切削力测量
R l r r R l
ε??=?=? 3101
234R R U U R R R R ??=- ?++??调平衡后，U 0=0所以R 1R 4=R 2R 3。 当四个桥臂的电阻值均相等，即R 1=R 4=R 2=R 3时的电桥成为等臂电桥。
若电桥中的R 1 =R 2=R 、R 4=R 3= R’，则称为卧式电桥。若R 1=R 3=R ，R 4=R 2=R’则称为立式电桥，由于立式电桥的非线性系数是不确定的，因此在应变测量中，只应用等臂电桥和卧式电桥两种。根据工作桥臂的多少，可将电桥电路分为单路电桥，半桥差动电路和全桥电路三种。只有单臂工作的电桥电路称为单桥电路，如图4.7所示。调平衡时，由上式可得
31101
1234R R R U U R R R R R ??+?=- ?+?++?? 把R 1 =R 2、R 4=R 3代入可得
111011111224R R R U U U R R R ??+??=-≈ ?+???
如果桥臂电阻和邻边桥臂电阻都有应变片替代，且使一个应变片受拉，另一个受压，这种接法称为半桥差动工作电路，如图4.8所示。
311021
12234+R R R U U R R R R R R ??+?=- ?+?+?+?? 若△R 1 =△R 2、R 1 =R 2、R 4=R 3，则
1021
12R U U R ?≈ 若R 1=R 3=R 4=R 2，△R 1=△R 3=△R 4=△R 2，则称为全桥电路，如图4.9所示。
输出电压为
33110311223344+R R R R U U R R R R R R R R ??-?+?=- ?+?-?-?++??? 1031
R U U R ?≈ 分析上边可得到单臂半桥和全桥工作时的输出电压，可得到(1)电桥灵敏度输出信号强度之比为1：2：4。(2)电桥中相邻两臂电阻同向变化或者相对两臂电相反变化无输出信号；相邻两臂电阻相反变化或相对两臂电阻同向变化时输出信号强度为单臂工作时的两倍，此原理称为电补偿原理，对测力仪设计很重要。（3）在电源电压不能调节时电桥各臂中应变片采用串接或并接时，测量结果将反应电阻变化的综合量，并不改变电桥的灵敏度。
4.3应变式测力仪常用变形元件的力学性能
4.3.1直筋式变形元件的力学特性
1.单臂固定悬臂梁
受力后的弯矩和测量电桥如图4.10所示。B 点处的弯矩M B 和应变最大，其值为 {
max max B B M M Fl Fl WE εε==???==??
P 点处挠度最大，为3max 3p Fl f f EJ
== 式中，M ax 为最大应力；E 为弹性常数；W 为断面系数；J 为惯性矩。 对矩形截面：2211=,612
W bh J bh = 图4、10
2双固定端粱
受力后的弯矩图和测量电桥如图4.11所示。中点P 和两端点B 处的弯矩M P ，M B 和应变A P , A B 最大，其值为
max max 88P B P B Fl M M M Fl
WE εεε?===????===??
P 点处挠度最大，为max 192p Fl f f EJ ==
3衍架结构
受力时的弯矩图和测量电桥如图4.12所示。分析后可知P 点只能有位移而不能有转角，相当于双端固定梁的一半。弯矩M P ，M B 和应变A P , A B 可按双端固定悬臂梁公式计算。P 点的挠度f 也可用上式计算。
4 直筋受正压力时
即变形筋受力拉伸或压缩，变形筋上各点的应变均相等，当截面积为A 时，长度为l ，应变值和变形量为p B F f l Ebh F F E EA Ebh εσε?==????===??
5直筋受切向力时
在切向力F 的作用下，剪应力τ在矩形截面中分布如图4.13所示。最大剪应力及其产生的应变为max max max 3232F bh F E Ebh γττγε?=????==??
式中γ 与横向变形系数μ及h/b 的比值有关的系数。
筋受剪切力作用时的 ()6521Fl f bhG E G μ?=????=+??
4. 4.3.2 环式变性元件的力学特性
环式变性元件常用的有圆环和八角环。八角环现在常用的形式如图4.14所示。称为双半八角环，其简化力学模型是顶端只能水平位移而不能转角的八角环式圆环。
1 圆环的力学特性
在圆环半径远大于其厚度时，圆环可以简化为薄环的情况推算，具体计算公式如下。
（1） 圆环在垂直力F Z 作用时，B 点的垂直位移：
30.149Z z F R f EJ ??= ???
式中，R 为圆环的平均半径；J 为曲杆的惯性，在R ≥4h 时可用直杆的惯性矩2112
J bh =。 圆环受力F Z 作用时的应力状态见图4.15（a ），环B 处的应力最大，但B 点是圆环和测力仪的基本连接处，贴应变片不便，平时取A 点进行测量。A 点的应变为：
2
1.09A Z A F E Ebh σε±== 在C 点，即离垂直轴角度为39.6°处，弯矩M Z =0，忽略力的作用，A c =0。
（2） 在切向力F X 作用时，考虑B 点受测力仪的约束，只能做水平位移而不能转角。
B 点的水平位移A B 为
（3） 3
0.785x B f R f EJ
=在A 点处应变为0。 在φ=39.6°处
2
=2.31
x c F R Ebh ε 在φ=45° 2=2.81
x x F R Ebh ε 图4.15
2 八角环的力学特性
八角环的厚度不一致，受力时候的应变值和位移计算比较复杂。平时可以用简
化的计算方法，即使用一定的系数乘以圆环的公式。
测F Z 力
2091Ebh F .Z Z Z =
=（圆）（八）εε 测F X 力
23
x x 182Ebh R F .x ==（圆）（八）εε
B 点的垂直位移和水平位移可用下式计算：
???
????====EJ R F .f .f EJ R F .f .f x x x Z z z 33314052105960521（圆）（八）（圆）（八） 八角环变形元件力学特性的精确计算可用有限元法。
4.3.3薄壁圆筒变形元件的力学特性
薄壁圆筒常用于测量扭矩，如钻削测力仪等。当扭矩作用于圆筒产生剪应力，
应变片贴成45度。测扭矩的应变片粘贴位置和电桥链接电路如图4.17所示。
图4.17
在扭矩作用时，应变值为
()
3316d D E M EW M E K K K M M -?===πτε 圆筒的转角位
()
()???????+=-?=μπ?123244E G d D G l M K M 4.4 典型应变式测力仪简介
4.4.1 车削测力仪
图4.18是美国麻省理工学院20世纪60年代研究的三向车削测力仪。该测力仪
变形元件为四个水平方向的半八角形，可以测得F x,，F y ，F z 三个方向的力，被
国内很多单位采用。
图4,18
由图可见，连成相应的电桥，可以测得F x,，F y ，F z 三方向的力，并用电补偿法
消除各分力的相互干扰。
但是这种八角环测力仪存在一个缺点，主要是在z 方向上刚度较低，切削用量
较大时易引起振动。而哈尔滨工业大学研制的平行八角环三向车削测力仪，这
种测力仪采用了八角环端面贴片测横向力的新方法，使平行八角环可测三向力，
主切削力作用八角环刚度最高的受压方向，故测力仪刚度较高，切削时不易振
