车床2 YDC-89AA三向压压电车削削测力仪仪。3 PCI-91118DGG数据采采集卡4 DIN-50SS接口板板及附件件5 圆柱工件件、外圆圆车刀、3

2、实验原理理切削力就就是在切切削过程程中作用用在刀具具与工件件上的力力。它直直接影响响着切削削热的产产生，并并进一步影响响着刀具具的磨损损、耐用用度、加加工精度度和已加加工表面面质量。在在生产中中，切削削力又是是计算切切削功率率、设计计和使用用机床、刀刀具、夹夹具的必必要依据据。在切削实实验和生生产中，可可以用测测力仪测测量。目前最常常用的测测力仪是是电阻式式测力仪仪和压电电式测力力仪，本本实验采采用后者者方式。3.1.车削压压电式测测力仪YDC-89AA三向压压电车削削测力仪仪外型如如图所示示。图1 YDCC-89AA三向压压电车削削测力仪仪该测力仪仪同一些些必要的的二次仪仪表组合合在一起起，

3、可以以完成切切削力的的静、动动态测试试，从而而使人们们可以准准确而容容易地获获得金属属切削加加工中最最重要的的参数，既既三维切切削力。现现在，金金属切削削理论的的研究已已由过去去的静态态测量发发展到动动态测量量，对测测力仪有有了更高高的要求求。YDDC-89AA压电式式车削测测力仪能能以其高高刚度、高高灵敏度度、高固固有频率率能很好好地满足足静、动动态测试试的要求求，可测测出任意意方向力力的三个个相互正正交的分分量（FFx、Fy、 Fz）。3.2压压电石英英晶体三三维力传传感器原原理压电测力力仪的工工作原理理是利用用某些材材料（石石英晶体体或压电电陶瓷等等）的压压电效应应。在受受力时，它它们的

4、表表面将产产生电荷荷，电荷荷的多少少与所施施加的压压力成正正比而与与压电晶晶体的大大小无关关。用电电荷放大大器转换换成相应应的电压压参数，从从而可测测出力的的大小。图2为单单一压电电传感器器的原理理图。压压力F通过小小球1及及金属薄薄片2传传给压电电晶体33。在压压电晶体体之间有有电极44，由压压力产生生的负电电荷集中中在电极极上，由由绝缘的的导体55导出。正正电荷通通过金属属片2或或测力仪仪接地。由由5输出出的电荷荷通过电电荷放大大器后由由记录仪仪记录下下来，按按预制的的标定图图就可知知道切削削力的大大小。测测力仪中中沿F z，F x和F y三个方方向都各各自有传传感器，分分别测出出三个分分

5、力。图2压电电传感器器的原理理图近代常采采用多向向力传感感器，把把几个石石英元件件按次序序机械地地排列在在一起。加加在传感感器上的的力作用用在石英英片上。由由于石英英晶体的的切割方方向选择择的不同同，所以以各受力力方向上上的灵敏敏性不同同，故能能分别测测出各个个切削分分力。其其结构如如图3所示。图3 压压电三分分量传感感器3.3YYDC-89AA三向压压电车削削测力仪仪工作原原理及特特点（1）测测力仪的的结构设设计YDC-89AA三向压压电车削削测力仪仪是由一一块整体体构件与与一个压压电石英英晶体三三维力传传感器构构成，见见图4。图4三三向压电电车削测测力仪结结构图（2）测测试原理理如前所述述

6、,该测力力仪主要要是由二二个压电电式三维维力传感感器组成成的。由由三维力力传感器器的力学学特性可可知，该该测力仪仪也具有有将空间间任何方方向的力力分解成成三个相相互正交交的分力力。根据据需要，通通过控制制仪的刚刚度(由结构构尺寸决决定)和预紧紧力的大大小，可可以设计计出不同同测力范范围和频频率范围围的测力力仪。（3）特特点该测力仪仪刚性好好、固有有频率高高、灵敏敏度高，线线性和重重复性好好，滞后后小，向向间干扰扰均在55%以下下，使用方方便，便便于操作作。3.4YDCC-89AA三向压压电车削削测力仪仪静、动动态标定定简介（1）静静态标定定静态标定定的目的的是为了了获得静静标曲线线，以便便求得

