金属切削实验技术之切削力的测量

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1、金属切削实验技术之 切削力的测量,综述：切削力测量是金属切削研究中的重要实验技术。 不仅研究金属切削机理需要研究切削力的瞬时变化值，制定切削用量和设计机床时需要切削力数据，而且切削力是对切削过程进行进行自适应控制的参数，是自动化加工中对切削过程进行监测的重要信号。切削力的测量不仅需要高性能的测力仪。并要求一定的实验技术。,测量切削力不仅使用标准的测力仪，还常需要根据具体条件设计专用测力仪，因此设计测力仪也成为测量切削力的重要内容。金属切削技术的不断发展和研究工作的深化，已将动态切削力的测量提上日程，故测力仪的动态特性已成为衡量测力仪质量的重要指标，动态切削力的测量技术也成为需要研究的重要实验技

2、术。,主要内容,1 .1切削力的来源及研究的意义 1 .2切削力测量的一般问题 1 .3电阻应变片式测力传感器 1 .4压电晶体传感器 1.5小结,1 .1切削力的来源及研究的意义,一、切削力的来源 1.切削层材料、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力； 2.刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。,二、研究切削力的意义,1、在切削过程中，切削力直接决定着切削热的产生，并影响刀具磨损、破损、使用寿命、加工精度和已加工表面质量。 2、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。,三、切削分力,1、主切削Fz：在主运动方向上的分力；,2、切深抗力Fy：在垂直于

3、工作平面上分力; 3、进给抗力Fx：在进给运动方向上分力。,一般情况下，切削力Fz最大，Fx，Fy小一些。 、Fz：计算切削功率和设计机床的主要依据。 、Fy：使工件变形或造成振动，对加工精度和已加工表面质量影响较大。 、Fx：作用在机床进给机构上，常用以设计机床进给机构或校核其强度。,1-2切削力测量的一般问题,一、对切削力测量和测力仪性能的基本要求 现代金属切削科学研究对切削力测量和测力仪性能不断提出新的更高的要求。基本要求可归纳为下面几方面。 1、测力仪应有足够的灵敏度，测力仪测力仪应能清楚测出所测力的0.5%的变化。读数要求线性、受温度干扰小、读数和记录应稳定可靠、重复性好。,2、测力

4、仪应有足够的刚度。在切削力作用下引起的刀尖位置变化应极小，在工件刀具机床系统中不致因加入测力仪而使原始切削过程改变。测力仪的静刚度应大于1m/N。 3、测力仪的动态性能要好，即测力仪要有较高的自振频率，以便能测量动态切削力；测力仪的频率应是切削力变化频率的5-10倍，如切削力变化频率为1000Hz，测力仪的自振应是5-10kHz。动态性好的测力仪可以测出切削力的瞬时变化值、,4、能同时测出各切削分力，各分力都应有足够的灵敏度，各分力的相互干扰要小。例如车削测力仪要求同时测出X,Y,Z三个方向的的切削分力，铣削测力仪要求同时测出四向力（三个切削分力和扭矩）。有些切削测力仪要求切削力作用点位置改变

5、不影响测力结果，如铣削和磨削测力仪 5、测力仪应结构简单，制造调试容易，使用维护方便，能和标准的电放大器和记录器配套使用。 6、随着计算机应用的普遍性，已有和测力仪配套的微型计算机（或单板机）的切削力采集和数据处理系统。,不仅可测的切削力的瞬时值，且可根据需要直接得出切削力的平均值、切削力的指数公式，并可在数据吃力中消除各切削分力的相互干扰。由于对切削力测量要求的提高，近年来对测力仪的动态特性进行了不少研究，并提出一些改善测力仪动特性的方法。还有提出用阻尼器扩大测力仪的测力频域范围，用加速度计补偿测力时的动态误差等。这些方法是能够提高测力水平，但应注意，测力动态误差的补偿，只是在高质量测力仪上

6、进行才有意义，因此提高测力仪本身的性能，仍是提高切削力测量技术的关键.,二、测量方法和测力传感器的选择 测量方法和测力传感器的选择是切削力测量的首要问题。过去测力时使用过的传感器有机械的、液压的、电容的、电感的、碳堆电阻的、电阻应变片的和压电晶体的等。从现在的测力的要求来看，并不是这些所有的测量方法和传感器都是适用的。,机械和液压测力传感器因刚度低、惯性大、只能测平均切削力，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，在测量多向切削分力时，特别是在切削力作用点位置改变时（如铣削和磨削）测力仪结构复杂，因此这两种传感器也不适用于切削力的测量。,压电晶体传感器因

7、灵敏度高，受力变形小而被重视。不同方向切片的石英晶体，产生电荷的力作用方向不同，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、钻、铣、磨测力仪均有使用。这种传感器用于切削力测量优点较多，灵敏度高、可测力的瞬时值、应用电补偿原理易于消除各分力的相互干扰。测剪切和拉压应变的测力仪的出现，使测力仪的刚度和自振频率都提高了一个数