动。测力仪基本结构如图4.19所示。
图4,19
测主切削力F z 是测八角环受压之力，用四片电阻应变片（R 1-R 4）贴在对角的
两个半环中间，R 1和R 3受拉，R 2和R 4受压。测进给力F x,是测八角环所受的切
向力，用四片电阻应变片（R 5-R 8）贴在八角环外上斜表面上，R 7和R 8受拉，
R 5和R 6受压。测径向力F y,采用八片电阻应变片（R 9-R 16）贴在前八角环的前端
面和后环的后端面，各分力互不干扰。电阻应变片的布片形式及相应的电桥电
路如图4.19所示。
4,4,2 钻削测力仪
图4,20为薄壁圆筒式两向钻削测力仪，可测轴向力和钻削扭矩。电阻应变片布
片方式如图4,20所示。
图4,20
对于桁架立式变形筋钻削测力仪，可测轴向力F z 和相互垂直的水平分力F x,和
F y 。钻削时候不仅有垂直力和扭矩，而且有径向力。径向力在钻削时的方向和
大小是变化的。测出相互垂直的两个水平分力，可组合得到瞬时的径向力数值
和方向。电阻应变片的粘贴位置和电桥连接电路如图4.21所示。
图4.21
4,4,3 铣削测力仪
铣削时作用在工件和铣刀上的切削力大小和方向在切削过程中是变化的，因此要求测出铣削扭矩M K进给分力F x,垂直分力F z和横向分力F y并要求测力结果不受作用点位置变化的影响。要测上述四个力的参数，需要制造三向测力仪和装在机床立轴上的测扭矩刀杆。
采用组合八角环测力仪可以增加稳定性而不降低灵敏度，并且可以应用于不同场合的测力仪。图4.22(a)所示是一种八角环式三向铣削测力台，可以同时测量四个切削分力；两个水平方向的分力垂直力和围绕垂直轴作用的扭矩。每个八角环可以测量两向分力，由于四个环是相互垂直放置，故可测垂直分力和两个相互垂直的水平分力。用电补偿原理消除各分力的相互干扰和力作用点位置改变的影响。这种测力台也可用于钻削和刨削，被称为万能测力仪。这种测力仪主要缺点为不是整体结构，八角环和上下底板连接刚度不够，应徐昂测力仪刚度。为提高测力仪的刚度，有人讲上述测力台改成整体结构如图4.22(b)所示。上述两种铣削测力台都存在着自身的不足，从而设计出直筋式三向测力台（见图4,23），这种测力仪为整体结构，由两端支架固定在工作台上，采用电补偿原理消除各分力相互干扰和切削力作用点位置改变的影响，测力仪刚度高性能良好，适用于进给力较大的卧铣使用。
图4.24介绍的是一种旋转式铣削测力仪，主要包括：刀柄，力（扭矩）传感器，松耦合感应电源，信号调理及调制器，无线信号发射/接收器。
图4,24
将旋转式铣削测力仪上集成了感应电源和控制电路的测力刀柄安装在铣刀主轴上，当刀具切削加工工件时，刀具所受的切削扭矩和切削力作用在
刀柄弹性元件上使之产生弹性变形。贴在敏感元件上的应变片感受到变形使测量电桥输出微弱的电压值，这个电压值经过调理放大和转换后成为数字信号，然后由处理器将信号编码通过无线射频芯片将信号发射出去，地面接收端将受到信号后，解码后传输给计算机进行存储后将信号发射出去，地面接收端受到信号后进行处理分析，旋转测力仪既可以采集加工过程中的铣刀切削力也可以采集机床振动信号。
4.4.4磨削测力仪
一般分为两种，一种是外圆磨床使用的测力仪，这种测力仪用一对测力顶尖，原理如图4..25所示。可以测得磨削时的径向力和切向力。另一种是平磨时使用的测力仪，可以测得平磨时的垂直力和切向力。
4.4.5 滚齿测力仪
滚齿测力仪是一种可以测量滚削齿轮时的三向测力仪，应变片（R1-R4）贴在刀杆上，导线用激流环引出，可测Fz引起的刀杆扭矩，应变片应变片（R5-R8）可测径向力，应变片（R9-R16）可测进给力引起的工件轴扭矩，如图4.27所示。
4.5 压电晶体测力仪
4,5,1 石英晶体的压电效应
晶体由于机械力的作用，而激起晶体表面电荷的现象，称为“压电效应”。压电材料可分为铁电晶体与压电晶体两大类。石英晶体是一种各向异性的单晶体，有左旋和右旋两种，均可作为压电晶体。石英晶体的外形呈六棱柱状，理想晶体形状如图4.28所示。其坐标轴如图所示，x轴—电轴，y轴—机械轴，z轴—
光轴，可根据需要将石英晶体切成不同方向和不同尺寸的晶体，作为力电转换
元件的石英晶体，主要是低温型的α石英，当温度达到573℃时，即转化为高
温型β石英，即失去压电性能，
具有压电效应的晶体很多，在测力仪中用作力传感器的，现在只有石英晶体。
石英晶体不用人工极化，没有热释电效应，具有较高的力电转换效率和转换精
度，线性范围宽，重复性精度高滞后效小。一个最突出的特点是石英晶体具有
十分优秀的动态品质，自振频率高，更为可贵的是振频稳定性非常良好，从稳
定性方面考虑，至今没有其他材料比得上石英。正因如此，石英晶体对准静态
和动态力检测是十分理想的传感元件。
石英晶体之所以具有压电效应，是与晶体内部结构有关，将组成α石英晶体
（SiO2）的硅离子和氧离子垂直于晶体z轴的xy平面上投影，并等效为正六边
形排列。
图4.30为石英晶体压电机理示意图，当晶体为受力作用时，正负离子正好分布
在正六边形的角顶上，形成三个互成夹角120°电偶极矩P1，P2，P3，如图4.30
（a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即此时晶体表
面没有带电现象。
图4,30
但当晶体受到沿x方向的压力F x作用时，晶体受到压缩而产生形变，正负离子
的相对位置也随之发生变化，此时正负电荷中心不再重合，电偶极矩在x方向
的分量为：（P1+P2+P3）>0
在y与z方向的分量为：（P1+P2+P3）y =0
（P1+P2+P3）z =0
由上式可以看出，在x轴正向出现正电荷：在y方向则不出现电荷。当晶体受到沿x方向的拉力作用时，其变化情况如图4.30（c）所示。此时，电偶极矩三个分量为：
P1+P2+P3）x<0
（P1+P2+P3）y =0
（P1+P2+P3）z =0
由上式可以看出，在x轴正向出现正电荷：在y方向则不出现电荷。在x轴方
向上施加拉力和压力产生的压电效应称为纵向压电效应，此外，在y方向施加
压力和拉力，使晶体沿y方向作拉压变形，产生横向压电效应。施加切向力，
使晶体的z即（xy）面，作剪切变形，产生切向压电效应，如图4.31所示。在
z轴方向上加外力时，由于正负离子位置保持不变，（P1，P2，P3）=0，所以不
产生任何方向上的压电效应。
图4,31 压电效应类型
石英晶体片因切片方向的不同有不同方向的压电效应，如图4.32所示。垂直于
x轴切成晶片仅对垂直于晶片的力敏感，产生电荷，而对切向力不敏感。垂直
于y轴切成晶片对切向力敏感，产生电荷，而对垂直力不敏感，因此通过使用
不同的晶片组合可以达到测量多向力的目的。石英晶体的这种压电效应对它用
于测多向力的测力仪较为重要。
4.5.2 压电晶体传感器
压电式测力传感器作为压电测力系统的核心元件，利用压电元件直接实现力—
电转换，在拉和压场合，通常较多采用双片或多片石英晶片作为压电元件。它
刚度大，测量范围宽，线性及稳定性高，动态特性好。当采用大时间常数的电
荷放大器时，可测量准静态力。按测力状态分有单向，双向和三向传感器，他
们在结构上基本一样，如图 4.33所示。
图4.33.
