机械制造技术基础综合实验指导书-学生用书
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1 内容一：车刀几何角度测量
一、 回转工作台式量角台的构造
图1-1为回转工作台式量角台组成原理。底盘1为圆盘形，在零度线左右方向各有1000角度，用于测量车刀的主偏角和副偏角，通过底盘指针2读出角度值；工作台3可绕底盘中心在零刻线左右1000范围内转动；定位块4可在平台上平行滑动，作为车刀的基准；测量片5，如图1-2所示，有主平面（大平面）、底平面、侧平面三个成正交的平面组成，在测量过程中，根据不同的情况可分别用以代表剖面、基面、切削平面等。大扇形刻度盘6上有正负450的刻度，用于测量前角、后角、刃倾角，通过测量片5的指针指出角度值；立柱7上制有螺纹，旋转升降螺母8可调整测量片相对车刀的位置。
1－底盘、2－工作台指针、3－工作台、4－定位块、
5－测量片、6－大扇形刻度盘、7－立柱、8－大螺帽、
9－旋钮、10－小扇形刻度盘
图1-1 量角台的构造 图1-2 测量片
二、 测量内容
利用车刀量角台分别测量外圆车刀的几何角度：κr、κr＇、λs、γo、αo、αo ＇等基本角度。记录测得的数据，并计算出刀尖角ε和楔角β。
三、 测量方法
1、根据车刀参考平面及几何参数的定义，首先确定参考辅助平面的位置，在按照几何角度的定义测出几何角度。
2、通过测量片的测量面与车刀刀刃、刀面的贴合（重合）使指针指出所测的各几何角度。
四、 测量步骤
1、测量前的调整：调整量角台使平台、大扇形刻度盘和小扇形刻度盘指针全部指零，使定位块侧面与测量片的大平面垂直，这样就可以认为测量片：
1） 主平面垂直于平台平面，且垂直于平台对称线。
2） 底平面平行于平台平面。
3） 侧平面垂直于平台平面，且平行于平面对称线。
2、测量前的准备：将车刀侧面紧靠在定位块的侧面上，使车刀能和定位块一起在平台平面上平行移动，并且可使车刀在定位块的侧面上滑动，这样就形成了一个平面坐标，可以使车刀置于一个比较理想的位置。
3、测量车刀的主（副）偏角
1） 确定走刀方向：由于规定走刀方向与刀具轴线垂直，在量角台上即垂直于零度线，故可以把 2 主平面上平行于平台平面的直线作为走刀方向，其与主（副）刀刃在基面的投影有一夹角，即为主（副）偏角。
2） 测量方法：顺（逆）时针旋转平台，使主刀刃与主平面贴合。如图1-3所示，即主（副）刀刃在基面的投影与走刀方向重合，平台在底盘上所旋转的角度，即底盘指针在底盘刻度盘上所指的刻度值为主（副）偏角κr（κr＇）的角度值。
4、测量车刀刃倾角（λs）
1）确定主切削平面：主切削平面是过主刀刃与主加工表面相切的平面，在测量车刀的主偏角时，主刀刃与主平面重合，就使主平面可以近似地看作主切削平面（只有当λs =0时，与主加工表面相切的平面才包含主刀刃），当测量片指针指零时底平面可作为基面。这样就形成了在主切削平面内，基面与主刀刃的夹角，即刃倾角。
2）测量方法：旋转测量片，即旋转底平面（基面）使其与主刀刃重合。如图1-4所示，测量片指针所指刻度值为刃倾角。
5、测量车刀主剖面内的前角γo 和后角αo
1） 确定主剖面：主剖面是过主刀刃一点，垂直于主刀刃在基面的投影。
2） 在测量主偏角时，主刀刃在基面的投影与主平面重合（平行），如果使主刀刃在基面的投影相对于主平面旋转900，则主刀刃在基面的投影与主平面垂直，即可把主平面看作主剖面。当测量片指针指零时，底平面作为基面，侧平面作为
图1-3 测量车刀的主偏角图 1-4 测量车刀刃倾角
主切削平面，这样就形成了在主剖面内，基面与前刀面的夹角，即前角（γo）；主切削平面与后刀面的夹角，即后角（αo）。
3） 测量方法：使底平面旋转与前刀面重合。如图1-5所示， 测量片指针所指刻度值为前角；使侧平面（即主切削平面）旋转与后刀面重合。如图1-6所示， 测量片指针所指刻度值为后角。
6、副后角的测量与主后角的测量方法相近，所不同的是须把主平面作为副剖面。 3
图1-5 测量车刀前角 图1-6 测量车刀后角
表1-1 主剖面参考系的基本角度
车刀编号 车刀名称 前 角
γo 后 角
αo 主偏角
κr 副偏角
κr＇ 刃倾角
λs 副后角
αo ＇
1 45度外圆车刀
2 可转位车刀
3 车槽刀
4
内容二：车削力的测量原理及其经验公式的建立
本实验使用的测力仪是电阻应变式的测力仪。
一、 仪器的工作原理
1、电阻应变片及其工作原理
如图2-1所示:电阻应变片由基底1、敏感元件2和引线3组成。敏感元件为高阻金属丝，电阻值为:R=pL/A △R/R=K △L/L=K。 K为灵敏系数
电阻变化率可近似看作与应变成正比。当电阻应变片贴在弹性体上时，则电阻值随弹性体应变而发生变化。
4 图2-1 电阻应变片
2、电桥测量电路
电桥电路就是把电阻应变片上电阻值的微小变化转换成电压信号的变化，如图2-2所示。通过适当的粘贴，使电阻应变片贴在测力仪弹性元件的适当位置，并将其串联成电桥。切削时当弹性元件受力变形，于是紧贴在其上的电阻发生变化。应变片R1及R3受拉发生变形，而R2及R4同时也受压发生变形，于是电桥失去平衡而产生输出电压（或电流）。
