电阻应变式测力仪 切削力

•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，

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

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

数据采集流程（流程） 1）启动系统 2）进入设备配置
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：

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。

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

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。

车削切削刀的测定一、实验目的与要求：1、了解车削时切削用量（切削深度ap和进给量f）对切削刀的影响。

2、掌握实验数据处理方法，并推导出切削力与切削用理关系的经验公式。

3、了解八角环电阻式三项测力仪的工作原理及有关仪器的使用方法。

二、实验设备及仪器1、CA6140型普通车床；2、八角环电阻式车削三项测力仪；3、Y6D—3A型电阻应变仪及DY—3型电源供给器；4、SC—16型光线示波器；5、车刀、试件、卡尺等。

三、测力系统工程原理测力系统如图（1）所示。

在金属切削过程中，动态切削力作用在测力仪上，引起了贴在测力仪上，引起了贴在测力仪弹性元件上的应变片的电阻的变化，破坏了电桥电路的平衡输出微弱电讯号，将电讯号送入电阻应变仪进行放大后，送给示波器进行显示，并把结果记录在感光纸上，将测得结果与定标曲线比较，求出切削力的大小。

下面分别说明各部分的工作原理：1、测力仪它是一个传感器，用来接收被测力信号，结构如图（2）所示，上、下两个八角环是其弹性元件，在上下环的内外表面贴有电阻应变片，这些应变片按图（3）所示连接成三个电桥电路，在平衡状态，各个电桥平衡，无信号输出。

切削时在切削力作用下，上下环均发生弹性变形，应变片随之变形，电阻发生改变，受张力作用的应变片变长，直径变细，电阻增大，反之电阻减小，如（4）所示。

这样，电桥失衡，桥路输出端有相应的电讯号（电压、电流）输出。

力的变化被转换成变形量再转换为电量输出。

2、电阻应变仪：它是测力系统的信号处理器，用来把电桥电路输出的曜号放大，检波、再输出给示波器记录。

电源供给器是应变仪的配套设备，用于向应变仪提供高压高频电源并通过应变仪向电桥电路的输入端提供低压高频电源。

3、光线示波器：其面板如图（5）所示它可以同时测量并记录16个被测信号，是本测量系统的记录仪。

四、测力系统的标定从示波器示出的光点的移动量与力的大小有一定的关系，通过对测力系统进行标定，就可得出这个函数关系。

实验二 切削力实验一、实验目的和要求1. 了解切削测力仪的工作原理和测力方法和实验系统；2. 掌握背吃刀量sp a 进给量f 和切削速度c v 对切削力的影响规律；3. 通过实验数据的处理，建立切削力的经验公式。

二、实验及标定原理三向切削力的检测原理，是使用三向车削测力传感器检测三向应变，三向应变作为模拟信号，输出到切削力实验仪器内进行高倍率放大，再经A/D 板又一次放大之后，转换为数字量送入计算机的。

