电阻应变式测力仪 切削力
金属切削实验技术
•粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，
产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度
自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法 称为应变片自补偿法。
3）热敏电阻补偿
R5 分流电阻
+
R1＋⊿R U R3
0
T
R2 Rt
U0 URt
+
Ui
Rt
R4 U0
-
U = Ui - URt
U0
向不同，可用在多向分力的测量而避免分力的相互干 扰。压电晶体传感器的测力仪性能良好，自振频率可 达3-10kHz，适用于要求严格的科研试验。压电晶体 测力仪用于静态力的测量时，力容易产生另点漂移。
压电晶体测力仪使用性能较好，但价格昂贵，且使用
维护要求严格，因此适合在要求较高的科研试验中使 用。
电阻应变片测力传感器在测力仪中使用广泛、车、
半导体应变片受轴向力作用时, 其电阻相对变化为
d dR R (1 2 )
半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：d E
式中： π——半导体材料的压阻系数;
σ——半导体材料的所受应力; E——半导体材料的弹性模量; ε——半导体材料的应变。
目前箔式应变片应用较多。
金属丝式应变片使用最早。金属丝式应变片蠕变较大，
金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格
便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。
当传感器的弹性体很薄、尺寸很小时，采用箔式应变 片会由于基底材料和粘结剂的存在而对传感器特性产生 不利影响，可采用薄膜式应变片。
测平均切削力，实际已经被淘汰。电容和电感测力仪 虽可用于测量切削力的瞬时变化值，但由于结构限制，
切 削 力
外圆车削时力的分解
切削力
切削力Fc作用于切削平 面内，即切削刃上选定 点的切削速度方向上， 消耗机床的主要功率， 是计算切削功率，选取 机床电动机功率和设计 机床主传动机构的依据
背向力
背向力Fp作用于基面 内，与吃刀方向一致， 它能使工件产生变形， 是校验机床主轴在水平 面内刚度及相应零部件
强度的依据。
例如，对45钢进行单因素的外圆车削实验时，保持影响切削力的诸因
素不变，只改变背吃刀量ap (或进给量f)，分别得到一组相对应的切削分 力Fc、Fp和Ff的数值。然后将所得数值画在双对数坐标纸上，即得到一条 近似直线，如图4-7所示。其方程式为
y=a+bx
（4-8）
式中，x=lg ap；y=lg Fc；a为直线的截距，a=lg Cap，Cap为与背吃 刀量相关的一个参数；b为直线的斜率，b=xFc=tan α，xFc为背吃刀量对 切削力的影响指数。
直线的截距lg Cap和斜率tan α均可用直尺量出或计算得出，即 lg Fc=lg Cap+xFclg ap Fc=Capa p xFc （4-9）
同理可得
Fc=CffyFc
（4-10）
式中，Cf为与进给量相关的一个参数；yFc为进给量对切削力的影响指数。
由式（4-9）和式（4-10）可得
Fc=CFcapxFcfyFc
Pc
Fcvc 103 60
（4-6）
用式（4-6）可确定机床电动机功率为
PE
Pc c
（4-7）
式中，为机床传动效率，一般取值为0.75～0.85，其中大值用于新
机床，小值用于旧机床。
1.3 切削力的测量和实验公式
1.3.1 切削力的测量
切削力的检测和测力仪设计原理
我校的钻削测力仪
圆环受垂直力作用
圆环受切向力作用
八角环
八角环受力分析
MIT的八角环三向车削测力仪
MIT的八角环三向铣削测力仪
我校的八角环三向车削测力仪
我校的八角环三向车削测力仪
我校的八角环三向车削测力仪
我校的三向铣削测力仪
石英压电晶体石英晶体的压ຫໍສະໝຸດ 特性单向石英晶体圧电传感器
圆环各点的弯矩
圆环的弯矩、应变、变形
圆环变形的计算
圆环应力应变的计算
圆环应力、应变的计算
圆环各点的内应力
一次削角测力环
一次削角测力环各点的内应力
二次削角测力环
二次削角测力环各点的内应力
标准圆测力环和二次削角测力 环测量灵敏度比较
光弹法检测内应力分布
新型削角测力环
单向石英晶体圧电传感器 车削测力仪
三向石英晶体圧电传感器
三向石英晶体圧电传感器
石英晶体圧电传感器
三向石英晶体圧电传感器 车削测力仪
三向石英晶体圧电传感器 车削测力仪
石英晶体圧电传感器钻削测力仪
石英晶体圧电传感器钻削测力仪
三向石英晶体圧电传感器 铣削测力仪
标准圆测力环
圆环应力应变分析
电阻应变片
电阻应变片电桥测量原理
电阻应变片电桥测量原理
电阻应变片电桥测量原理
机械式单向车削测力议
测 Fy 力
测 Fx 力
测 Fz 力
直筋式变形元件的力学性能 单端固定式悬臂梁
直筋式变形元件的力学性能 双固定端梁
薄壁圆筒式钻削测力仪
能测Fz,Mz,Fx,Fy的钻削测力仪
能测Fz,Mz,Fx,Fy的钻削测力仪
材料切削加工性能实验指导书
9
机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
3）选择硬件并配置硬件 选择 WP-C401
4）测试硬件 5）确认设定（同时返回主界面） 6）选择恰当坐标设定（主界面右下角） 7）按“刷新”按钮确认坐标设定 8）按采集按钮 9）按“前进”、“后退”调整图形的时间方向 10）当采集完毕后按停止按钮 11）根据需要决定是否存盘。