（a） （b）
图2-2 电桥测量基本电路
设变形前R1、R2、R3和R4组成的电桥电路平衡，即R1/R3=R2/R4，u输出为零，既u1=u2。
当电阻变化时，u1、u2分别增加和减少，所以变形后输出电压为:
u=u1-u2
若使R1=R2=R3=R4=R(一般力传感器的测量电桥的电阻应变片值为120Q)，且△R1≈△R2≈-△R3≈-△R4，则可以推出 U=E Kε
根据虎克定律，弹性体中:F=Kˊε，∴ε=F/Kˊ
∴ u=EKε=EKF/Kˊ
所以电压输出信号近似与弹性体受力成正比。实际测量时，为了提高测量精度，常将贴在不同位置的相同阻值的应变片，串并接于电桥电路中，组成复杂的桥路。但由于电阻应变片的电阻值变化很小，输出的电信号也很小，所以一般还需经过放大器进行放大，然后才能更好的进行数据的采集和处理。
3、测力系统及其工作原理
测量切削力的测力仪种类很多，有机械式的、油压式和电测力仪，但其工作原理都是一样的。目前使用较多的是电测力仪，它的测量精度和灵敏度较高。电测力仪又有电阻应变式、电感式、电容式和电压式等。这里我们采用的是电阻应变式通用型三向测力仪（SDC-C4M），它可以同时测量Fx，Fy和Fz三个方向上力的大小。如图2－3，为用通用型三向测力的测力系统工作原理图。
图2－3测力系统工作原理图
车削加工过程中，随着测力仪中电阻应变片的变化，电桥电路将输出相应的电信号，由于电信号很小必须通过应变放大器（XY-FS21）进行放大处理，安装在计算机上的数据采集卡将采集到的放大信息输入到计算机中，通过计算机软件的数据处理，将原来的电信号还原成力信号，最终的显示结果就是切削力的大小，以上内容就是切削力测力系统的工作过程。
二、 内容与方法 切削力实验的设计方法很多，最简单、常用的一种方法就是单因素法，即固定其他因素不变，只 5 改变一个因素，测出Fx，Fy和Fz后，然后处理数据，建立切削力经验公式。
若加工同一种材料的零件，固定切削速度和刀具几何参数，可分别改变进给量和切削深度来进行切削力的测量。通过实验数据的记录，便可进行数据处理和建立切削力的经验公式。
三、 实验数据的处理与经验公式的建立
切削力的经验公式通常是以切深ap和进给量f为变量的幂函数，以主切削力Fz为例，其形式为：
fzfzyxPFZZfaCF
首先建立切削力与每一单独变化因素间的关系式（如Fz－ap与Fz－f），分别求出各指数和系数，然后经过综合，求出总的系数。
1、图解法
在单因素实验构思下，固定其他因素不便，只改变一个因素，分别表达切深ap、进给量f与切削力Fz关系的单项切削力的指数公式：
fzxPapZaCF；fzyfZfCF
将等号两边取对数，则有
fyCFzaxCFzFZfpFZaplglglglglglg
显然Fz－ap与Fz－f的关系曲线在双对数坐标纸上是直线。
系数apC为lgFz－lgap线上在ap＝1mm时的Fz的值。
系数fC为lgFz－lgf线上在f＝1mm/r时的Fz的值。
指数FZx为lgFz－lgap线的斜率，指数FZy为lgFz－lgf线的斜率。
用实验数据可在双对数坐标纸上画出几条lgFz－lgap与lgFz－lgf的直线，分别求出FZx和FZy，对于多组数据就取平均值，以提高实验精度。
然后取任意一对lgFz－lgap与lgFz－lgf直线，便可求出系数FZC。计算如下：
由于fzxPapZaCF是在f＝f0（改变ap实验时所固定的f的值）的情况下得到的故有
fzxPapZaCF＝fzfzyxPFZfaC0 则FZyapFZfCC01;
而式fzyfZfCF是在ap＝ap0（改变f实验时所固定的ap的值）的情况下得到的故又有
fzyfZfCF＝fzfzyxPFZfaC0 则FZxfFZapCC02；
由于实验误差1FZC与2FZC不一定相等，因此取两者的平均值最好，即： 6 FZC＝21（1FZC＋2FZC）
2、一元线性回归法
理论上lgFz－lgap与lgFz－lgf应是线性关系，但实际的实验点往往不可能全部落在一条直线上，上述图解法是用眼睛观察绘出的一条直线，使各实验点均布在该直线上下，因此所求得的指数、系数存在一定误差。一元线性回归法是运用数理统计中回归分析的方法，建立一元线性回归方程，因为它是建立在误差平方和为最小的“最小二乘法”基础上得出的一条直线，因此误差最小。
四、 实验记录表格
表2－1 切削力测量的实验条件
机 床 测 力 仪
应变放大器 测力仪
标定常数 Kz＝ N/µε
Ky＝ N/µε
Kx＝ N/µε
工 件 材 料 硬 度
刀 具 结 构 材 料 角 度
表2－2 切削力实验记录
切削用量 工件直径dw/mm 转速nw/r/min 切削速度v/m/min
切削深度ap 进给量f/mm/r 主切削力Fz/N
内容三 切削加工质量的综合实验
一、 实验目的
1、通过综合实验加深理解《机械制造技术基础》课程的相关理论知识，引导学生自主学习，以提高学生分析问题和解决问题的能力。
2、以保证切削加工质量为目标，展开对机床、刀具、夹具和工件所组成的工艺系统各因素的认识和分析，进行一系列的设计、试验和测量，从实验过程和实验结果中对影响加工质量的因素进行综合分析。