测力系统首先应该通过三向电标定，以确定各通道的增益倍数。

然后，再通过机械标定，确定测力传感器某一方向加载力值与三个测力方向响应的线性关系。

经过这两次标定，形成一个稳定的检测系统之后，才能进行切削力实验。

测量切削力的主要工具是测力仪，测力仪的种类很多。

有机械测力仪、油压测力仪和电测力仪。

机械和油压测力仪比较稳定、耐用。

而电测力仪的测量精度和灵敏度较高。

电测力仪根据其使用的传感器不同，又可分为电容式、电感式、压电式、电阻式和电磁式等。

目前电阻式和压电式用得最多。

图1 由应变片组成的电桥电阻式测力仪的工作原理：在测力仪的弹性元件上粘贴具有一定电阻值的电阻应变片，然后将电阻应变片联接电桥。

设电桥各臂的电阻分别是R 1、R 2、R 3和R 4，如果R 1/R 2=R 3/R 4，则电桥平衡，即2、4两点间的电位差为零，即应变电压输出为零。

在切削力的作用下，电阻应变片随着弹性元件发生弹性变形，从而改变它们的电阻。

如图1所示。

电阻应变片R 1和R 4在弹性张力作用下，其长度增大，截面积缩小，于是电阻增大。

R 2和R 3在弹性压力作用下，其长度缩短，截面积加大，于是电阻减小，电桥的平衡条件受到破坏。

2、4两点间产生电位差，输出应变电压。

通过高精度线性放大区将输出电压放大，并显示和记录下来。

输出应变电压与切削力的大小成正比，经过标定，可以得到输出应变电压和切削力之间的线性关系曲线（即标定曲线）。

测力时，只要知道输出应变电压，便能从标定曲线上查出切削力的数值。

切削力测量技术现状及其发展趋势分析分析了目前切削力测量技术的现状及存在问题，根据现代切削加工高速、高精度和强力切削的特点，提出了切削力测量技术新的要求及发展趋势。

标签：切削力；测量技术；现状；发展趋势1 切削力测量技术现状分析切削力测量系统一般由三部分构成：由测力仪、数据采集系统和PC机三部分组成，如图1所示。

测力仪（测力传感器）通常安装在刀架（车削）或机床工作台上（铣削），负责拾取切削力信号，将力信号转换为弱电信号；数据采集系统对此弱电信号进行调理和采集，使其变为可用的数字信号；PC机通过一定的软件平台，将切削力信号显示出来，并对其进行数据处理和分析。

1.1 切削测力仪1.1.1 应变式测力仪应变式测力仪由弹性元件、电阻应变片及相应的测量转换电路组成，其工作原理如图2所示。

把电阻应变片贴在弹性元件表面，并连接成某种形式的电桥电路，当弹性元件受到力的作用而产生变形时，电阻应变片便随之产生变形，从而引起其电阻阻值的变化ΔR，即应变片电阻值的变化ΔR造成电桥不平衡，使电桥输出发生变化ΔU，通过标定建立输出电压与力之间的关系。

使用时根据输出电压反算切削力的大小。

应变式测力具有灵活性大、适应性广、性能稳定等优点，而且配套仪表（如静态应变仪、动态应变仪等已标准化，因而得到广泛应用。

但是其测量原理决定了测量精度和动态特性主要取决于弹性元件的结构，如何有效解决灵敏度和刚度之间的矛盾，是提高应变式测力仪测量精度和动态特性的关键。

1.1.2 压电式测力仪压电式测力仪是以压电晶体为力传感元件的切削测力仪，当石英晶体在外力作用下发生变形时，在它的某些表面上出现异号极化电荷。

这种没有电场的作用、只是由于应变或应力在晶体内产生电极化的现象称为压电效应。

通过测量产生电荷量即可以达到测量切削力的目的。

从动态测力的观点出发，压电式测力仪是一种比较理想的测力传感器，具有灵敏度高、受力变形小等优点。

然而压电式测力传感器仍然存在一系列缺点：如由于电荷泄漏而不能测试静态力、固有频率的提高受装配接触刚度的限制、维护极不方便、价格昂贵，因此在使用上受到很大的限制。

实验三车削力的测定1．实验目的（1）了解车削测力仪的工作原理；（2）掌握车削力的测定方法；（3）研究切削用量对车削力的影响规律。

2．原理实验使用的测力仪为程控静态电阻应变仪，其工作原理是：在测力仪弹性元件的适当位置上粘贴着具有一定电阻R的电阻应变片，使其随着被测定对象的应变一起伸缩，这样应变片里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。

