《金屬切削原理與刀具》實驗指導(dǎo)

1、金屬切削原理與刀具實驗指導(dǎo)書河南科技學(xué)院2012-08-31實驗一 車刀幾何角度的測量一、 實驗?zāi)康模? 熟悉車刀切削部分的構(gòu)造要素，根據(jù)車刀幾何角度的定義測量車刀的幾何角度。2 了解車刀測角儀的結(jié)構(gòu)，學(xué)會使用車刀測角儀測量車刀幾何角度的方法。二、 實驗要求：1 加深理解刀具標(biāo)注角度的參考系，各坐標(biāo)平面的位置（靜態(tài)的）。2 根據(jù)測量結(jié)果繪制車刀工作圖。3 進一步熟悉各剖面之間的角度關(guān)系。三、 實驗設(shè)備1. 車刀量角儀、車刀一套四、 車刀測角儀的結(jié)構(gòu)：測量刀具幾何角度的量具很多，如萬能量角器、擺針式重力量角器、車刀測角儀等等。車刀測角儀是測量車刀角度的專用量角儀，它有很多種型式，本實驗采用的是既

2、能測量車刀主剖面參考系的基本角度，又能測量車刀法剖面參考系的基本角度的一種車刀測角儀，其結(jié)構(gòu)如圖所示。圓形底盤的周邊上刻有從0起順、逆時針兩個方向各100的刻度盤1。其上面的支撐板可繞小軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的角度由固連與支撐板上的指針指示出來。支撐板上的導(dǎo)塊和滑塊1、2固定在一起，能在支撐板的滑槽內(nèi)平行滑動。升降桿固定安裝在圓形底盤上，它是一根矩形螺紋絲杠，其上面的升降螺母可以是導(dǎo)向塊沿升降桿上的鍵槽上、下滑動。導(dǎo)向塊上面用小螺釘固定裝上一個小刻度盤3，在刻度盤3的外面用滾花手輪將角鐵的一端鎖緊在導(dǎo)向塊上。當(dāng)松開滾花手輪時，角鐵以滾花手輪為軸，可以向順、逆時針兩個方向轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動的角度用固定在角鐵上的

3、小指針在刻度盤3上指示出來。在角鐵的另一端固定安裝扇形刻度盤2，其上安裝著能順時針轉(zhuǎn)動的測量指針，并在刻度盤2上指示出轉(zhuǎn)動的角度。當(dāng)支撐板指針、小指針和測量指針都處于0時，測量指針的前面和側(cè)面b、c垂直與支撐番的平面，而測量指針的底面a平行于支撐板的平面。測量車刀角度時，就是根據(jù)被測角度的需要，轉(zhuǎn)動支撐板，同時調(diào)整支撐板上的車刀位置，再旋轉(zhuǎn)升降螺母使導(dǎo)向塊帶動測量指針上升或下降而處于適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｈ缓笥脺y量指針的前面（或側(cè)面b、c或底面a）,與構(gòu)成被測角度的面或線緊密貼合，從刻度盤2上讀出測量指針指示的被測量角度數(shù)值。五、 實驗方法及步驟：1） 校準(zhǔn)車刀測角儀的原始位置用車刀測角儀測量車刀的幾何

4、角度之前，必須先到測角儀的測量指針、小指針和支撐板指針全部調(diào)整到零位，然后將車刀平放在支撐板上，其側(cè)面緊緊貼導(dǎo)塊側(cè)面，我們稱這種狀態(tài)下的車刀測角儀位置為測量車刀標(biāo)準(zhǔn)角度的原始位置。2） 主偏角Kr的測量從測量車刀標(biāo)注角度上的原始位置起，順時針轉(zhuǎn)動支撐板使車刀主刀刃和測量指針前面緊密貼合，此時支撐板指針在底盤上所指示的刻度數(shù)值，即為主偏角Kr數(shù)值。3） 刃傾角s的測量測完主偏角Kr之后，此時測量指針位于切削平面內(nèi)，轉(zhuǎn)動測量指針使其下邊a與車刀主刀刃緊密貼合，則測量指針在刻度盤2上所指示的刻度數(shù)值，就是刃傾角s的數(shù)值。測量指針在0左邊為+s，指針在0右邊為-s。4） 副偏角Kr的測量參照測量主偏角