7、各各项灵敏敏度、线线性误差差、重复复性误差差、向间间干扰等等静态性性能参数数。静态态标定在在特制的的三向加加载器或或车床上上进行。压压电系统统在静标标后得到到的灵敏敏度事实实上为测测力仪归归一化灵灵敏度，所所谓归一一化，就就是通过过电路调调节,使示值值与实际际载荷值值两者间间的有效效数字达达到一致致。归一化灵灵敏度除除电路调调节可得得到外，还还可通过过计算得得出，此此时放大大器灵敏敏度为110.00pc/kgff,输出出为lmv/kgff10，则则归一化化灵敏度度：Sq = 输输出电压压/ 载荷荷，经“归一化化”后，可可以直接接从数字字电压表表上读取取力值。被测力值值= 输出出电压(mv) /

8、 输出增增益档级级(mvv/unnit)10，输出增增益一般般取1 ,传感感器灵敏敏度倍率率取100,数字字电压表表取5VV 档即即可。（2）动动态标定定测力仪的的动态标标定，目目前主要要有激振振法和钢钢球冲击击法两种种,主要是是用于求求得频率率响应曲曲线和固固有频率率。动态标定定系统框框图见图图5所示。226266(B&K)电电荷放大大器、HHP54423AA结构动动态分析析仪、HHP98872 绘图仪仪、MOO-12251(Megguroo)示波波器。图5动态态标定系系统框图图由HP554233A分析析，经HHP98872 绘制可可得到测测力仪的的幅频特特性曲线线，从而而求出测测力仪三三个

9、方向向的固有有频率。3.5基基本测试试系统（1）基基本测试试系统图6为一一个通用用的测试试系统框框图。图6测试试系统框框图（2）电电荷放大大器的选选择为了保持持静态分分量的稳稳定性，特特别为了了静标需需要，要要求电荷荷放大器器必须具具有极高高的输入入阻抗（1013 ）、极低的下限频率(106s）。4 切削力测测量实验验步骤4.1 Fx力的测测量步骤1 ：按照照图接好好连线。步骤2： 调节节电荷器器。首先将将电荷器器的复位位开关置置于复位位。接好好地线，接接入交流流2200V。打开电源源开关预预热300分调零零。步骤3：用螺栓栓将测力力仪和安安装平面面（如工工作台等等）连接接起来。步骤4： 开始

10、始测试。根据被测测信号的的大小和和性质，合合理选择择电荷放放大器的的量程和和档位，以以便提高高测量精精度和减少噪噪音。在测试过过程中，严严禁强烈烈碰撞测测力仪或或使其受受到任何何强烈冲冲击。因因为此类类冲击力力可能超超过测力力范围，而而导致仪仪器的损损坏。步骤5： 切削削力动态态测量显显示系统统软件的的使用（1）在在桌面上上双击如如下图所所示图标标。进入如下下图所示示的切削削力测试试系统界界面。此时回车车，出现现信号采采集卡界界面。回车，进进入切削削力动态态测量显显示系统统。信号采集集方式选选择如下下：在“显示示方向”下选择择“X”方向。单单击“开始”按钮开开始测量量。得到如下下曲线在如下窗窗

11、口中输输入文件件名当按“结结束”命令按按钮后，将将结束本本次信号号采集。如如下图所所示。如果想查查看高速速采集信信号，首首先在桌桌面上双双击如下下所示图图标。得到如下下所示的的界面在中，单击击“Broowsee”，选择择欲转换换得数据据文件。注注意，一一定要选选择用高高速采集集方式得得到的文文件。按 将将选定的的文件读读入内存存。在中，单击击“Broowsee”，输入入要保存存的文件件名称。按 开开始转换换然后在菜菜单命令令中，选选择数据据转换（2）数数据与图图形处理理a.执行行“时域处处理”可以将测测试过程程所记录录的切削削力与时时间的数数据保存存起来，并并转换为为其它数数据格式式。选择平滑

12、滑处理的的点数选择要进进行平滑滑处理的的文件b.执执行“转化为为Exccel格格式”/“转化后后打开EExceel”请选择欲欲转换的的文件选择欲转转换的文文件后，将将看到如如下信息息框。当按按钮钮后，打打开Exxcell，并出出现如下下信息框框请保存EExceel，然后后按 按钮。c. 执执行“转化为为Exccel格格式”/“转化后后不打开开Exccel”d. 执执行“显示全全程曲线线“命令如果你没没有选取取任何方方向，你你将看到到如下信信息框。但但并不影影响使用用这个功功能。建建议你还还是选取取某个方方向。当选择 ，出出现如下下信息框框。选择要打打开的文文件后，出出现如下下曲线图图此时在主主