单向力传感器的结构如图4.33(a)所示，为原片形或圆环形，用两个X0°晶片，
表面镀银，极性相反安装，中间为一金属电机，晶体另一面和不锈钢外壳接触，
为另一电极。上盖为传力元件，其弹性变形部分的厚度较薄，一般为0.1-0.5mm ，
由测力范围决定。聚四氟乙烯绝缘套用来绝缘和定位。
双向和三向力传感器原理与单向力传感器类似，结构如图4.33（b ）和（c ）所
示。其中三向力传感器将分别用于测三个分力的单元晶体组形成一个组合晶体。
压电晶体三向力传感器为方形带内孔，用一组X0°晶片测量垂直力F x ,两组
Y0°晶片使其切向力敏感方向互相垂直放置，测量相互垂直的两切向力。在三
向力传感器组合晶组的组装过程中，须将分别用于测量F x , F y , F z 力的两切向单
元晶组的最大灵敏度轴成90°放置，这样才能使传感器各向间横向干扰理论上
为零。
由于压电传感器良好的特性，已经有众多产品可供选择，商用垫圈式压电传感
器如图4.34所示。
图4.34
压电式传感器具有以下特点：静态特性好，动态特性好，稳定性好及使用性能
好。
缺点：不适于测量长时间作用的静态力，在静态和准静态测量中对环境湿度等
要求较严格。
4.5.3 压电传感器测力仪的设计
压电传感器测力仪的设计一般包括以下步骤：
i. 传感器晶组的设计
（1） 石英晶组的选择 对石英晶组的主要要求是信号转换的效率
最高且横向干扰最小，一般采用同一切型的两片晶片构成一
个单元晶组，
（2） 晶片尺寸的计算 力电转换的石英晶体为了便于安装大多数
采用正方形的形状，对于三向压电晶体测力仪的压电石英晶
片，为了在扭矩测量中更有效的传递扭矩，并防止界面翘曲，
通常采用中心螺孔穿过石英晶组加紧预紧力。晶片结构如图
4.35所示。
在实际应用中，外边长和内圆半径是晶片的面积参数，它们
的大小主要取决于测力仪所要求的最大承载能力，一般可以粗略地按如下公式确定：△
++==-p m P F F F F R a εσπ11
22
式中σp 为石英晶片的抗压强度极限，ε为过载系数，F m 为直
接作用在测力仪承载面上的最大被测载荷或其当量载荷；△
为有效承载能力的损失，F p 为测力仪的预载。
2 壳体结构的设计
壳体结构的设计根据具体的测力需求进行，一般性原则如下。
（1）结构刚性：为了满足动态力测试需要，三向压电钻削测力仪的刚性一定要好，而且各向刚性最好相近，构成零件数和结合面数越少越好，在满足刚度要求下，构件越轻越好，最
好是整体结构。
（2）结构对称性：为了测力仪的向间干扰，除要求选用横向干扰小的测量晶组外，测力仪的变形构件结构相对于测量晶组的坐标轴必须严格对称，、。
（3）结构工艺性：测力仪结构设计必须便于加工，便于测量晶组的安装、定位、调整、维护和维修，特别是与晶片接触表面，一般都必须经过刮研与研磨，工艺性要好，这样才容易保证接触表面的质量要求。
（4）结构稳定性：测力仪应该不因外界环境的干扰而测力仪的预紧力以及晶组接触面的应力分布发生变化，首先测力仪的材料应稳定，受热变形要小，其次结构要合理。 以三向压电钻削测力仪为例，对其壳体结构的设计进行说明。
三向压电钻削测力仪在设计中采用弹性性能好、滞后小的弹性合金来制造，可采用1Cr18Ni9T 这种材料。在其他条件不变的情况下，保证和提高测量晶组的灵敏度是测力仪结构设计的关键。测力仪的受力变形膜是弹性元件，因此测力仪的力学模型可简化为并联弹簧的形式，如图4.36所示。图中：
j t c F F F +=
式中F c 为作用在测力仪承载面上的被测外力；F t 为消耗在外壳弹性膜变形上的力，其变形量为△l t ；F j 为通过承载面作用在晶组上的力，其变形量为△l j 。
作用在测力仪壳体内晶组上的力并不是被测力F c 的全部，消耗在弹性变形环节上的F t 并不参加力电转换，F t 越大则F j 越小，测力仪的灵敏度越小。
图4,36
为了保证和达到提高灵敏度的要求，就应使测力仪的实际灵敏度尽量接近晶组的灵敏度，以得到尽可能高的转换效率，那么测力仪壳体变形环节的设计必须使F j 尽量大，F t 尽量小。由于力的分配比等于其刚度之比，即
c t j j j t
j j t j t j
F K K K F ,F F F ,K K F F +=+= 式中，K j 为测量晶组之间的等效刚度；K t 壳体弹性变形的刚度。
只有当K t 远远小于K j 时，才能使F c=F j 。因此，考虑测力仪的量程，在满足工艺条件的情况下，应尽量减薄弹性变形环节的厚度，其中包括上盖与下座的内与外环弹性膜及壳体柱面与上盖下座结合处的弹性壁，其目的是使K t 尽量减小。在结构允许、固有频率满足要求的前提下，可适当加宽上、下底弹性膜的宽度。
测力仪壳体的设计应使横向干扰小，线性度高。这就要求在同一承面上，结构设计必须使外环变形膜与内环变形膜具有相同的刚度；要求每一个变形膜的宽度在其整个圆周上相等，且厚度一致；壳体的封口柱面与其上下底面严格垂直，上盖与底座的所有平面都应分别严格平行。此外，壳体部分的密封应该可靠，结构要合理，造型要美观和大方。典型的三向压电钻削测力仪壳体结构如图4,37所示。
图4,37
3 测力仪扭矩量程的计算
若测力仪轴向施加上一定的预紧力F m ，则在扭矩测量晶组的组合端面上便产生了一定的摩擦力，可求得摩擦力大小为
m f fF F =
式中，f 为石英与金属的摩擦系数，为0.1。
摩擦力乘以摩擦半径得到摩擦力矩M f ，若忽略壳体弹性变形的情况下，M f 和所受的检
测力矩M t 是相等的，当N 已知时，σ=F m /A ，将晶面采用微元面积积分的方法，如图4.38所示。
在此微元积分面元的扭矩dM f 为
σd y x A N f M t 22+??=??
然后在整个面积上积分，获得检测力矩M t ： σd y x A N f M t 22+??
=?? 4 测力仪灵敏度的计算
灵敏度指输入信号和输出信号的比值。三向压电测力仪的灵敏度分为扭转灵敏度、轴向灵敏度和径向灵敏度。
扭转灵敏度计算方法：扭转效应锁山省的电荷量的总量=电荷放大器前端的总电量。在测力仪的使用中，Q 是一个和Mt 成正比的式子，可以得出
S=Q/M t
轴向和径向灵敏度的计算方法与扭转灵敏度的计算方法类似。
S=Q/F
4.5.4 压电测力仪的使用
1. 压电传感器测试系统
压电传感器输出的电荷，经电荷放大器及峰值电压表，接入到电子示波器显示或光线示波器记录们现在国内与压电式测力仪配套使用的电荷放大器等已得到解决，有标准产品，为使用压电式测力仪提供了条件。典型的压电式传感器测试系统如图4.39所示。
图4,39
压电式测力仪的自振频率高，动态特性好，在测动态力时优点很明显，但价格昂贵，使用维护要求很严格，适合在要求较高的科研实验室中使用。
2. 常见压电传感器测力仪结构
图4,40所示为使用单向压电传感器的单向车削测力仪。结构为悬臂刀杆式。可以测量主切削力F Z
图4.41（a ）为两个单向压电传感器双向测力刀杆，可以测量F z 和F Y 两向切削力。 图4.41（b ）为使用三向传感器的测力仪。可测量三向切削力，这种结构也用于制作三向铣削测力台，这种测力仪经实际使用性能良好。
图4.41
图4.42是使用压电传感器的钻削测力仪，它用四个压电传感器，可以测量钻削时的三向切削力和扭矩。
图4,42
3. Kistler 测力仪
瑞士Kistler 测力仪公司成立于1957年，是世界著名的压电传感器制造商。其测力系统具有优异的性能，在切削力测量领域得到了广泛使用，尤其在高速切磨削力的测试中。Kistler 公司与1969年退出了世界上第一个商用石英三向力传感器，1993年推出了世界上第一台旋转式石英测力仪。Kistler 测力仪具有以下特点：
（1）灵敏性极强，但要注意防止负荷较大。
（2）测量范围广，一个测力台能够测量人的心率和弹跳力；
（3）固有频率高，可以测量很高的动态力：
（4）使用安全稳定，而且寿命长
（5）不需要进行参数的重新标定；
（6）有着很好的可信度和准确性
图4.43（a ）为kistler 商用台式切削测力仪，第一款为通用台式切削测力仪可测量F x,，F y ，F z 三方向的切削力，第二款为六分量切削力测力仪，可测量F x,，F y ，F z 和M x,，M y ，M z 六分量的切削力。图4.43（b ）为旋转式高速铣削测力仪，可测量F x,，F y ，F z 和M z 四个分量的切削力。
Kistler 公司同样提供了成套的测力系统，可以方便地进行切削力的测量、记录和分析。整套系统由测力仪、连接电缆、电荷放大器、数据采集系统、数据记录和分析软件组成，如图
4.44所示。
图4,44
4.6测力仪的标定