5、Kr的方法，逆時針方向轉(zhuǎn)動支撐板，使車刀副刀刃與測量指針的前面緊密貼合，此時支撐板指針在底盤上所指示的刻度數(shù)值即為副偏角Kr的數(shù)值。5） 前角0的測量前角0的測量是在主刀刃的主剖面內(nèi)進行的，首先將車刀測角儀位于測量主偏角Kr的位置上，使支撐板逆時針轉(zhuǎn)動90或使支撐板指針從底盤0刻度逆時針轉(zhuǎn)動90- Kr刻度數(shù)值。此時，主刀刃在基面上的投影恰好垂直于測量指針前面，然后用測量指針底邊a與通過主刀刃上選定點的前刀面緊密貼合，則測量指針在刻度盤2上所指示的刻度數(shù)值，就是前角0的數(shù)值。測量指針在0右邊時為+0，測量指針在0左邊時為-0。6） 后角0的測量后角0的測量與前角0的測量都是在主刀刃的主截面內(nèi)進

6、行的，因此在測量完前角之后支撐板不需要調(diào)整，只需平移導(dǎo)塊和車刀，使測量指針的側(cè)面c與通過主刀刃上選定點的后刀面緊密貼合，此時測量指針在刻度盤2上所指示的刻度值，就是后角0的數(shù)值，測量指針在0左邊為+0，測量指針在0右邊為-0。7） 法向前角n和后角n的測量測量法向前角n必須在測量Kr和s之后進行。測量法向前角n是在主刀刃的法向剖面內(nèi)進行的，所以必須使測量指針位于法向剖面內(nèi)，首先逆時針轉(zhuǎn)動支撐板90-Kr，使測量指針位置主刀刃的主截面內(nèi)，然后松開滾花手輪，轉(zhuǎn)動角鐵使小指針在刻度盤上指示刃傾角的角度值，（刃傾角為+s時，小指針指向0左邊，刃傾角為-s時，小指針指向0右邊。）此時測量指針，即位于主刀

7、刃的法剖面內(nèi)，然后再按如前所述測量前角0和后角0的方法，便可測量出車刀法向前角n和法向后角n的數(shù)值。8） 付后角0的測量付后角0的測量是在副刀刃的主剖面內(nèi)進行的，所以首先使測量指針位于副刀刃的主截面內(nèi),其做法是將車刀測角儀位于測量Kr的位置,然后順時針轉(zhuǎn)動90使測量指針位于副刀刃的主剖面位置，然后用測量指針的剖面b和通過副刀刃上選定點的副后刀面緊密貼合,測量指針在刻度盤2上所指示的刻度值就是付后角0的數(shù)值。將測量結(jié)果Kr、Kr、 s、0、0、n、n、0記入實驗報告表格中。六、 繪制外圓車刀和切斷刀的工作圖繪制車刀的工作圖時，應(yīng)使標(biāo)注的角度數(shù)量最少，并能完整地表達出車刀切削部分的形狀及尺寸，同時

8、要求所標(biāo)注的角度能反映刀具的切削特征，刀具工作圖除表明幾何參數(shù)以外，還需注明刀桿材料，切具切削部分材料，牌號及型號，表面光潔度要求，各主要參數(shù)公差等。繪制車刀工作圖的主要步驟如下：1） 首先畫出車刀的正視圖。2） 畫出車刀俯視圖。3） 過車刀主刃上某點畫出剖面。4） 過車刀副刀刃上某點畫出付剖圖。5） 畫出切削平面S向視圖。6） 標(biāo)注車刀主刀刃四個基本角度0、0、Kr、 s和付切削刃的基本角度Kr、 0，標(biāo)注刀桿尺寸及車刀主要技術(shù)要求等。此外，必要時應(yīng)畫出局部放大圖。七、 實驗注意事項：1 實驗前必須詳細閱讀實驗說明書，明確實驗?zāi)康模蠹胺椒ā? 測量車刀幾何角度時，要注意安全，同時主要愛護

9、刀具和測量儀器，防止碰傷及損壞。3 車刀工作圖按1：1繪制。七 、車刀幾何角度參考圖另附車刀幾何角度參考圖如下: 實驗二 切削力的測定與分析利用測力儀將切削力大小轉(zhuǎn)化為電阻應(yīng)變片的變形，該變形反映為電橋電壓的變化。通過標(biāo)定可以知道電流變化與切削力的關(guān)系，從而測出切削力。本實驗主要分析切削深度ap和進給量對切削力的影響，通過對實驗數(shù)據(jù)加以適當(dāng)處理得到切削力的經(jīng)驗公式。利用該公式可以計算相同切削條件下（相同工件材料、刀具材料、刀具角度等），切削深度ap和進給量變化時的切削力大小。一、實驗?zāi)康?. 了解車削測力儀（電阻式測力儀）的工作原理、調(diào)整及標(biāo)定方法。2. 研究切削深度ap和進給量對車削力的影響