认真阅读粗糙度样板的使用说明书，对同一零件的不同的三个部位进行测量，取平均。
对不同的材料进行粗车和精车到φ45×200，测量所获得的零件的表面粗糙度。然后将 10
号钢、45 号钢经过正火，T10 经过球化退火后，用同样的工艺参数进行加工，并测量所获
得的零件的表面粗糙度。将以上结果填入表 3-1 中。
三、用切削温度评定材料的切削性能
在相同切削条件下，凡切削温度较高的材料较难加工，即加工性差，反之，则加工性好。 （一）实验目的：
1. 掌握切削温度的测量方法； 2. 掌握材料的切削性能与切削温度的关系。
（二）实验原理 人工热电偶法：是将两种预先经过标定的金属组成热电偶，热电偶的热端焊接在刀具或
工件的预定要测量温度的点上，热电偶的冷端通过导线串联测温计上，测温计的信号由计算 机采集。
该实验的原理框图如下：
8
机械基础系列实验：7-02A 材料切削加工性能实验
（三）实验内容及材料 选择不同强度的圆棒材料，在相同切削工艺参数下，进行粗车和精车，比较加工时
的切削温度。 （四）实验设备及仪器
普通车床、测温仪、硬质合金（或高速钢）车刀 （五）实验步骤：
z 认真阅读各种仪器的使用说明书； z 安装好刀具，调试好各种测量仪器； z 开动车床进行切削，并采集数据； z 停车、储存采样数据； z 更换不同材质的试棒， z 改变机床的参数，对上述试件进行车削，并采集数据； z 切断电源，清理实验现场； z 分析测量结果，写实验报告，并回答问题。 （六）测温软件使用说明：
第四章 就
一、计算切削力的指数公式
FZ = C FZ a
x FZ p
f
YFZ
v
n FZ
K FZ
Fy = C Fy a
x FY p
f
YFy
v
nFy
K Fy
Fx = C Fx a
X Fz YFz
x Fx p
f
YFx
v
nFx
K Fx
C Fx C Fy C Fz 为决定于被加工金属和切削条件的系数；
n Fz 等分别为三个分力公式中，背吃刀量、进给量、
主偏角对切削力的影响
随主偏角的改变，切削厚度与切削刃曲线部分长度的变化
此外，主偏角增大， 副刃前角则随之减小 (图)，因此也增大了 副刃上的切削力。
当加工脆性材料如铸铁时，由于塑性变形小，所以刀刃曲线部分长度 的增加，对切削力无大影响。切削力随主偏角的增加而减小。
刀尖圆弧半径rε ↑→切削刃圆弧部分的长度↑→切削变形↑→切 削力↑。此外rε增大，整个主切削刃上各点主偏角的平均值减小， 从而使Fp增大、Ff 减小。
主偏角不同时Fxy力的分解
（a）Kr小 （b） Kr大
Fp
Ff kr1 kr2 Kr ’
• •
主偏角对主切削力的影响 当切削面积不变时，主偏角增大，切削厚度也随之增大， 切屑变厚，切削层的变形将减小，因而主切削力随之增 大而减小。但当主偏角增大到约60度～75度之间时，又 逐渐增大，如图4-14。这是因为一般车刀都存在着一定 大小的刀尖圆弧半径，随主偏角的增大，刀刃曲线部分 的长度也将随之增大，刀刃的不自由切削段的长度加大 如图4-15。而刀刃曲线部分各点的切削厚度是变化的， 且都比直线切削刃的切削厚度小，所以变形力也要大些。
切削力教程文件
1．切削力经验公式的建立
Fc
CFc
a xFc p
f
yFc
KFc
Fp
CFp
a xFp p
f
yFp
KFp
Ff
CFf
a xFf p
f yFf
KFf
4. 切削力的测量与计算
在研究切削力变化规律和解决切削加工生产中的实际问题时，有时需要知 道在一定切削条件下的切削力数值，对此，可有三种解决方法。a.用测力 仪进行测量。b.用经验公式计算。c.用切削力理论公式估算。 （1）切削力测量 为获得在某特定切削条件下切削力的数值，可用一种专门用于测量切削力 的装置—测力仪—进行测量。测力仪的种类很多，按工作原理的不同，可 分为机械式、电阻式、电感式、压电式等，目前使用较为普遍的是电阻应 变式测力仪。压电式测力精度高，但价格昂贵，应用也在不断增加。下面 介绍电阻应变式测力仪的工作原理及其测力方法。 电阻应变式测力仪由传感器、电桥电路、应变仪和记录仪组成。传感器是 一个可将切削力的变化转换为电量变化的弹性元件，其结构有多种形式， 目前使用较多的是八角环式，其结构形状如图1-43所示。中部八角环形部 分为弹性元件，分为上环和下环，前端有安装车刀用的方孔，后部的圆孔 用于在车床刀架上安装紧固。 利用这种传感器可同时测量Fz、Fy和Fx，也可单测某一分力。测量时，要 在弹性元件部分的适当部位粘贴若干片电阻值可随弹性元件变形而变化的 电阻应变片（图1-44），并把信号（电流或电压）后输出。
式中
Pc Fc v 103 (KW ) Fc —— 主切削力（N）； v —— 主运动速度（m/s）。
（3-8）
机床电机功率
PE
Pc
(KW )
式中 η —— 机床传动效率，通常η= 0.75～0.85
切削力高教课堂
p
Fc AD
CFc
a xFc p
f
yFc
K Fc
ap f
CFc ap
a xFc p
f 1 yFc
（3-7）
切削功率
式中
Pc Fc v 103 (KW )
Fc —— 主切削力（N）； v —— 主运动速度（m/s）。
（3-8）
教学运用
29
切削力与切削功率——2. 切削功率
机床电机功率
PE
2.5 切削力
一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率
1. 切削力的来源