很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会随之变化。

当应变片受拉伸变形时，电阻增大为R+ΔR，当应变片受压缩变形时，电阻减小为R-ΔR，应变片就是应用这个原理，通过测量电阻的变化而对应变进行测定。

一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合金，其电阻变化率为常数，与应变成正比例关系。

即ΔR/R= K•ε在这里, R：应变片的原电阻值Ω；ΔR：伸长或压缩所引起的电阻变化Ω；K：比例常数(应变片常数)ε：应变不同的金属材料有不同的比例常数K。

铜铬合金的K值约为2。

这样，应变的测量就通过应变片转换为对电阻变化的测量。

应变片的电阻值一般来说是120 欧姆，即ΔR/120=2 .ε但是由于应变是相当微小的变化，所以产生的电阻变化也是极其微小的。

要精确地测量这么微小的电阻变化是非常困难的，一般的电阻计无法达到要求。

为了对这种微小电阻变化进行测量，我们使用带有韦斯通电桥回路的专用应变测量仪。

应变片本身的追随能力可以达到数百kHz，通过组合的测定装置可以对冲击现象进行测量。

行驶中的车辆，飞行中的飞机等各部位的变动应力可以通过应变片和测定装置进行初步的测量。

图1 半桥：(a)邻边和(b)对边图2 全桥接线（左一）、半桥接线（左二、左三）、1/4桥接线（左四、左五）实验利用韦斯通半桥回路测定车断刀的应变。

韦斯通电桥回路平衡时，输出端两端的电势差为零。

车削时，在车削力的作用下电阻应变片随着弹性元件发生了弹性变形，从而应变片的电阻R发生了变化。

因此输出端两端的电势差不为零，桥路有电信号输出，此电信号值的大小反映出车削力的相对大小。

维普资讯
Ｄ ｃ ｂｒ ０６ ｅ ｍ ｅ ２０ ｅ
Ｎ ． ０４
Ｈ Ａ Ｙ ＭＡ Ｈ Ｎ Ｒ 己 Ｅ Ｖ Ｃ ＩＥ。 。
《 型机械科技 》 重
Ａ ＤＴ Ｃ Ｎ Ｌ Ｇ Ｎ Ｅ Ｈ Ｏ Ｏ Ｙ
电阻应变传感器测量 系统 在数控车床切 削力测 量中的应用
路 开 关 。 ＼ 放大＞—一
／
样 保 持
Ａ ／ Ｄ
Ａ９１ ＴＣ ８５ 单片机
＿ 叫打印 ＿ｌ
ｌ
图 １ 系统 硬件原理框 图
Ｆｇ ｒ ． Ｔｈ ｒｎ ｉｌ ｌｃ ｉｇ ａ ｏ ｈ ｙ ｔｍ ａｄ ｒ ｉｕ ｅ １ ｅｐ ｉｃｐｅｂｏ ｋ ｄａ ｒｍ ｆｔ ｅｓ ｓｅ ｈ ｒ ｗａｅ
Ａ 一 Ｕ △ ３Ｒ 一△ Ｒ４ Ｒ／ ３ Ｒ ／ ） Ｕ（ Ｒ △ 一 △ ｚＲ Ｒ ／ 。＋
使应变片上的应变与被测量的力成 比例 ， 从而实
现对 力的检测 。
状态 。
在切削力的作用下， 应变片的电阻发生变化 ， 破坏 了电桥的平衡。若 Ｒ 、 ｚＲ 、 Ｒ 、 。Ｒ 分别产生 △ △ △ 。 △ 的电阻变化 ， 电桥 的输 出 Ｒ 、Ｒ 、Ｒ 、Ｒ 则
电压表 达式 为 ：
ｓｚｄ ａ ｌ ｉ ｓｗｅ１ ｅ ．
Ｋｅ ｒｓ ｒｓｓａ ｃ ｔａｎ ｇ ｕ ｅｔａ ｓ ｕ ｅ ；Ｍ ＣＵ ）ｍｅ ｓ ｒ ｌｃｒｃｂ ｉｇ ；ｓａｅｔａ ｓｏ ｍａ ｉｎ ｙｗｏｄ ：ｅ ｉｔｎ ｅｓｒ ｉ ａ ｇ ｒｎ ｄ ｃｒ ａ ｕ ｉ ｅｅ ｔｉ ｒｄ ｅ ｃ ｌ ｒｎ ｆｒ ｔｏ ｇ ｎ
靠性 。
在数控车床的加工过程中， 通、 机构 的
受力情况和工作状态 ， 验证设计 和汁算结果的正 确性 ， 确定整机工作过程中的负载分布 ， 这对保证 数控机床安全可靠地运行 ， 实现数控机床 自动加 工、 自动检测、 自动控制和切削力过载报警与保护 等都具有十分重要 的作用 。