13、界面显显示区的的上方将将出现有有两个水水平滚动动条，并并在切削削力与时时间动态态显示曲曲线区显显示整个个切削过过程的曲曲线。拖拖动两个个水平滚滚动条，确确定显示示的区间间，松开开鼠标后后，将出出现如下下放大图图，并问问你是否否保存。按 ，出出现如下下对话框框。输入要保保存文件件名，进进行保存存。e. 执执行“切削过过程播放放“命令出现如下下对话框框可根据需需要选择择拓展名名为*.datt,或*.txxt的文文件。选选择所要要播放的的文件后后，出现现播放界界面。按 按按钮，开开始播放放，如下下图所示示。在播放区区域的上上方有一一个，你你可以拖拖动滚动动条改变变显示的的速度。当按时，可可以将观观察

14、的数数据取平平均值。过程播放放的一个个很重要要的目的的，就是是将切削削加工过过程某一一段关心心的数据据的值提提取出来来。因此此，你可可以综合合运用 、 、 三三个按钮钮，提取取某个数数据端的的平均值值并记录录下来。4.2. Fy力的测测量与“4.1 Fx力的测测量”类似，只只需在“步骤55 切削削力动态态测量显显示系统统软件的的使用“中将显示方方向由xx方向改改为y方方向即可可。4.3 Fzz力的测测量与“4.1 Fx力的测测量”类似，只只需在“步骤55 切削削力动态态测量显显示系统统软件的的使用”中将显示示方向由由x方向向改为zz方向即即可。实验报告告 一一一 实实验目的的二 实实验中所所用

15、测力力仪的基基本工作作原理三 切切削力测测力系统统框图四 实实验数据据记录总计采样样次数Fx最大值Fx稳态值Fy最大值Fy稳态值Fx最大值Fy稳态值实验二切切削振动动实验一、实验验目的使学生掌掌握切削削过程中中切削振振动测量量的基本本方法，了了解切削削颤振的的特性、影影响因素素以及对对刀具、切切削过程程和已加加工表面面质量的的影响效效应，了了解消振振、减振振主要方方法。二、 实验设备备、工件件与刀具具1KBBJM661322切削机机床2TVV3000测振仪3测振振探头4CZZ-4磁磁性吸座座5工件件、大主主偏角外外圆车刀刀、小主主偏角外外圆车刀刀三、实验验原理3.1振振动对切切削过程程的影响响

16、在切削中中如果发发生振动动，由于于振动的的方向、振振幅、频频率等，往往往产生生如下不不良结果果：（1）增增大了已已加工表表面的粗粗糙度和和波纹。（2）因因崩刃而而缩短了了刀具耐耐用度。（3）损损伤机床床的传动动齿轮、轴轴承等。（4）因因噪音而而使作业业环境恶恶化。（5）为为防止振振动而中中断作业业，降低低了生产产效率。但从另一一方面看看，如果果给以适适当的振振动，可可以周期期性地在刀刀具前刀刀面和切切屑之间间产生缝缝隙，有有利于润润滑，此此时就产产生下述述优点：（1）因因不粘结结积屑瘤瘤而使已已加工表表面平滑滑。（2）因因增大剪剪切角而而减小了了切削力力。3.2 测振原理理和测振振系统3.2.

17、1 TV3300测测振仪基基本原理理及主要要技术参参数：本试验采采用TVV3000测振仪仪，其测测振原理理是通过过采用压压电式加加速度传传感器，把把振动信信号转换换成电信信号。通通过对输输入信号号的处理理分析，显显示出振振动速度度的有效效值（均均方根值值）、位位移峰一一峰值、加加速度峰峰值或实实时频谱谱图并可可打印出出相应的的测量值值及频谱谱图。它它不仅可可以测量量振动的的加速度度、速度度、位移移和转速速/固有有频率，而而且还可可以进行行简易故故障诊断断和打印印输出。测量范围围 加速度度：0.1 mms223992ms2（峰值值）速 度：0.001 ccm/ss800cm/s（有有效值）位 移

18、：0.0001 mm10mmm（峰峰峰值值）频率范围围 加速度度：100Hz2000Hz 100Hz5000Hz 100Hz1kHHz 10HHz110kHHz 速 度度：100Hz1kHHz 位 移移：100Hz5000Hz3.2.2 TV3300测测振仪主主要特点点:(1) 三种显显示方式式：普通通型、专专用型、频频谱型；(2) 可测量量加速度度峰值、速速度有效效值和位位移峰峰峰值，转转速和固固有频率率；(3) 仪器能能根据设设定的警警戒线绘绘制的柱柱状图；(4) 简易故故障诊断断：当被被测量值值超过报报警值时时，自动动报警；并请求求进入频频谱测量量状态；(5) 与打印印机连接接，可打打印