测力仪的标定即通过一定的方式找出作用于测力仪上的力与输出电信号之间的关系。
用各种测力仪直接得到的读数是机械量或电量，要经过进一步折算后才能知道切削力的大小，为此要进行测力仪的标定，标定的准确与否将直接影响测量结果的准确性和可靠性。通常动态测力仪必须进行静态与动态标定。
4,6,1 静态标定
1目的
静态标定的目的是得到能提供下列信息的几根标定曲线：静刚度，灵敏度，交叉灵敏度。精度，线性，回差，温度的影响，与加力点位置的关系。
刚度是测力仪最重要的性质，测力仪有足够的刚度是指刀具在负荷作用下的位移在所有三个方向都应很小。
当测试装置的输入x 有一增量△x ，引起输出y 发生相应的变化△y 时，则定义：S=△y/△x 为改测试系统的灵敏度。线性装置的灵敏度S 为常数，是输入-输出关系直线的斜率，斜率越大，其灵敏度就越高i ，非线性装置的灵敏度S 是一个变量，即x-y 关系曲线的斜率，输入量不同，灵敏度就不同，通常用拟合直线的斜率表示装置的平均灵敏度。灵敏度的量纲由输入和输出的量纲决定。应该注意的是装置的灵敏度越高，就越容易受外界干扰的影响，即装置的稳定性越差。
由交叉灵敏度所引起的误差就是：在某一方向j 上加一个负荷Fai 后引起在吹之一j 的另一方向i 上有关里的读数Fmi 与该方向上所加的力Fai 之差值Eij ，即
()
aj ai m i ti F f F F E =-= 交叉灵敏度即相互干扰用百分数来表示：
%F F F F E aj
ai mi ai ti ti 100?-==ε 限制交叉灵敏度的办法是精心设计、精确加工和精细装配。如果在合理的精度范围内交叉灵敏度可认为是常数，则可用图4.45所示电子线路补偿。
图4.45
2. 加载方法
获得标定曲线既可以用逐步加载法，也可以用连续加载法。使用力传感器标定的布置示意图如图4.46所示。
加载时应注意：
（1）加载时的力作用点的位置正好在刀尖位置，标定后再试验力作用点偏移5mm ，输出读
书误差不超过5%；
（2）加载力的作用线方向应准确，如力作用方向偏4′，输出读数的误差将为0.1% （3）标定铣削测力台时，应在工作台面有效面积各处加载，读数误差应小于5%；
图4/46
（4）标定后应计算出各力的灵敏度，即每加载10N力时输出的应变数，计算出各分力互相干扰的百分数，相互干扰不应超过4%-5%。
（5）用液压系统或螺旋经过力传感器施加负荷F，力传感器的输出为E，测力仪的输出是S i（S x,Sy,S z）这样就可以用相同的方法非常迅速的求得S i相对于F i(或E i）的标定曲线，同样也很容易求得Si-F i相对于F i的曲线，以表示非线性和回差，如图4.47所示。
图4.47
3.静态标定系统
静态标定装置利用测力计给测力仪施加标准力。测力仪的输出信号经过电桥盒进入电阻应变仪，其输出的模拟量经过A/D转换送给计算机内存单元，经计算机处理后，在显示屏上显示力与电压值之间的关系曲线，静定标定装置如图4.48所示，标定步骤如图4,49所示。4.6.2 动态标定
所谓动态标定，就是在频率域中对测力仪的幅值和相位输出进行标定，测力仪的动态标定方框图如图4,50所示。
动态标定的目的在于测力前就知道测力仪在不同频率下的幅相误差，以便在处理实际的测力数据时能够进行误差修正从而提高了测力数据的准确性。
测力仪的动态标定的目的在意获得第一固有频率、频率特性和频率响应曲线，从而确定测力仪的工作频率范围和动态品质。可以通过敲击法、激振法以获得第一固有频率。
热导检测器工作原理、结构组成及检测条件
热导检测器 热导检测器（TCD）是利用被测组分和载气的热导系数不同而响应的浓度型检测器，有的亦称热丝检测器（HWD）或热导计、卡他计（katherometer或Catherometer），它是知名的整体性能检测器，属物理常数检测方法。 一、工作原理 TCD由热导池及其检测电路组成。图3-2-1下部为TCD与进样器及色谱柱的连接示意图，上部为惠斯顿电桥检测电路图。载气流经参考池腔、进样器、色谱柱，从测量池腔排出。 R1、R2为固定电阻；R3、R4分别为测量臂和参考臂热丝。 当调节载气流速、桥电流及TCD温度至一定值后，TCD处于工作状态。从电源E流出之电流I 在A 点分成二路i1、i2 至 B 点汇合，而后回到电源。这时，两个热丝均处于被加热状态，维持一定的丝温Tf，池体处于一定的池温 Tw。一般要求Tf与Tw差应大于100℃以上，以保证热丝向池壁传导热量。当只有载气通过测量臂和参考臂时，由于二臂气体组成相同，从热丝向池壁传导的热量相等，故热丝温度保持恒定；热丝的阻值是温度的函数，温度不变，阻值亦不变；这时电桥处于平衡状态：R1R3＝R2R4, 或写成R1/R4＝R2/R3。M、N二点电位相等，电位差为零，无信号输出。当从2进样，经柱分离，从柱后流出之组分进入测量臂时，由于这时的气体是载气和组分的混合物，其热导系数不同于纯载气，从热丝向池壁传导的热量也就不同，从而引起两臂热丝温度不同，进而使两臂热丝阻值不同，电桥平衡破坏。M、N 二点电位不等，即有电位差，输出信号。 二、热导池由热敏元件和池体组成 1 热敏元件 热敏元件是TCD的感应元件，其阻值随温度变化而改变，它们可以是热敏电阻或热丝。（1）热敏电阻热敏电阻由锰、镍、钴等氧化物半导体制成直径约为～1.0mm的小珠，密封在玻壳内。 热敏电阻有三个优点：①热敏电阻阻值大（5～50kΩ），温度系数亦大，故灵敏度相当高。可直接作μg/g级的痕量分析；②热敏电阻体积小，可作成0.25mm直径的小球，这样池腔可小至50μL；③热敏电阻对载气流的波动不敏感，它耐腐蚀性和抗氧化。 热敏电阻也有三个缺点：①热敏电阻#$%的响应值随温度的增加而快速下降，因此，通常热敏电阻要在120℃以下使用。使用范围受到极大的限制；②与热丝相比，热敏电阻的温度系数大，表现为其响应值对于温度的变化十分敏感。例如在60℃时，池温改变1℃，热敏电阻和热丝的基线漂移分别为和，前者比后者大一倍多，因此，热敏电阻的稳定性差，特别是在程升操作时，尤为突出；③热敏电阻对还原条件十分敏感，故不能用氢气作载气。 目前，只有下二情况可用热敏电阻作热敏元件；一是低温痕量分析；二是需小池体积配毛细管柱。其他情况很少用热敏电阻，而多用热丝。而且，近年热敏电阻可作成小池体积的优势也在逐渐下降。 （2）热丝一个性能优异的TCD，对热丝的要求主要考虑四点：①电阻率高，以便可在相同长度内得到高阻值；②电阻温度系数大，以便通桥流加热后得到高阻值；③强度好；④耐氧化或腐蚀。①、②是为了获得高灵敏度，同时丝体积小，可缩小池体积，制作。③、④是为了获得高稳定性。表 3 -2-3 列出了商品TCD中常用的热丝性能。 钨丝电阻率低，相同长度之阻值只有铁铼丝的一半，灵敏度难以提高。另外，钨丝强度差，高温下易氧化，致使噪声增加、信!噪比下降。
切削力实验报告
篇一：007切削力测量实验报告 专业班级姓名学号专业班级姓名学号实验日期实验地点 40号楼一楼实验室成绩 实验名称切削力测量实验 实验目的 本次切削力测量实验的目的在于巩固和深化《机械制造技术基础》课堂所学的有关切削力的理论知识，正确认识切削力直接影响切削热、刀具磨损与使用寿命、加工精度和已加工表面质量等问题。因此，研究切削力的规律，对于分析切削过程和生产实际是十分重要的。 本次实验在实验老师的指导下，达到如下实验目的： 1、了解三向切削力实验的原理和方法； 2、进行切削力单因素实验，了解背吃刀量、进给量和切削速度三大切削用量对切削力的影响规律，获得三向切削力实验公式； 3、了解在计算机辅助下的、利用三向测力仪进行切削力实验的软、硬件系统构成，以及三向切削测力仪标定的原理和方法。 实验基本原理 切削力是机械切削加工中的一个关键因素，它直接影响着机床、夹具等工艺装备的工作状态（功率、变形、振动等），影响着工件的加工精度、生产效率和生产成本等。 切削力的来源有两个：一是切削层金属、切屑和工件表层金属的弹塑性变形所产生的抗力；二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。 影响切削力的因素很多，工件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具磨损状况、切削液的种类和性能、刀具材料等都对切削力有较大的影响。 实验基本步骤 1、实验指导教师讲解实验的目的和要求；强调实验的纪律、进行安全教育。 2、车床及工件的准备：将圆钢棒材（工件）安装在车床上，利用三爪卡盘和活动顶尖将棒材装夹到位；安装车刀，注意刀尖对准车床的中心高，然后启动车床将工件外圆表面加工平整； 3、dj-cl-1型三向切削力实验系统的准备： 1）启动切削力实验程序，在“输入实验编号”栏目内，输入年级、专业、班级、组号、实验次数和主题词等，并点击“确定”； 2）点击“零位调整”软按钮，调出零位调整界面，进行三向零位调整； 3）点击“切削力实验方式向导”软按钮，调出切削力实验方式向导界面，进行实验方式选择：选择切削力单因素实验； 4、进行不改变进给量及切削速度，只改变背吃刀量单因素切削力实验； 5、进行不改变进给量及背吃刀量，只改变切削速度单因素切削力实验； 6、进行不改变背吃刀量及切削速度，只改变进给量单因素切削力实验； 7、建立单因素切削力实验综合公式，并输出实验报告。 原始记录 1、车床型号 c6240 2、工件参数工件参数见表1 3、测力传感器型号 dj-04b-917 4、刀具参数：刀具（刀片）材料 yt15 5、刀具几何参数刀具几何参数见表2 表2 单因素切削力实验刀具几何参数6、实验结果： 单因素实验图 改变背吃刀量、改变进给量和改变切削速度的切削力实验图见图 1、图2和图3。 3000 (n) 三向切削力 2500 2000 1500 1000500 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3图