2)平面应力状态下测量主应力 实际上，许多结构、零件处于平面应力状态下，其主应力方 向可能是已知的、也可能是未知的。 1)已知主应力方向 例如承受内压的薄壁圆筒形容器的筒体，其主应力方向是已 知的。这时只需要沿两个互相垂直的主应力方向各贴一片应变片， 另外再采取温度补偿措施，就可以直接测出主应变。其贴片和接 桥方法如图所示。先测出应变值ε1，ε2，再由虎克定律计算出主 应力，即
二、拉压力测试及所用传感 器
静态和动态力测试广泛应用由应变片与弹性元件组成的力传感器。常用 的弹性元件有柱式、梁式、环式、轮辐等多种形式。 柱式弹性元件在外力作用下，若应力在弹性范围内，则应力和应变成正 比关系，即
式中F——作用在弹性元件上的集中力； E——材料弹性模量； A——圆柱的横截面积。 由上式可知，若想提高灵敏度，必须减小横截面积A。但A的减小受到 允许应力和线性要求的限制，并且A越小，对横向力干扰越敏感。因此，在 小集中力测量时，多采用空心圆柱（圆筒）式弹性元件。在同样横截面积情 况下，空心圆柱式的横向刚度大，横向稳定性好。
力值的测试方法可分为两类。一类是直接比较法，即把待测力与基准量 直接进行比较。另一类是间接比较法，就是将被测力通过力传感器转换为其 它物理量，然后与标定值进行比较。此法不仅适用于静态测试，而且还广泛 用于动态力的测试。 实现力值测试的关键装置是测力传感器。测力传感器种类繁多，有电容 式、压阻式、差动变压器式、压电式、电阻应变式等。在动态力测试中选用 时，还应注意传感器的动态特性即幅频特性和相频特性。因为一般的测力传 感器进行动态力(如车削力)测试时都存在幅值误差和相位误差，这些误差都 与被测对象的变化频率有关，只有当被测力的变化频率远小于测力传感器的 固有频率且进行误差补偿时，测力传感器的输出值才接近动态被测力的实际 值。此外，多向测力时还应注意各方向力的交叉干扰——即一方向的被测力 对另一方向被测力测量值的影响。 电阻应变式和压电式测力传感器具有灵敏度高、线性度和稳定度好、结 构简单、动态特性优良等优点，广泛应用于力的测试中。

式中：nw——工件转速，r/s； Fz ——切削力(N)； vc——切削速度，m/s；Fx ——进给力(N)； f ——进给量，mm/r。
由于进给运动相对于主运动消耗的功很少（小于1 ％～2％），可以忽略不计，于是有
Pm Fz vc 10
3
( KW )
按上式求得切削功率后，如要计算机床电机的功率以便 选择机床电机时,还应除以机床的传动效率，即:
1）电阻应变式测力仪 电阻应变式测力仪具有灵敏度高、线性度好、量程范围 大、使用可靠、测量精度较高等优点，适用于切削力的动态、 静态测量。
这种测力仪常用的电阻元件叫做电阻应变片。其特点是 受到张力时，其长度增大，截面积减小，致使电阻值增大； 受到压力时，其长度缩短，截面积增加，致使电阻值减小。 将若干电阻应变片紧贴在测力仪的弹性元件的不同受力位置， 分别联成电桥。在切削力作用下，电阻应变片随着弹性元件 发生变形，使应变片的电阻值改变，破坏了电桥的平衡，于 是电流表中有与切削力大小相应的电流通过，经电阻应变仪 放大后得电流示数。再按此电流示数从标定曲线上可以读出 三向切削力之值。
第三节、切削力的指数公式及预报与估算
切削力的大小计算有理论公式和实验公式。理论公式通常
供定性分析用，一般使用实验公式计算切削力。 常用的实验公式分为两类：一类是用指数公式计算，另一 类是按单位切削力进行计算。 在金属切削中广泛应用指数公式计算切削力。不同的加工 方式和加工条件下，切削力计算的指数公式可在切削用量手册 中查得。r分解 为相互垂直的三个分力： 切削力Fc(FZ)、进给力 Ff (FX)、背向力 Fp (Fy)
切削力Fz(Fc)
（旧称主切削力，用Fz表示）——总切削力在主运动方向的分力。 它切于过渡表面，并垂直于基面Pr，与切削速度vc方向一致， 它消耗机床的主要功率，是计算机床切削功率、选配机床电机、 校核机床主传动机构、设计机床部件及计算刀具强度等必不可 少的依据。