10、規(guī)律。3. 掌握單因素法測量切削力，了解正交實驗法。4. 通過對實驗數(shù)據(jù)的處理，建立主切削力（切向力）的經(jīng)驗公式：同理可建立進給力（軸向力）和背向力（徑向力）的經(jīng)驗公式：二、實驗儀器設(shè)備1. CA6140型車床 1臺2. QB-07型雙平行八角環(huán)車削測力儀 1臺3. 數(shù)據(jù)采集卡 1塊4. 高速鋼車刀 1把5. 試件（中碳鋼棒料） 1件6. 卡尺 1把7. 雙對數(shù)坐標(biāo)紙三、實驗原理1. QB-07型雙平行八角環(huán)車削測力儀（電阻式測力儀）測力儀有兩種類型，一種是電感式，一種是電阻式。電感式測力儀工作原理如下：切削力作用在刀頭上，刀頭與彈性體連接如圖1所示。在彈性體受切削力的三個分力方向上分別安裝三

11、個電感線圈，線圈兩端由電感測力儀電源箱提供一個固定的電壓。當(dāng)?shù)都馐艿角邢髁ψ饔脮r，線圈的間隙變化將使線圈周圍的磁場也發(fā)生變化，從而使通過線圈的磁通量變化，使線圈兩端的電壓發(fā)生變化。 圖1 電感測力儀示意圖 圖2 電橋接線圖 測力儀電源箱內(nèi)部裝有三個電橋與測力儀的三個電感線圈相對應(yīng)，每個電橋的接線圖如圖2所示。其中U為電橋電源，V為電感線圈產(chǎn)生的變化電壓，接于橋臂兩端。在一個橋臂上裝有可調(diào)電位器。測量前調(diào)節(jié)可變電位器，使電橋達到平衡。當(dāng)外部電壓發(fā)生變化時，電源箱上的三個微安表就會測出這個變化，電流的大小反映出切削力的大小。雙平行八角環(huán)作為彈性元件，在上環(huán)和下環(huán)的各個表面上，共粘貼著20片電阻應(yīng)變

12、片，可以組成三個電橋，分別測量Fz，F(xiàn)y，F(xiàn)x。（1）電路原理電阻式測力儀的基本原理是將切削力的大小轉(zhuǎn)換成電壓的大小。QB-07型雙平行八角環(huán)車削測力儀是一種車削測力儀。其工作原理是：測力儀的雙平行八角環(huán)是彈性元件，在環(huán)的內(nèi)壁上粘貼有電阻應(yīng)變片，并將這些電阻應(yīng)變片連接成三個電橋以分別測量三個方向的分力。車削時，車削力經(jīng)工件轉(zhuǎn)遞給車刀，再由車刀刀桿轉(zhuǎn)遞到八角環(huán)。八角環(huán)的變形使緊貼在其上的應(yīng)變片也隨之變形，從而電阻值發(fā)生變化。l 當(dāng)應(yīng)變片受拉伸變形時，應(yīng)變片變細，電阻增大（R+R）；l 當(dāng)應(yīng)變片受壓縮變形時，應(yīng)變片變粗，電阻減?。≧-R）；電阻的變化通過電橋表現(xiàn)為電橋電壓的變化。但是由于電阻變化很

13、小，所以電橋輸出電壓的變化也很小，還需要經(jīng)過放大。將電橋輸出的電信號接入CLS-1直流三線數(shù)字測力儀后，經(jīng)過放大可直接顯示切削力的數(shù)值。測力儀常用的電橋有等臂全橋和臥式半橋兩種形式（圖3）圖3 電橋形式圖3中a為由電阻應(yīng)變片所組成的電橋，R1、R2、R3、R4分別為四個電橋橋臂的電阻。當(dāng)A、C端加一定的橋壓U時，則B、D端的輸出電壓U由下式求得：U=U (1)由式（1）可知，當(dāng)R1R3=R2R4時，電橋輸出電壓為U=0，即電橋處于平衡，這就是在進行切削實驗前必須進行的電橋平衡的調(diào)節(jié)工作。在切削力作用下，應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，破壞了電橋的平衡，若R1、R2、R3、R4分別產(chǎn)生R1、R2、R3、R

14、4的電阻變化，則由式（1）的電橋的輸出電壓為：U=U（-+-） (2) 由式（2）可以看出電橋的一個重要的性質(zhì)，當(dāng)電橋相鄰兩臂有符號相同的電阻變化時，電橋輸出電壓為兩橋電阻變化相減的結(jié)果。因此在測力儀接橋時，為使電橋有較大的輸出，則應(yīng)使電橋相鄰兩臂有符號相反的電阻變化，而相對兩臂有符號相同的電阻變化，這就是測力儀的布片與接橋原則。測力儀常用的電橋有等臂全橋（電橋由四個臂組成，R1=R2=R3=R4=R）及半橋（電橋由二個臂加上兩個固定電阻組成，R1=R2=R），如圖3所示。由式（2）兩種電橋的輸出電壓為：全橋：U=（R1-R2+R3-R4） （3）半橋：U=（R1-R2） （4）比較（3）和（