19、测量量数值和和频谱图图；(6) 与微机机连接，可可分析测测量数值值和频谱谱图（配配合上位位机软件件）；(7) 存储功功能：可可存储225 XX 622（255个测点点，各个个62次次）个测测量结果果及255幅频谱谱图；(8) 使用锂电池，使使用时间间长、可可即充即即用、安安全可靠靠（配有有自动保保护装置置）；(9) 有液晶晶背光，自自动关机机功能等等。3.2.3 TV3300测测振仪的的各部分分名称:图1为11.主机机 2. 探针针组件 3. 长触针针 4. 测振振探 55. 螺柱柱 6. 磁性性吸座。根据不同同的使用用场合，可可将传感感器置于于握把内内和传感感器触针针连接或或将传感感器直接接

20、与磁性性吸座连连接进行行振动测测量。图1 测测振仪的的各部分分名称三、 实验方法法及步骤骤试验分别别针对数数控机床床空车运运转情况况下的振振动状况况和进行行实际切切削情况况下的振振动状况况加以测测试，并并进行两两种情形形下的实实验结果果对比。测试仪器器的具体体操作步步骤如下下：步骤一按按键开机机。出现现如下图图界面。使用上下下选择键键选取测测量点号号。步骤二将将测振探探头轻轻轻的放在在被测物物体上。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

21、三 按键键，测量开开始(测量状状态呈滚滚动条显显示，表表明测量量的进程程)步骤四 按键键，测量信号号输入结结束。步骤五 使用用左右选选择键，选选取“分析”，按键。出出现如下下图界面面。步骤六 使用用左右选选择键，选选取“自动”，按键。系统会会自动分分析出最最大频率率，如下下图所示示。步骤六 你也也可以选选取手动动方式。首首先，按按返回键键，使用左左右选择择键，选选取“手动”，按键，选选去所要要测的点点，系统统将分析析出这一一点的频频率。如如下图所所示。实验报告告 二二一 实实验目的的二 实实验中所所用测振振仪的基基本工作作原理三 实实验数据据记录及及分析（数控机机床空车车运转情情况下和和进行实

22、实际切削削情况下下的振动动频率与与幅值，对对其进行行分析对对比）。实验三刀具磨磨损实验验1实验验目的使学生掌掌握切削削过程中中切削刀刀具磨损损前后刀刀具各参参数的测测量方法法，了解解主要的的刀具磨磨损类型型的形貌貌、特性性。2 实验设备备、工件件与刀具具1KBBJM661322数控车车床2JTT12AA-Z数字字式投影影仪3刀具具，工件件等3实验验原理本实验利利用JTT12AA-Z数字字式投影影仪来测量刀刀具磨损损后的刀刀具参数数变化和和观察刀具具磨损、破破损带形形貌。3.1投投影仪工工作原理理投影仪工工作原理理如图33.1所所示，被被测件YY置于工工作台上上，具有有准确放放大率的的物镜OO将

23、被测测件Y成放大大实像YY于投投影屏PP上。可可用普通通玻璃尺尺直接测测量Y大小小，也可可与预先先绘制好好的标准准放大图图样比较较测量，利利用工作作台上的的数字显显示系统统直接对对Y进行测测量。图图中S11、S2分别别为透射射和反射射照明光光源，KK1、K2为透透射和反反射聚光光镜，两两组照明明可分别别使用，也也可同时时使用，半半透半反反反光镜镜L仅在反反射照明明时使用用。图3.11投影仪仪工作原原理图1投影影箱 22投影影屏 33旋转转手轮 4锁锁紧手轮轮 6反射升降手柄柄 7锁紧紧螺钉 8反反射聚光光镜 99电源源插座板板 100工作作台升降降手轮 11壳体 12数数显箱 13微型打打印机