实验二 车削加工切削力测量实验报告书110
车削加工切削力测量实验报告书 学号 姓名傅亥杰 小组11 时间2015年12月17日 成绩 上海大学生产工程实验中心 2015-11
一．实验概述 切削过程中，会产生一系列物理现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等。对切削加工过程中的切削力、切削温度进行实时测量，是研究切削机理的基本实验手段和主要研究方法。通过对实测的切削力、进行分析处理，可以推断切削过程中的切削变形、刀具磨损、工件表面质量的变化机理。在此基础上，可进一步为切削用量优化，提高零件加工精度等提供实验数据支持。 通过本实验可使同学熟悉制造技术工程中的基础实验技术和方法，理解设计手册中的设计参数的来由，在处理实际工程问题中能合理应用经验数据。 二．实验目的与要求 1.掌握车削用量υ、f、a，对切削力及变形的影响。 2.了解刀具角度对切削力及变形的影响。 3.理解切削力测量方法的基本原理、了解所使用的设备和仪器。 4.理解切削力经验公式推导的基本方法，掌握实验数据处理方法。 三．实验系统组成 实验系统由下列设备仪器组成 1、微型数控车床KC0628S 2、车床测力刀架系统（图1），包括 （1）车削测力刀架 （2）动态应变仪 （3）USB数据采集卡 （4）台式计算机 图1
四、实验数据记录与数据处理 1. 切削力测量记录表1
整理采集点并运用MATLAB对数据处理如下：
2. 请按指数规律拟合主切削力或背刀力和切削深度、进给量的关系，建立切削力的经验公式。 答：对已有数据运用最小二乘法进行拟合，得出主（背）切削力关于进给量的双对数y=ax+b曲线及参数,其中1、2为主切削力，3、4为背向力：k1= b1= k2= b2= k3= b3= k4= b4= 对已有数据运用最小二乘法进行拟合（由于只有两个数据，故直接取直线求解），得出主（背）切削力关于切削深度的双对数y=ax+b的参数，其中1、2为主切削力，3、4为背向力： k1= b1= k2= b2= k3= b3= k4= b4= 经上述数据可以计算得,其中1为主切削力，2为背向力： X Fc1 = Y Fc1 = X Fc2= Y Fc2 = C ap1= C ap2=
切削力的经验公式
切削力的经验公式 目前，人们已经积累了大量的切削力实验数据，对于一般加工方法，如车削、孔加工和铣削等已建立起了可直接利用的经验公式。 测力实验的方法有单因素法和多因素法，通常采用单因素法。即固定其它实验条件，在切削时分别改变背吃刀量ap和进给量f，并从测力仪上读出对应切削力数值，然后经过数据整理求出它们之间的函数关系式。 通过切削力实验建立的车削力实验公式，其一般形式为： 注意：切削力实验公式是在特定的实验条件下求出来的。在计算切削力时，如果切削条件与实验条件不符，需乘一个修正系数KF，它是包括了许多因素的修正系数乘积。修正系数也是用实验方法求出。 三、单位切削力、切削功率和单位切削功率 1、单位切削力p：是指切除单位切削层面积所产生的主切削力。可用下式表示： 上式表明，单位切削力p与进给量f有关，它随着进给量f增大而减小。单位切削力p不受背吃刀量ap的影响。 单位切削力p可查手册，利用单位切削力P来计算主切削力Fz较为简易直观。 2、切削功率Pm：消耗在切削过程中的功率称为切削功率Pm(国标为Po)。 切削功率为力Fz和Fx所消耗的功率之和，因Fy方向没有位移，所以不消耗功率。于是 Pm=(FzVc+Fxnwf/1000)×10-3 其中：Pm—切削功率（KW）； Fz—切削力（N）； Vc—切削速度（m/s）； Fx—进给力（N）； nw—工件转速（r/s）； f—进给量（mm/s）。 式中等号右侧的第二项是消耗在进给运动中的功率，它占总功率5%左右，可以略去不计，于是 Pm=FzVc×10-3 按上式求得切削功率后，如要计算机床电动机的功率（PE）以便选择机床电动机时，还应考虑到机床传动效率。 PE≥Pm/ηm 式中：ηm—机床的传动效率，一般取为0.75～0.85，大值适用于新机床，小值适用于旧机床。 3、单位切削功率Ps 单位切削功率Ps是指单位时间内切除单位体积金属Zw所消耗的功率。 四、切削力的变化规律 实践证明，切削力的影响因素很多，主要有工件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具材料刀具磨损状态和切削液等。 1、工件材料 （1）硬度或强度提高，剪切屈服强度τs增大，切削力增大。 （2）塑性或韧性提高，切屑不易折断，切屑与前刀面摩擦增大，切削力增大。 2、切削用量
刀具,切削力实验报告
实验目录 实验一、车刀角度的测量。 实验二、（1）车削力的测定及经验公式的建立。 （2）用切削力动态测量显示系统和YDC-III89型压电式车削测力仪测量三向车削力。 附录：切削力动态测量显示系统和YDC-III89型压电式车削测力仪使用说明书。 实验注意事项 一、实验前，学生必须预习实验指导书和教材（包括课堂笔记）上有关内容。 二、进人实验室要注意安全（女同学带工作帽）。不得擅自开动机床或搬动其它设 备手柄等。 三、使用与操作仪器要细心，损坏者按学校规定进行赔偿。 四、实验做完之后，应及时清理切屑，擦净机床，整理收拾工具仪器等。 五、实验完后应对实验数据进行整理、分析讨论，并认真填写实验报告交教师审阅。 六、实验缺课或不及格者，取消参加考试资格。
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λs C型量K r、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 、K r、K r·、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K r和K r〃。
热导分析仪维护
1.4热导分析仪 1.4.1框图及原理 热导式分析仪是利用各种气体的热传导速度各不相同的物理特性制成的，可分析混合气体中某组分的百分含量，彼此无化学反映的混合气体的导热系数近似为各组分导热系数的算术平均值。使用时需满足：混合气体中除被测组分外，其余组分导热系数相近，且被测组分与其余组分导热系数要有明显差别。即入（侧）>>入（其余），入（混）=入（其余）+〔入（侧）—入（其余）〕×C（侧），因H2的导热系数最大，传热能力最强，CO2、SO2、Ar等比一般气体导热系数小，故热导式分析仪一般用于测以上几种。 （1）热导式分析仪检测器（热导池）的工作原理 由于气体导热系数都很小，直接测量较难，一般使导热系数变化转为热敏电阻值的变化，经测组值来测待测组分的体积百分含量。 热导池一般为圆筒内垂直挂一热敏电阻（如铂丝），电阻上通电流，气室内电阻丝产生的热量为Q=0.24I2Rn（Rn：电流工作作用下电阻丝平衡温度Tn 时的阻值）。 电阻丝向四周散热形式有：周围气体的热传导、热对流、辐射散热、被流通气体带走的热量、电阻丝轴向热传导等，只有热传导是经导热系数来反映的，其余为干扰，为减少干扰可用加大电阻丝长度与直径比、控制电阻丝热平衡温度，减去气室内壁温度<200℃，减小气室内半径、使被测气体流量小且恒定等措施。 当电阻丝产生的热量与经气体热传导所散失的热量相等时达到热量平衡，此时经理论计算电阻丝阻值与导热系数间为单位函数。热导分析仪都有稳压、稳流、恒温装置以保证流过电阻丝的电流、壁温、气体流量稳定。 图1.4.1－1 （2）检测器类型及测量回路 检测器结构有分流式、对流式、扩散式、对流扩散式四种。