15、4）可知，當(dāng)R1=R3=+R；R2=R4=-R時，全橋的輸出為半橋的兩倍，也即全橋的靈敏度為半橋的兩倍。因此，為提高測力儀的靈敏度，即電橋有較大的輸出，應(yīng)盡可能采用等全臂全橋的測量電路。（2）布片與接橋QB-07型雙平行八角環(huán)測力儀的結(jié)構(gòu)如圖4，由上下兩個八角扁環(huán)（彈性體）組成，環(huán)的表面貼有20片電阻應(yīng)變片，聯(lián)成三個電橋，分別測量Fz（主切削力），F(xiàn)y（背向力或徑向力），F(xiàn)x（進給力或軸向力）。QB-07型雙平行八角環(huán)測力儀的應(yīng)變片分布如圖5所示。用于測量Fz的電阻應(yīng)變片有Rz1、Rz2、Rz3、Rz4，組成的測量電橋如圖6（a）。圖6 接橋圖在Fz的作用下，Rz1、Rz3受拉，電阻增大（+R

16、z1，+Rz3）；下環(huán)受壓，電阻減小（-Rz2，-Rz4）此時U=（Rz1-z2+z3-z4）=，形成全橋電路，有較大輸出。符合布片與接橋原則。用于測量Fy的電阻應(yīng)變片有Ry1、Ry2 、Ry3、Ry4 、Ry5、Ry6、Ry7、Ry8，組成的測量電橋如圖6（b）。在背向力Fy的作用下，Ry1、Ry2 、Ry5、Ry6受拉，電阻增大（各為+R），Ry3、Ry4 、Ry7、Ry8受壓，電阻減小（各為-R）。同理符合布片與接橋原則。用于測量Fx的電阻應(yīng)變片有Rx1、Rx2 、Rx3、Rx4 、Rx5、Rx6、Rx7、Rx8，組成的測量電橋如圖6（c）。在進給力Fx的作用下，Rx1、Rx2 、Rx5

17、、Rx6受拉，電阻增大（各為+R），Rx3、Rx4 、Rx7、Rx8受壓，電阻減小（各為-R）。同理符合布片與接橋原則。測力儀的布片與接橋，還應(yīng)該考慮盡可能消除三個分力間的相互干擾，即每一個電橋的輸出電壓僅與被測量的切削力有關(guān)，而與其它兩個切削分力無關(guān)。如測量Fz時，電橋輸出U=（Rz1-z2+z3-z4）。在Fy作用下，Rz1、Rz2、Rz3、Rz4同時收壓縮變形，電阻減小，且減小的數(shù)值相等，從而不會導(dǎo)致測量Fz的電橋有電壓輸出。在Fx作用下，Rz1、Rz2受壓，Rz3、Rz4受拉，從而不會導(dǎo)致測量Fz的電橋有電壓輸出。同理可以證明三個方向的測量電橋互不干擾。2. 數(shù)據(jù)采集卡實驗采用的是阿爾

18、泰科技公司的USB2010數(shù)據(jù)采集卡，用來實現(xiàn)把八角環(huán)測力儀得到的電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳送到計算機中進行數(shù)據(jù)的保存和處理。USB2010數(shù)據(jù)采集卡的主要技術(shù)參數(shù)如下：（1）模擬信號輸入部分模擬通道輸入數(shù): 32路單端或16路雙端輸入模擬輸入電壓范圍：5V、10V、010V模擬輸入阻抗: 100M模擬輸入共模電壓范圍：2V（2）A/D轉(zhuǎn)換電路部分 A/D分辨率：12Bit(4096)非線性誤差：1LSB(最大)轉(zhuǎn)換時間：10us系統(tǒng)測量精度：0.1%A/D采樣通過率：100KHz3. 測力環(huán)（見附件） 4. 切削力測量實驗原理圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)采集卡圖7 切削力測量實驗原理圖四、實驗方法（1） 準(zhǔn)備工作1） 安裝工件，測力儀及車刀。注意刀尖伸出長度應(yīng)與標(biāo)定時一致，并對準(zhǔn)工件中心高。將刀具角度填入表一中。2） 熟悉CA6140機床的操縱手柄及操作方法，注意安全實現(xiàn)。3） 確定實驗條件（2） 切削實驗用單因素