24、 14工作台台 155物镜镜 166零位位指示板板 117反反射照明明开关 18透射照照明强弱弱光转换换开关 199透射射照明开开关 220电电源开关关图3.22投影仪整体结结构图4 实验步骤骤4.1投投影仪测测量方法法概述测量前应应仔细检检查仪器器各部分分位置的的正确性性，将被被测件清清洗干净净，选好好物镜照照明方式式，打开开照明开开关，即即可进行行测量。(1) 利用工工作台纵纵、横向向读数系系统进行行测量将工件被被测尺寸寸调整到到与工作作台移动动方向平平行，移移动工作作台，使使投影屏屏上的十十字线对对准工件件被测尺尺寸一端端，X或Y置零，移移动工作作台，使使十字线线对准工工件被测测尺寸另另

25、一端，这这时X或Y的值即即为被测测长度的的实际值值。(2) 用普通通玻璃尺尺直接在在投影屏屏上测量量尺寸 用普通通玻璃尺尺直接测测量工件件被放大大后的影影像尺寸寸除以所所用物镜镜的放大大率，即即为工件件的实际际尺寸。(3) 利用投投影屏旋旋转测量量角度先松开手手轮4，旋转转投影屏屏2使其上上刻线与与零位指指标板116的刻刻线对齐齐，此时时投影屏屏十字线线与工作作台X、Y坐标相相平行。将将工件放放在工作作台适当当部位，转转动投影影屏，使使其上的的十字线线之一与与被测角角的一边边重合，数数显箱角角度清零零：然后后再转动动投影屏屏并移动动工作台台，使其其另一边边重合。这这时数显显箱上的的角度显显示值

26、为为工件的的实际角角度，投投影屏上上刻有330、60、90刻线，对对于这些些特殊角角，可直直接进行行比较。此此方法最最为简单单、方便便和常用用。4.2刀刀具切削削区磨损损、破损损部位的长度测量量调节焦距距使刀具具切削区区磨损、破破损部位位显示清清晰，然然后按下下列步骤骤操作：第一步：按 键进进入距离离测量。第二步：移动工工作台把把十字线线中心定定位在第第一各样样点上。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：移动工工作台将将十字线线中心定定位在第第二个点点上。按按键，距距离图形形元素数数值就立立即显示示在数显显箱上。第四步：按“MORRE”键, 可可查看距距离的其其它信息

27、息。观察磨损损、破损损部位形形貌。4.3刀刀具几何何角度测测量及磨磨损、破破损部位位的角度测量（1）角角度测量量的一般步步骤1) 通过测测量一个个角的两两条边测测量角度度元素2) 采集三三个样点点(其中第第一个样样点必为为顶点)来测量量角度元元素。第一步： 按键进入入角度测量量。第二步：按键进入入两线夹夹角测量量。测量量线需采采样点数数未2个个，如果果按 键可可增加采采样点，则按一次 键增加一个样点。第三步：移动工工作台，把把投影屏屏上的十十字中心心闲对准准第一条条直线上上的第一一个样点点，按键键，其位位置值显显示在数数显箱上上。第四步：移动工工作台，把把投影屏屏上的十十字中心心线对准准第一条

28、条直线上上的第二二个样点点，按键键，其位位置值显显示在数数显箱上上。第五步：按 键增加加一个采采样点。第六步：按照第第三、第第四步骤骤的方法法在角的的第二条条边上采采集所有有的样点点。当采采集的样样点数达达到要求求的样点点数时，角角度元素素将增加加到暂存存圆形元元素列表表中。第七步：按数显箱箱LCDD屏幕上上显示的的提示内内容按键键，投影影仪上显显示了3和4的值值的大小小，如图图3所示示图3 显显示示例例第八步：按键，显显示如图图4所示示信息。该该屏信息息显示了了角的顶顶点的坐坐标位置置。图4显示示示例（2）参参照（11）的步步骤，进进行刀具具前角、后角、主偏角的测量。（3）进进行磨损损带、破破损裂纹纹的角度测量量4.4刀刀具磨损损后刀尖尖圆弧的的测量圆可通过过在圆周周上采集集3到50个样样点来测测量得。当当使用随随机采样样点数模模式时采采样点数数是由用用户决定定。一般般地，三三个点就就可以求求出圆的的参敷，为为精确测测量，采采集的样样点数多多于3个，且且样点均均匀分布布在圆周周上。实验报告告 三三一 实实验目的的二 依依据实验验中所观观察到的的刀具磨磨、破损损形貌以以及对磨磨、破损损有关参参数的测测量值，绘绘出刀具具磨破损损状态示示意图，标出有关尺寸数据。三 刀刀具一旦旦发生磨磨、破损损，对切切削过程程会产生生什么影影响？