中南大学刀具实验报告.docx
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中南大学刀具实验报告
金属切削原理与刀具
实验报告
姓名:
李国文
学号:
0806110108
班级:
机械1106班
专业:
机械设计制造及其自动化
指导老师：
贺小涛老师
实验一车刀角度的测量
一、实验目的
1．熟悉车刀角度，学会一般车刀角度基准面的确定及角度的测量方法。
2．了解不同参考系内车刀角度的换算方法。
二、实验设备，工具和仪器。
1．车刀量角台（三种型式）。
量角台的构造如图1—1。
（1）台座、
（2）立柱、（3）指度片、（4）刻度板、（5）螺钉、（6）夹固螺钉、（7）定位块。
2．各种车刀模型。
A型量γ0、α0、αo·B型量λsC型量Kr、K
图1—1车刀量角台
三、实验内容
车刀标注角度的测量。
用车刀量角台测量外园车刀的γ0、α0、λs、Kr、Kr·、αo·等角。
（a）量前角：
如图1-2，将车刀放置在台座上，调整刻度板4和指度片3使指度片的B边位于车刀主剖面内并与前刀面贴合，则由刻度板上读出γ0。
如果指度片位于横向或纵向剖面，则可测得γf或γp。
（b）量后角：
如图1-3,调整刻度板和指度片使指度片A边位于主剖面内，并与后刀面贴合则由刻度板可测得α0。
同理指度片位于横向或纵向剖面内可测得αf或αp。
调整刻度片位于副剖面内，可测得αo〃。
（c）量刃倾角：
如图1-4,调整指度片使之位于切削平面内并使其测量边与主切削刃贴合，则由刻度板读出λs。
（d）量主偏角、副偏角：
如图1-5，将车刀刀杆靠紧定位块．调整刻度板的指度片，使指度片测量边分别与主、副切削刃贴合，由刻度板读出Kr和Kr〃。
图1—2前角γ0测量图1—3后角量α0的测量
图1—4刃倾角λs的测量图1—5主偏角Kr、副偏角Kr〃的测量
实验记录
1．主剖面参考系的基本角度（单位：
度）
车刀编号
车刀名称
刀杆尺寸
BH
（mmmm）
γ0
α0
Kr
Kr·
λs
αo·
07
外圆车刀
9.1°
0.5°
58.1°
15.4°
5.2°
4.5°
09
外圆车刀
10.5°
1.5°
43.1°
15.5°
6.5°
5.9°
2．派生角度（单位：
度）
车刀编号
车刀名称
刀尖角r
楔角0
余偏角r
副前角γ，0
07
外圆车刀
106.5°
76.4°
31.9°
9.2°
09
外圆车刀
121.4°
78°
46.9°
10.97°
计算：
3.在所测量刀具中选择刃倾角最大的刀具，计算切深前角γp，进给前角γf。
解：
在所测量的刀具中刃倾角最大的车刀为09号车刀，刃倾角为6.5°。
由公式：
tgγp=tgγocosKr+tgλssinKr
代入数据可以得到：
γp=arctg（tg10.5ocos43.1o+tg（6.5o）sin43.1o）=3.39o
同理由公式：
tgγf=tgγosinKr-tgλscosKr
代入数据可以得到
γf=arctg（tg10.5osin43.1o-tg（6.5o）cos43.1o）=12o
实验二车削力的测定及经验公式的建立
一、实验目的
1．了解切削力动态测量显示系统、YDC-III89型压电式车削测力仪的工作原理和使用方法。
2．了解切削力产生过程。
3．掌握切削深度、进给量等对切削力的影响规律
4．通过对实验数据的处理，建立主切削力的经验公式
二、实验设备，工具和仪器。
1．工件60，Q235棒料；
2．C6140普通车床；
3．YDC-III89型压电式车削测力仪（含外远圆车刀）；
4．SINOCERYE5850电荷放大器；
5．PCI—9118DG/L多功能数据采集卡（A/D转换）；
6．计算机；
7．切削力动态测量显示系统软件。
三、实验原理
（一）测试系统框图
（二）YDC-III89型压电式车削测力仪
1．构成
由一个含外圆车刀的整体构件与一个压电石英晶体三维力传感器构成，如图1
1.外圆车刀2.力传感器
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，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。
全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-III89A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）。
2．压电石英晶体三维力传感器原理
（1）基本原理
压电石英晶体三维力传感器的结构如图2
这种传感器有三对不同切型的石英晶片装入壳体内构成。
其中一对采用具纵向压电效应的切片，只能测量垂直仪的Z向力；而另外两对晶片由于采用具有切向效应的切型，且相互灵敏度方向成90°放置，因此可测X，Y向的分力。
这样空间任何方向的力作用在传感器上时，传感器便能自动地将力分解为空间相互正交的三个分力。
（2）传感器的特点
a、刚性好。
石英的弹性系数E=8000kg∕mm2，而通常石英晶片厚只有约lmm，因此整个传感器的刚度相当于一个实心铸铁块的刚度。
b、灵敏度高。
因为压电传感器属于“无位移”型传感器，理论上电荷量只与应力有关，而与位移无关，这样系统的刚性可以大些，而对灵敏度没有太大的影响。
c、线性好，而且一般情况下几乎没有滞后现象。
d、频率响应宽。
特别适合动态测量，X,Y两向固有频率均在5kHz以上，而Z向固有须率可达25KHz以上，若装在合适结构中，频响还可提高。
e、稳定性好。
时间老化低，无热释电现象，对温度敏感性比电阻电感传感器要小得多，因此灵敏度基本保持为常数。
出厂时以标定好。
F、调整、使用方便。
压电系统没有绝对零点，可以选定任意给定的状态作为零点。
在准静态测量中，力的动态部分比稳态部分小很多。
若希望将动态部分放大或只显示动态部分，只需将电荷放大器清零，并且将灵敏度换到高档即可，而不管静态部分的大小。
这一点对自适应控制和用概率论方法进行数据处理十分有意义。
（3）测力仪静、动态标定.