车削加工切削力测量实验报告书(附指导书)
车削加工切削力测量实验报告书 学号 ___________________ 姓名 ___________________ 小组 ___________________ 时间 ___________________ 成绩 ___________________ 上海大学生产工程实验中心 2014-11
?实验概述 切削过程中，会产生一系列物理现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具 磨损等。对切削加工过程中的切削力、切削温度进行实时测量，是研究切削机理的基本实验 手段和主要研究方法。通过对实测的切削力、进行分析处理，可以推断切削过程中的切削变形、刀具磨损、工件表面质量的变化机理。在此基础上，可进一步为切削用量优化，提高零件加工精度等提供实验数据支持。 通过本实验可使同学熟悉制造技术工程中的基础实验技术和方法, 理解设计手册中的设计参数的来由，在处理实际工程问题中能合理应用经验数据。 二?实验目的与要求 1. 掌握车削用量U、f、a p,对切削力及变形的影响。 2. 了解刀具角度对切削力及变形的影响。 3. 理解切削力测量方法的基本原理、了解所使用的设备和仪器。 4. 理解切削力经验公式推导的基本方法，掌握实验数据处理方法。三?实验系统组成 实验系统由下列设备仪器组成 1、微型数控车床KC0628S 2、车床测力刀架系统(图1),包括 (1)车削测力刀架 (2)动态应变仪 (3)USB数据采集卡 (4)台式计算机
四、实验数据记录与数据处理 2. 请按指数规律拟合主切削力或背刀力和切削深度、进给量的关系，建立切削力的经验公式。答：（请将数据处理过程写于此处）
热导检测器(TCD)原理及操作注意事项
【资料】－热导检测器（TCD）原理及操作注意事项 热导检测器 热导检测器（TCD）是利用被测组分和载气的热导系数不同而响应的浓度型检测器，有的亦称热丝检测器（HWD）或热导计、卡他计（katherometer或Catherometer），它是知名的整体性能检测器，属物理常数检测方法。 一、工作原理 TCD由热导池及其检测电路组成。图3-2-1下部为TCD与进样器及色谱柱的连接示意图，上部为惠斯顿电桥检测电路图。载气流经参考池腔、进样器、色谱柱，从测量池腔排出。 R1、R2为固定电阻；R3、R4分别为测量臂和参考臂热丝。 当调节载气流速、桥电流及TCD温度至一定值后，TCD处于工作状态。从电源E 流出之电流I 在A 点分成二路i1、i2 至 B 点汇合，而后回到电源。这时，两个热丝均处于被加热状态，维持一定的丝温Tf，池体处于一定的池温Tw。一般要求Tf与Tw差应大于100℃以上，以保证热丝向池壁传导热量。当只有载气通过测量臂和参考臂时，由于二臂气体组成相同，从热丝向池壁传导的热量相等，故热丝温度保持恒定；热丝的阻值是温度的函数，温度不变，阻值亦不变；这时电桥处于平衡状态：R1?R3＝R2?R4, 或写成R1/R4＝R2/R3。M、N二点电位相等，
电位差为零，无信号输出。当从2进样，经柱分离，从柱后流出之组分进入测量臂时，由于这时的气体是载气和组分的混合物，其热导系数不同于纯载气，从热丝向池壁传导的热量也就不同，从而引起两臂热丝温度不同，进而使两臂热丝阻值不同，电桥平衡破坏。M、N二点电位不等，即有电位差，输出信号。 二、热导池由热敏元件和池体组成 1 热敏元件 热敏元件是TCD的感应元件，其阻值随温度变化而改变，它们可以是热敏电阻或热丝。 （1）热敏电阻 ．．．．热敏电阻由锰、镍、钴等氧化物半导体制成直径约为0.1～1.0mm 的小珠，密封在玻壳内。 热敏电阻有三个优点 ．．：①热敏电阻阻值大（5～50kΩ），温度系数亦大，故灵敏度相当高。可直接作μg/g级的痕量分析；②热敏电阻体积小，可作成0.25mm直径的小球，这样池腔可小至50μL；③热敏电阻对载气流的波动不敏感，它耐腐蚀性和抗氧化。 热敏电阻也有三个缺点 ．．：①热敏电阻#$%的响应值随温度的增加而快速下降，因此，通常热敏电阻要在120℃以下使用。使用范围受到极大的限制；②与热丝相比，热敏电阻的温度系数大，表现为其响应值对于温度的变化十分敏感。例如在60℃时，池温改变1℃，热敏电阻和热丝的基线漂移分别为10.4mV和5.0mV，前者比后者大一倍多，因此，热敏电阻的稳定性差，特别是在程升操作时，尤为突出；③热敏电阻对还原条件十分敏感，故不能用氢气作载气。 目前，只有下二情况可用热敏电阻作热敏元件；一是低温痕量分析；二是需小池体积配毛细管柱。其他情况很少用热敏电阻，而多用热丝。而且，近年热敏电阻可作成小池体积的优势也在逐渐下降。 （2）热丝 ．．一个性能优异的TCD，对热丝的要求主要考虑四点：①电阻率高，以便可在相同长度内得到高阻值；②电阻温度系数大，以便通桥流加热后得到高 阻值；③强度好；④耐氧化或腐蚀。①、②是为了获得高灵敏度 ．．．．，同时丝体积小 ，可缩小池体积，制作微TCD。③、④是为了获得高稳定性 ．．．．。表 3 -2-3 列出了商品TCD中常用的热丝性能。
切削力计算的经验公式.-切削力计算
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度压缩比有所下降，但切削力总趋势还是增大的。强度、硬度相近的材料，塑性大，则与刀面的摩擦系数μ也较大，故切削力增大。灰铸铁及其它脆性材料，切削时一般形成崩碎切屑，切屑与前刀面的接触长度短，摩擦小，故切削力较小。材料的高温强度高，切削力增大。 ⑵切削用量的影响 ①背吃刀量和进给量的影响背吃刀量ap或进给量f加大，均使切削力增大，但两者的影响程度不同。加大ap 时，切削厚度压缩比不变，切削力成正比例增大；加大f加大时，有所下降，故切削力不成正比例增大。在车削力的经验公式中，加工各种材料的ap指数xFc≈1，而f的指数yFc=0.75～0.9，即当ap加大一倍时，Fc也增大一倍；而f加大一倍时，Fc只增大68%～86%。因此，切削加工中，如从切削力和切削功率角度考虑，加大进给量比加大背吃刀量有利。 ②切削速度的影响在图3-15的实验条件下加工塑性金属，切削速度vc＞27m/min 时，积屑瘤消失，切削力一般随切削速度的增大而减小。这主要是因为随着vc的增大，切削温度升高，μ下降，从而使ξ减小。在vc＜27m/min时，切削力是受积屑瘤影响而变化的。约在vc=5m/min时已出现积屑瘤，随切削速度的提高，积屑瘤逐渐增大，刀具的实际前角加大，故切削力逐渐减小；约在vc=17m/min处，积屑瘤最大，切削力最小；当切削速度超过vc=17m/min，一直到vc=27m/min时，由于积屑瘤减小，使切削力逐步增大。 图3-15 切削速度对切削力的影响 切削脆性金属(灰铸铁、铅黄铜等)时，因金属的塑性变形很小，切屑与前刀面的摩擦也很小，所以切削速度对切削力没有显著的影响。 ⑶刀具几何参数的影响 ①前角的影响前角γo加大，被切削金属的变形减小，切削厚度压缩比值减小，刀具与切屑间的摩擦力和正应力也相应下降。因此，切削力减小。但前角增大对塑性大的材料(如铝合金、紫铜等)影响显著，即材料的塑性变形、加工硬化程度明显减小，切削力降低较多；而加工脆性材料(灰铸铁、脆铜等)，因切削时塑性变形很小，故前角变化对切削力影响不大。 ②负倒棱的影响前刀面上的负倒棱(如图3-16a)，可以提高刃区的强度，
切削力测量