8、量级，其动特性可与压电晶体测力仪相抗衡。价格便宜、使用维护方便，易于制造特殊用途的专用测力仪，可适用于多种用途的切削力的测量。,三、和测力仪配套使用的仪器 电阻应变片式测力仪和动态应变仪配套使用。现在国内生产的动态应变仪有YD-15型晶体管应变仪，它的载频用10Hz，工作频带可以到1.5kHz。现在应变式测力仪的自振频率可提高到5-10kHz以上，测动态切削力现在常用的动态应变仪工作频带太低。在测静态力和静态标定时可用静态应变仪。,压电晶体测力仪和电荷放大器配套使用，现在国内已有质量较好的电荷放大器产品。电荷放大器要求非常高的输入阻抗和很高的绝缘电阻，因此使用必须很仔细。 本文主要围绕压电式测

9、力传感器和电阻应变片式测力传感器进行说明。,1-3电阻应变片式测力传感器,使用电阻应变片作为测力传感器时，应变片贴在测力仪的弹性变形原件上，切削力作用使变形原件变形，贴在上面的应变片随切削力的变化而产生相应的应变。用应变仪测出应变值，即可得知切削力数值。,此处k为应变片的灵敏系数,一、电阻应变片的工作原理,应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变 当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件 具有弹性应变特性的物体,应变传感器在承重梁上,电阻应变片的种类 电阻应变片品种繁多, 形式多样。 常用的应变片可分为两类: 金属电阻丝应变片和半导体电阻应变片。 ,应变效应分

10、析,电阻应变片的工作原理是基于应变效应 应变效应：即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化， 这种现象称为“应变效应”。 ,一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：,图3-1 金属电阻丝应变效应,当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长l，横截面积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了，从而引起电阻值变化量为:,式中：dl/l长度相对变化量，用应变表示为：,电阻相对变化量：,dA/A圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2r dr，则,材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长， 沿径向缩短。 轴向应变和径向应变的

11、关系可表示为,为材料的泊松比， 负号表示与应变方向相反。,推得：,定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为,实验证明，在金属电阻材料中，1+2(d/)/ ，所以(d/)/ ，因而金属电阻材料的灵敏系数为,大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。,半导体应变片是用半导体材料制成的, 其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时, 其电阻率发生变化的现象。 半导体应变片受轴向力作用时, 其电阻相对变化为,半导体应变片,半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：,式中： 半导体

12、材料的压阻系数; 半导体材料的所受应力; E半导体材料的弹性模量; 半导体材料的应变。,因此：,实验证明，在半导体材料中，E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为,由此可知, 应变力正比于应变, 而试件应变正比于电阻值的变化, 所以应变力正比于电阻值的变化, 这就是利用应变片测量应变的基本原理。,=E,根据应变力与应变的关系，得到应变力为,金属电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成, 如图所示。,电阻应变片的构成,应变片的基本结构,根据敏感栅的形状，金属电阻应变片分为丝式、 箔式和薄膜式三种，其中前两种均需用粘结剂安装在被测试件上，属于粘贴式应变片。,金属

13、电阻应变片分类,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。,丝式金属电阻应变片的结构,金属丝式应变片,金属箔式应变片,各式箔式应变花,箔式应变片的基本结构,电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿、热敏电阻补偿三大类。 1) 线路补偿法 电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。,粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片

14、，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。,2) 应变片的自补偿法,3）热敏电阻补偿,T U0,Rt,URt,U = Ui - URt,U0,-,+,+,-,+,-,0,二、电阻应变片的测量电路,直流电桥 1. 直流电桥平衡条件,图3-9 直流电桥,当RL时，电桥输出电压为,当电桥平衡时，Uo=0，则有,R1R4=R2R3,或,电桥平衡条件：欲使电桥平衡， 其相邻两臂电阻的比值应相等， 或相对两臂电阻的乘积应相等。,2. 电压灵敏度 应变片工作时：电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器

15、进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。,当受应变时：若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为,单臂受感全桥电路，R1为受感应变片，其余R2、R3、R4 为常值电阻,设桥臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略， 并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3， 则上式可写为,电桥电压灵敏度定义为,求得n=1时，KU为最大值。即在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有,结论：当电源电压E和电阻相对变化量R1/R1一定时， 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻

16、值大小无关。,三、非线性误差的补偿方法,（1）采用半桥差动电桥,半桥差动：在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变， 接入电桥相邻桥臂。 ,半桥差动电桥输出电压为,若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得,可知：Uo与R1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。,全桥差动：电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上。若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，则,结论：全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单臂工作时的4倍。,1-4压电晶体传感器,一、压电式测力传感器的介绍及工作原理 压电效应：某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力和拉力而使之变形时，内部会产生极化现象，同时会在其表面产生电荷。当将外力去掉后，它们又重新回到不带电的状态。这种现象就称为压电效应。 正压电效应：人们把这种机械能转化为电能的现象，就称为正压电效应。,