静态标定：
目的是为了得到静标曲线，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。
由于该传感器稳定性好，时间老化低，无热释电现象，对温度敏感性比电阻电感传感器要小得多，因此灵敏度基本保持为常数，出厂时已标定好。
实验时将三台电荷放大器的的传感灵敏度旋钮分别调至标定结果中的数值。
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。
详见YDC-III89型压电式车削测力仪使用说明书1]。
（三）SINOCERYE5850电荷放大器；
是将测力仪的电荷信号转变为电压信号输出的关键设备，能够测量动态信号和准静态信号。
对于不同测试对象应合理选择电荷放大器的灵敏度数值。
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（>1013Ω）、极低的下限频率（<10-6Hz）和大的时间常数（>106S）。
详见电荷放大器使用说明书[2]
（四）PCI—9118DG/L多功能数据采集卡
测试系统利用该采集卡可进行低速信号和高速信号采集。
1.低速信号采集
对于常规车削、钻削，一般主轴的转速比较低，可选用此功能；对于定性试验或静态刚度试验也可以选用这种信号采集方式，由于采集速率低且采样频率不精确，所得的数据不适合进行频域分析（时频变换）。
2.高速信号采集
对于切削速度比较高，转速比较高的切削情况，可以选择高速测量方式，由于采用采集卡自带的CPU，与系统时钟等无关，采集速度取决于卡的采集能力，对于9118，单通道测试时，最高采集速度可达330KHZ，如果是三通道，实际最快的采集频率为110KHZ。
信号采集操作步骤详见切削力动态测量显示系统软件使用说明书[3]
四、实验
（一）准备工作
1.安装工件、测力仪，刀具对准工件中心高。
2.按测量系统框图连线，参见切削力动态测量系统硬件连接指南[4]。
3.熟悉机床操作手柄及操作指南。
4.确定实验条件。
（二）切削实验
用单因数法进行实验，即在固定其他因数，只改变一个因数的条件，测出切削力。
1．固定v、f（v取100m/min左右，f在0.14~0.56mm/r范围内取一个数值），依次改变ap（在0.5~2.5mm范围内取5个数值）进行切削，对应每一个ap，传感器会采集到三组（三个方向分力的）实验数据。
2．固定v、ap（v取100m/min左右，ap在1~2.5mm范围内取一个数值），依次改变f（根据机床进给量表，在0.1~0.6mm范围内取5个数值）进行切削，对应每一个f，传感器会采集到三组（三个方向分力的）实验数据。
3．其他（还可改变v、γ0等实验）
（三）实验记录
1．固定v、f，改变ap（实验1）
切削用量
切削力
v
f
ap
路径/文件名
Fx
Fy
Fz
100m/min
0.28
0.5
85.00
6.87
273.07
0.28
1.0
225.90
46.70
608.91
0.28
1.5
382.87
94.20
915.57
0.28
2.0
469.10
170.63
1175.30
0.28
2.5
641.70
287.26
1520.16
f为固定值，不同实验小组在教师指导下，在表中选定一个数值进行实验。
2．固定v、ap，改变f（实验2）
切削用量
切削力
v
ap
f
路径/文件名
Fx
Fy
Fz
100m/min
1.8
0.10
210.21
130.65
490.59
1.8
0.14
305.37
140.37
682.72
1.8
0.20
420.36
146.51
847.14
1.8
0.28
485.91
158.47
1127.66
1.8
0.40
541.54
200.13
1456.38
ap为固定值，不同实验小组在教师指导下，在表中选定一个数值进行实验。
（四）数据处理
对应每组切削用量参数，系统采集到一组数据，利用系统的数据处理功能，将其转换成Excel文件，再求出算术平均值，填入上面表中相应位置。
（五）图形处理
利用系统的图形处理功能，可进行图形处理，显示、打印、保存图形。
实验1的Fx,Fy,Fz数据图
实验2的Fx,Fy,Fz数据图
实验一v100m/min，f为0.28,改变ap
实验数据处理：
lgap
-0.30
0
0.18
0.30
0.40
lgFZ
2.44
2.78
2.96
3.07
3.18
实验二v100m/min，ap为0.18，改变f
实验数据处理
lgf
-1
-0.85
-0.69
-0.55
-0.39
lgFZ
2.69
2.83
2.93
3.05
3.16
（六）经验公式建立（主切削力）
型式：
求出系数
、
、
，指数，、
。
1.由lgFz=lgCf+yFzlgf:
由函数图像可知yFz=0.7626，
所以：
Cf=10^3.4628=2902.68
2.由lgFz=lgCap+xFzlgap:
由函数图像可知xFz=1.0485
所以：
Cap=10^2.7644=581.30
3.由Fz=CfzapxFzfyFz
取ap=1.8，f=0.1时Fz=490.59
解得CFz=1533.43
七）分析讨论
1.分析切削用量ap、f对FZ的影响规律。
答：
由实验得出的计算公式
即Fz=1533.43ap1.0485f0.7626
可知背吃刀量ap和进给量f
ap↑=>切削力Fz↑（增大倍数大致相同）；
f↑=>切削力Fz↗（增大倍数略小）
背吃刀量对切削力的影响大于进给量对切削力的影响，故为提高生产效率，在相同切削力和切削功率条件下，应采用大进给量。
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