R l r r R l ε??=?=? 3101 234R R U U R R R R ??=- ?++??调平衡后，U 0=0所以R 1R 4=R 2R 3。 当四个桥臂的电阻值均相等，即R 1=R 4=R 2=R 3时的电桥成为等臂电桥。 若电桥中的R 1 =R 2=R 、R 4=R 3= R’，则称为卧式电桥。若R 1=R 3=R ，R 4=R 2=R’则称为立式电桥，由于立式电桥的非线性系数是不确定的，因此在应变测量中，只应用等臂电桥和卧式电桥两种。根据工作桥臂的多少，可将电桥电路分为单路电桥，半桥差动电路和全桥电路三种。只有单臂工作的电桥电路称为单桥电路，如图4.7所示。调平衡时，由上式可得 31101 1234R R R U U R R R R R ??+?=- ?+?++?? 把R 1 =R 2、R 4=R 3代入可得 111011111224R R R U U U R R R ??+??=-≈ ?+??? 如果桥臂电阻和邻边桥臂电阻都有应变片替代，且使一个应变片受拉，另一个受压，这种接法称为半桥差动工作电路，如图4.8所示。 311021 12234+R R R U U R R R R R R ??+?=- ?+?+?+?? 若△R 1 =△R 2、R 1 =R 2、R 4=R 3，则 1021 12R U U R ?≈ 若R 1=R 3=R 4=R 2，△R 1=△R 3=△R 4=△R 2，则称为全桥电路，如图4.9所示。 输出电压为 33110311223344+R R R R U U R R R R R R R R ??-?+?=- ?+?-?-?++??? 1031 R U U R ?≈ 分析上边可得到单臂半桥和全桥工作时的输出电压，可得到(1)电桥灵敏度输出信号强度之比为1：2：4。(2)电桥中相邻两臂电阻同向变化或者相对两臂电相反变化无输出信号；相邻两臂电阻相反变化或相对两臂电阻同向变化时输出信号强度为单臂工作时的两倍，此原理称为电补偿原理，对测力仪设计很重要。（3）在电源电压不能调节时电桥各臂中应变片采用串接或并接时，测量结果将反应电阻变化的综合量，并不改变电桥的灵敏度。 4.3应变式测力仪常用变形元件的力学性能 4.3.1直筋式变形元件的力学特性 1.单臂固定悬臂梁 受力后的弯矩和测量电桥如图4.10所示。B 点处的弯矩M B 和应变最大，其值为 {
《金属切削原理及刀具》实验报告
河南理工大学万方科技学院 金属切削原理与刀具设计 实验报告 班级 学号 姓名 机械与动力工程学院 机械制造实验室
注意事项 为了实验的顺利进行，确保学生人身安全和国家财产安全，特提出以下注意事项： (1)上实验课前必须按指导书作好预习及准备工作。 (2)除了必要的书籍和文具外，其他物品不得带入实验室。 (3)进入实验室后,应保持室内安静和整洁。不准打闹、乱扔纸屑和随地吐 痰。 (4)凡与本次实验无关的仪器设备，均不得使用或触摸。 (5)做实验时应按指导细心操作。如仪器发生故障，应立即报告指导老师， 不得自行拆修或安装软件。 (6)爱护国家财产，实验完毕应将实验仪器整理好，如损坏仪器，按有关规 定处理。 实验结束后，需在三日内上交实验报告，如有特殊情况，需向老师说明原因！ 机械与动力工程学院 机械制造实验室
实验1切削力测量 1.1实验目的和要求： (1)了解切削测力仪的工作原理及测力方法。 (2)掌握切削深度、进给量对车削力的影响规律。 (3)掌握有关软件的应用。 1.2实验内容 (1)测力仪标定。 (2)切削速度、进给量一定的情况下，测量不同的切削深度下车削力的大小。 (3)切削速度、切削深度一定的情况下，测量不同的进给量下车削力的大小。 1.3实验设备、仪器和试件 CA6140车床一台 Kistler测力仪一台 计算机系统（数据分析软件）一台 1.4实验数据处理 初始条件： D=mm n=rpm ν=m/min a p=mm 1实验数据记录 记录ν、a p一定的条件下，不同的测得的切削力(如下图)。 表1.1:ν、a p一定的条件下，f对切削力的影响 序号f F x(N)F y(N)F z(N) 1 2 3 4 5 1
切削力计算
一切削力的来源，切削合力及其分解，切削功率 研究切削力，对进一步弄清切削机理，对计算功率消耗，对刀具、机床、夹具的设计，对制定合理的切削用量，优化刀具几何参数等，都具有非常重要的意义。金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力。切削力来源于三个方面： 克服被加工材料对弹性变形的抗力； 克服被加工材料对塑性变形的抗力； 克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。 切削力的来源 上述各力的总和形成作用在刀具上的合力Fr(国标为F)。为了实际应用，Fr可分解为相互垂直的Fx(国标为Ff)、Fy(国标为Fp)和Fz(国标为Fc)三个分力。在车削时： Fz——切削力或切向力。它切于过渡表面并与基面垂直。Fz是计算车刀强度，设计机床零件，确定机床功率所必需的。 Fx——进给力、轴向力或走刀力。它是处于基面内并与工件轴线平行与走刀方向相反的力。Fx是设计走刀机构，计算车刀进给功率所必需的。 Fy——切深抗力、或背向力、径向力、吃刀力。它是处于基面内并与工件轴线垂直的力。Fy用来确定与工件加工精度有关的工件挠度，计算机床零件和车刀强度。它与工件在切削过程中产生的振动有关。 切削力的合力和分力 消耗在切削过程中的功率称为切削功率Pm(国标为Po)。切削功率为力Fz和Fx 所消耗的功率之和，因Fy方向没有位移，所以不消耗功率。于是 Pm=(FzV+Fxnwf/1000)×10-3 其中：Pm—切削功率（KW）； Fz—切削力（N）； V—切削速度（m/s）； Fx—进给力（N）； nw—工件转速（r/s）； f—进给量（mm/s）。
(生产管理知识)在切削实验和生产中,可以用测力仪测量切削力
机械制造工程学实验指导书实验报告 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-Ⅲ89A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、加工精度和已加工表面质量。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-Ⅲ89A 三向压电车削测力仪外型如图所示。
图1 YDC-Ⅲ89A 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-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）。 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记录仪记录下来，按预制的标定图就可知道切削力的大小。测力仪中沿F z，F x和F y三个方向都各自有传感器，分别测出三个分力。 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。
单因素切削力实验报告
切削力单因素实验报告 10 年级 机制 专业 12 班 2组 第 1次实验 主题词 指导教师： 实验日期：2013-6-16 15:14:04 实验评分： 一. 实验条件： 1. 车床型号 CA6140 2. 工件参数 工件参数见表1 表1 实验工件参数 3. 测力传感器型号 4. 刀具参数： 1) 刀具（刀片）材料 YT15 2) 刀具几何参数 刀具几何参数见表2 表2 单因素切削力实验刀具几何参数 单位：度 二. 实验结果： 1. 单因素实验图 改变背吃刀量、改变进给量和改变切削速度的切削力实验图见图1、图2和图3。 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 (N) 三 向 切 削 力 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 图1 改变背吃刀量切削力实验图 图例（下同） 切向力 轴向力 径向力
2. 单因素实验公式 单因素实验公式见表3 表3 单因素实验公式 (N) 三 向 切 削 力 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0.1 0.2 0.3 0.4 图2 改变进给量切削力实验图 (N) 三 向 切 削 力 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 50 100 150 200 250 图3 改变切削速度切削力实验图
3.单因素实验综合公式： 切向力F c =412.83a sp 1.46 f0.77 v c0.37 轴向力F f = 42.71a sp 1.00 f0.46 v c0.64 径向力F sp =136.24a sp 1.43 f0.63 v c0.32实验评语： 三.课后习题 1.简述切削用量对切削力的影响。
007切削力测量实验报告
007切削力测量实验报告