切削力的测量
一、实验目的
• 掌握切削力的测量方法及实验数据的处理 方法；
• 分析切削用量对切削力的影响；建立切削 力的经验公式。
二、实验原理及方法
• 本实验采用电阻式测力仪原理进行测量切 削力。电阻应变式测力仪的传感器将力作 用在弹性元件上，弹性元件在其切削力作 用下产生变形，利用贴在弹性元件上的应 变片将应变变化转换成电阻的变化，然后 利用电桥将电阻变化转换成电压变化，送 入测量放大电路测量。最后利用标定曲线 将测得之应变值推算得被测外力值，或者 直接由测力仪上经过标定的刻度盘读得测 量值。测力原理如图所示：
四、实验步骤
4.1标定：首先将弓型加载器一端用夹盘夹住，另一 端用顶尖支撑，测力环上表针调整到零的位置， 底端放在刀杆上的滚珠上，另一端用弓型加载 器的长螺丝上的滚珠顶住，拧动螺丝，调整松 紧程度，将其固定住，测力环上表针调整到零 的位置，然后加力开始标定，用光线示波器中 的感光纸记录标定曲线。
4.2进行实际切削，用计算机记录切削力变化曲线。 按下面表格(表1)分别改变切削因素ap、f进行切 削。并记录下来：
五、数据整理与报告要求
•
• 采用电阻式测力仪，利一弹性原
件。在测力仪的弹性原件上粘贴具有一定
电阻值的电阻应变片，然后将电阻应变片 联接成电桥。电桥各臂的电阻分别为R1、 R2、R3、R4。如果R1/R2=R3/R4，则电 桥是平衡的，即B、D两点间的电位差为零，
电流表中没有电流通过。在切削力的作用 下，电阻应变片随着弹性原件发生变形
三、实验仪器及材料
• CA6140车床一台。测力刀杆一件。动态电 阻应变仪一台。电桥盒一个。弓型加载器、 测力环。
• 本测力系统由 SDC 系列测力仪或测力传感 器、计算机、 FS21-4A （四通道）直流应 变放大器、模 / 数转换板和专用电缆等组成； 软件功能有：数据采集、回放、动态显示、 均值计算、回归分析、功率谱分析等。具 体的连接关系如图所示：

•材料的强度、硬度越高，则屈服 强度越高，切削力越大。
•在强度、硬度相近的情况下，材 料的塑性、韧性越大，则刀具前面
上的平均摩擦系数越大，切削力也 就越大。
进给量f和背吃刀量ap
进给量f和背吃刀量ap增加，使切 削力Fc增加，但影响程度不同。 进给量f 增大时，切削力有所增
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
KFc , KFp , KFf —— 考虑切削速度、刀具几何参数、 刀具磨损等因素影响的修正系数。
A
29
切削力与切削功率——2. 切削功率
单位切削力
切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数KFc =1）
pF c C F cap xF c fyF c
A D
apf
K F c
a C pF cfa 1 p xy F F cc
A
11
图 1-44 电阻应变片
A
12
图 1-43 电阻应变片
A
13
• （2）车削力经验公式及切削分力计算 • 1）经验公式及建立方法简介 切削力经验公式是在通过切
削实验取得大量数据的基础上，经适当的数据处理后得到 的关于切削力与可变因素（切削条件）之间的定量关系式。 由于建立这种关系的依据是经验数据，故称为经验公式。 目前，在计算一定切削条件下的切削力数值时，多采用经 验公式。 • 建立经验公式时，为便于进行数据处理并保证经验公式的 可靠性，通常多采用单因素实验法或正交实验法，而在处 理数据时采用图解法或线性回归法。 • 下面将单因素实验法建立车削力经验公式的主要过程作一 简要介绍。 • 在影响车削力的因素中，影响最大，也最直接的是切削深 度ap和进给量f。其他因素则主要通过对切屑变形和摩擦 的影响而影响切削力。因此，目前，普遍使用的车削力经 验公式的基本形式均采用各切削分力与ap、f之关系的形 式，对其他因素的影响，再通过修正系数加以考虑。