切削力来自于金属 切削过程中克服被 加工材料的弹、塑 性变形抗力和摩擦 阻力（图3-18） 。
★ 3个变形区产生的弹、塑性变形抗力
★ 切屑、工件与刀具间摩擦教学力运用
1
2.切削力的分解
刀具（或工件）是上作用的切削力的总合力 F称为切削合力，由于切削合力的大小和方 向是随切削条件而变化的一个空间力，不便 于计算与测量，在研究和分析实际问题难以 直接应用，为适应解决问题的需要，又便于 测量与计算，常将Fr分解为某几个方向上的 分力，称为切削分力。车削中常将Fr分解为 以下三个分力。
加；而背吃刀量ap增大时，切削 刃上的切削负荷也随之增大，即
切削变形抗力和刀具前面上的摩
教学运用擦力均成正比的增加。
18
教学运用
19
3. 刀具几何参数
➢➢前 负角倒的棱影的响影:响γo：↑ （→图切3削－变21形）↓负→倒切棱削参力数↓。大（大塑提性高材了料正）前角刀
具的刃口强度，但同时也增加了负倒棱前角(负前角)参加切削的
教学运用
10
图 1-44 电阻应变片
教学运用
电阻应变式传感器力及力矩测量
电子工业出版社
2.2.3 应变片的材料 1.敏感栅材料
对敏感栅的材料的要求： ①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数； ②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片； ③电阻温度系数要小； ④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强； ⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； ⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材； ⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。
电子工业出版社ppt课件118类型主要成分牌号适于黏合的基底材料最低固化条件固化压力10pa使用温度硝化纤维素黏合剂硝化纤维素溶剂万能胶室温10小时或602小时0515080氰基丙烯酸黏合剂氰基丙烯酸酯501502纸胶膜玻璃纤维布室温1小时粘合时指压10080聚酯树脂黏合剂不饱和聚酯树脂过氧室温24小时030550150环氧树脂类黏合剂环氧树脂聚硫酚铜胺固化剂914胶膜玻璃纤室温25小时粘合时指压6080酚醛环氧无机填料固化剂509胶膜玻璃纤2002小时粘合时指压100250环氧树脂酚醛甲苯二酚石棉粉等j062胶膜玻璃纤196250酚醛树脂类黏合剂酚醛树脂聚乙烯醇缩丁醛jsf2胶膜玻璃纤60150酚醛树脂聚乙烯醇缩甲乙醛1720胶膜玻璃纤60100酚醛树脂有机硅j12胶膜玻璃纤60350聚酰亚胺黏合剂聚酰亚胺3014胶膜玻璃纤150250磷酸盐黏合磷酸二氢铝无机填料gj14ln3金属薄片临时基底4001小时550p1064003小时700氧化物喷涂二氧化二铝金属薄片临时基底800电子工业出版社ppt课件1194
4.机械滞后 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载 特性不重合，即为机械滞后。 产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形， 使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果 敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。
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传感器课程设计题目: 应变式测力仪指导教师:班级: 机检姓名:摘要随着切削加工向着高速、高精度、高度自动化方向发展，对切削过程的监控技术也提出了越来越高的要求，而各种自动化机械加工设备与制造系统绝大多数并不具备加工过程的监控功能。
为了使这些高度自动化加工设备充分发挥其优良性能，确保加工质量，提高生产效率，对刀具加工过程进行状态监测与控制就越来越重要。
大量的研究结果表明，切削状态的每个微小变化都能通过切削力的变化反映出来。
检测切削力是目前国内外研究与应用最多的监测方法之一，但这些方法在使用时或多或少地要改变机床的原有部件，影响机床的系统特性，并且在机械加工过程中，车削测力仪的应用最为广泛。
针对这些问题，需要设计出一种外型尺寸和使用状态都类似于普通外圆车刀的车削测力仪。
本文针对电阻应变式传感器对切削力的测量进行设计，应变式传感器具有灵敏度和精度高，性能稳定、可靠、尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快等优点，且能在恶劣环境下工作，在力、压力和重要测试中有非常广泛的应用。