专业班级姓名学号 专业班级姓名学号 实验日期实验地点40号楼一楼实验室成绩 实验名称切削力测量实验 实验目的 本次切削力测量实验的目的在于巩固和深化《机械制造技术基础》课堂所学的有关切削力的理论知识，正确认识切削力直接影响切削热、刀具磨损与使用寿命、加工精度和已加工表面质量等问题。因此，研究切削力的规律，对于分析切削过程和生产实际是十分重要的。 本次实验在实验老师的指导下，达到如下实验目的： 1、了解三向切削力实验的原理和方法； 2、进行切削力单因素实验，了解背吃刀量、进给量和切削速度三大切削用量对切削力的影响规律，获得三向切削力实验公式； 3、了解在计算机辅助下的、利用三向测力仪进行切削力实验的软、硬件系统构成，以及三向切削测力仪标定的原理和方法。 实验基本原理 切削力是机械切削加工中的一个关键因素，它直接影响着机床、夹具等工艺装备的工作状态（功率、变形、振动等），影响着工件的加工精度、生产效率和生产成本等。 切削力的来源有两个：一是切削层金属、切屑和工件表层金属的弹塑性变形所产生的抗力；二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。 影响切削力的因素很多，工件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具磨损状况、切削液的种类和性能、刀具材料等都对切削力有较大的影响。 实验基本步骤 1、实验指导教师讲解实验的目的和要求；强调实验的纪律、进行安全教育。 2、车床及工件的准备：将圆钢棒材（工件）安装在车床上，利用三爪卡盘和活动顶尖将棒材装夹到位；安装车刀，注意刀尖对准车床的中心高，然后启动车床将工件外圆表面加工平整； 3、DJ-CL-1型三向切削力实验系统的准备： 1）启动切削力实验程序，在“输入实验编号”栏目内，输入年级、专业、班级、组号、实验次数和主题词等，并点击“确定”； 2）点击“零位调整”软按钮，调出零位调整界面，进行三向零
热导检测器的原理
热导检测器的原理 热导检测器的原理及注意事项 热导检测器（TCD）是利用被测组分和载气的热导系数不同而响应的浓度型检测器，有的亦称热丝检测器（HWD）或热导计、卡他计（kat herometer或Catherometer），它是知名的整体性能检测器，属物理常数检测方法。热导检测器的原理及注意事项从以下几个方面给予 阐述。 一、工作原理 TCD由热导池及其检测电路组成。图3-2-1下部为TCD与进样器及色谱柱的连接示意图，上部为惠斯顿电桥检测电路图。载气流经参考池腔、进样器、色谱柱，从测量池腔排出。 R1、R2为固定电阻；R3、R4分别为测量臂和参考臂热丝。
当调节载气流速、桥电流及TCD温度至一定值后，TCD处于工作状态。从电源E流出之电流I 在A 点分成二路i1、i2至 B 点汇合，而后回到电源。这时，两个热丝均处于被加热状态，维持一定的丝温T f，池体处于一定的池温 T w。一般要求T f与T w差应大于100℃以上，以保证热丝向池壁传导热量。当只有载气通过测量臂和参考臂时，由于二臂气体组成相同，从热丝向池壁传导的热量相等，故热丝温度保持恒定；热丝的阻值是温度的函数，温度不变，阻值亦不变；这时电桥处于平衡状态：R1·R3＝R2·R4, 或写成R1/R4＝R2/R3。M、N二点电位相等，电位差为零，无信号输出。当从2进样，经柱分离，从柱后流出之组分进入测量臂时，由于这时的气体是载气和组分的混合物，其热导系数不同于纯载气，从热丝向池壁传导的热量也就不同，从而引起两臂热丝温度不同，进而使两臂热丝阻值不同，电桥平衡破坏。M、N二点电位不等，即有电位差，输出信号。 二、热导池由热敏元件和池体组成 1 热敏元件 热敏元件是TCD的感应元件，其阻值随温度变化而改变，它们可以是热敏电阻或热丝。 （1）热敏电阻热敏电阻由锰、镍、钴等氧化物半导体制成直径约为 0.1～1.0mm的小珠，密封在玻壳内。 热敏电阻有三个优点：①热敏电阻阻值大（5～50kΩ），温度系数亦大，故灵敏度相当高。可直接作μg/g级的痕量分析；②热敏电阻体积小，可作成0.25mm直径的小球，这样池腔可小至50μL；③热敏电阻对载气流的波动不敏感，它耐腐蚀性和抗氧化。 热敏电阻也有三个缺点：①热敏电阻#$%的响应值随温度的增加而快速下降，因此，通常热敏电阻要在120℃以下使用。使用范围受到极大的限制；②与热丝相比，热敏电阻的温度系数大，表现为其响应值对于温度的变化十分敏感。例如在60℃时，池温改变1℃，热敏电阻和热丝的基线漂移分别为10.4mV和5.0mV，前者比后者大一倍多，因此，热敏电阻的稳定性差，特别是在程升操作时，尤为突出；③热敏电阻对还原条件十分敏感，故不能用氢气作载气。 目前，只有下二情况可用热敏电阻作热敏元件；一是低温痕量分析；二是需小池体积配毛细管柱。其他情况很少用热敏电阻，而多用热丝。而且，近年热敏电阻可作成小池体积的优势也在逐渐下降。 （2）热丝一个性能优异的TCD，对热丝的要求主要考虑四点：①电阻率高，以便可在相同长度内得到高阻值；②电阻温度系数大，以便通桥流加热后得到高阻值；③强度好；④耐氧化或腐蚀。①、②是为了获得高灵敏度，同时丝体积小，可缩小池体积，制作微TCD。
切削力计算的经验公式
切削力计算的经验公式 通过试验的方法，测出各种影响因素变化时的切削力数据，加以处理得到的反映各因素与切削力关系的表达式，称为切削力计算的经验公式。在实际中使用切削力的经验公式有两种：一是指数公式，二是单位切削力。 1 ．指数公式 主切削力(2-4) 背向力(2-5) 进给力(2-6) 式中F c————主切削力（ N）； F p————背向力（ N）； F f————进给力（ N）； C fc、 C fp、 C ff————系数，可查表 2-1； x fc、 y fc、 n fc、 x fp、 y fp、 n fp、 x ff、 y ff、 n ff------ 指数，可查表 2-1。
K Fc、 K Fp、 K Ff---- 修正系数，可查表 2-5，表 2-6。 2 ．单位切削力 单位切削力是指单位切削面积上的主切削力，用 kc表示，见表 2-2。 kc=Fc/A d=Fc/(a p·f)=F c/(b d·h d) (2-7) 式中A D -------切削面积（ mm 2）； a p ------- 背吃刀量（ mm）； f - ------- 进给量（ mm/r）； h d -------- 切削厚度（ mm ）； b d -------- 切削宽度（ mm）。 已知单位切削力 k c ,求主切削力 F c F c=k c·a p·f=k c·h d·b d (2-8) 式 2-8中的 k c是指 f = 0.3mm/r 时的单位切削力，当实际进给量 f大于或小于 0.3mm /r时，需乘以修正系数K fkc，见表 2-3。
表 2-3 进给量?对单位切削力或单位切削功率的修正系数 K fkc， K fps
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
机械制造工程学实验指导书实验报告 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-Ⅲ89A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、加工精度和已加工表面质量。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-Ⅲ89A 三向压电车削测力仪外型如图所示。 图1 YDC-Ⅲ89A 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-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）。 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记录仪记录下来，按预制的标定图就
刀具实验报告
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λs C型量K r、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 、K r、K r·、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K r和K r〃。
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K r、副偏角K r〃的测量
实验记录 1．主剖面参考系的基本角度（单位：度） 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。 由tgγp=tgγo cos K r +tgλs sin K r 得γp=arctg(tg10.5o cos42o+tg(-6o)sin42o)=3.86o 由tgγf=tgγo sin K r -tgλs cos K r 得γf=arctg(tg10.5o sin42o-tg(-6o)cos42o)=11.43o