关键词：应变式测力仪；弹性元件；电阻应变；切削力应变式测力仪目录一概述·····················································································································- 2 -二应变式测力仪的工作原理及组成·····································································- 2 -2.1工作原理····································································································- 2 -2.2传感器的组成····························································································- 3 -2.2.1 敏感元件·······················································································- 3 -2.2.2转换元件························································································- 3 -2.2.3测量电路························································································- 3 -2.2.4辅助电源························································································- 3 -三切削测力传感器的主要性能及要求·································································- 4 -3.1金属切削测力仪主要性能指标的基本要求············································- 4 -3.2弹性体的设计过程必须满足的要求························································- 4 -3.3提高应力水平的应力集中原则································································- 5 -四应变式测力仪的结构设计·················································································- 6 -4.1应变式测力仪的测量原理········································································- 6 -4.2 弹性敏感元件的设计···············································································- 6 -4.2.1剪切梁式测力传感器的工作原理················································- 6 -4.2.2应变片的布局方位········································································- 7 -4.3 应变片的选择···························································································- 8 -4.3.1结构形式的选择············································································- 9 -4.3.2尺寸的选择····················································································- 9 -4.3.3 阻值的选择···················································································- 9 -4.3.4使用温度的选择············································································- 9 -4.4 电路的设计·······························································································- 9 -4.5 元件清单·································································································- 11 -小结·························································································································- 11 -参考文献·················································································································- 12 -- 1 -应变式测力仪- 2 -一 概述对于电阻应变片式测力传感器来说，弹性体的结构形状与相关尺寸对测力传感器性能的影响极大。