1、金屬切削實(shí)驗(yàn)技術(shù)之切削力的測(cè)量,綜述：切削力測(cè)量是金屬切削研究中的重要實(shí)驗(yàn)技術(shù)。 不僅研究金屬切削機(jī)理需要研究切削力的瞬時(shí)變化值，制定切削用量和設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)需要切削力數(shù)據(jù)，而且切削力是對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行進(jìn)行自適應(yīng)控制的參數(shù)，是自動(dòng)化加工中對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)的重要信號(hào)。切削力的測(cè)量不僅需要高性能的測(cè)力儀。并要求一定的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。,測(cè)量切削力不僅使用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)力儀，還常需要根據(jù)具體條件設(shè)計(jì)專用測(cè)力儀，因此設(shè)計(jì)測(cè)力儀也成為測(cè)量切削力的重要內(nèi)容。金屬切削技術(shù)的不斷發(fā)展和研究工作的深化，已將動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量提上日程，故測(cè)力儀的動(dòng)態(tài)特性已成為衡量測(cè)力儀質(zhì)量的重要指標(biāo)，動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量技術(shù)也成為需要研究的重要實(shí)驗(yàn)技術(shù)

2、。,主要內(nèi)容,1 .1切削力的來(lái)源及研究的意義 1 .2切削力測(cè)量的一般問(wèn)題 1 .3電阻應(yīng)變片式測(cè)力傳感器 1 .4壓電晶體傳感器 1.5小結(jié),1 .1切削力的來(lái)源及研究的意義,一、切削力的來(lái)源 1.切削層材料、切屑和工件表面層金屬的彈性變形、塑性變形所產(chǎn)生的抗力； 2.刀具與切屑、工件表面間的摩擦阻力。,二、研究切削力的意義,1、在切削過(guò)程中，切削力直接決定著切削熱的產(chǎn)生，并影響刀具磨損、破損、使用壽命、加工精度和已加工表面質(zhì)量。 2、在生產(chǎn)中，切削力又是計(jì)算切削功率，設(shè)計(jì)和使用機(jī)床，刀具、夾具的必要依據(jù)。,三、切削分力,1、主切削Fz：在主運(yùn)動(dòng)方向上的分力；,2、切深抗力Fy：在垂直于工

3、作平面上分力; 3、進(jìn)給抗力Fx：在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上分力。,一般情況下，切削力Fz最大，F(xiàn)x，F(xiàn)y小一些。 、Fz：計(jì)算切削功率和設(shè)計(jì)機(jī)床的主要依據(jù)。 、Fy：使工件變形或造成振動(dòng)，對(duì)加工精度和已加工表面質(zhì)量影響較大。 、Fx：作用在機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)上，常用以設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)或校核其強(qiáng)度。,1-2切削力測(cè)量的一般問(wèn)題,一、對(duì)切削力測(cè)量和測(cè)力儀性能的基本要求 現(xiàn)代金屬切削科學(xué)研究對(duì)切削力測(cè)量和測(cè)力儀性能不斷提出新的更高的要求?；疽罂蓺w納為下面幾方面。 1、測(cè)力儀應(yīng)有足夠的靈敏度，測(cè)力儀測(cè)力儀應(yīng)能清楚測(cè)出所測(cè)力的0.5%的變化。讀數(shù)要求線性、受溫度干擾小、讀數(shù)和記錄應(yīng)穩(wěn)定可靠、重復(fù)性好。,2、測(cè)力儀

4、應(yīng)有足夠的剛度。在切削力作用下引起的刀尖位置變化應(yīng)極小，在工件刀具機(jī)床系統(tǒng)中不致因加入測(cè)力儀而使原始切削過(guò)程改變。測(cè)力儀的靜剛度應(yīng)大于1m/N。 3、測(cè)力儀的動(dòng)態(tài)性能要好，即測(cè)力儀要有較高的自振頻率，以便能測(cè)量動(dòng)態(tài)切削力；測(cè)力儀的頻率應(yīng)是切削力變化頻率的5-10倍，如切削力變化頻率為1000Hz，測(cè)力儀的自振應(yīng)是5-10kHz。動(dòng)態(tài)性好的測(cè)力儀可以測(cè)出切削力的瞬時(shí)變化值、,4、能同時(shí)測(cè)出各切削分力，各分力都應(yīng)有足夠的靈敏度，各分力的相互干擾要小。例如車削測(cè)力儀要求同時(shí)測(cè)出X,Y,Z三個(gè)方向的的切削分力，銑削測(cè)力儀要求同時(shí)測(cè)出四向力（三個(gè)切削分力和扭矩）。有些切削測(cè)力儀要求切削力作用點(diǎn)位置改變不

5、影響測(cè)力結(jié)果，如銑削和磨削測(cè)力儀 5、測(cè)力儀應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造調(diào)試容易，使用維護(hù)方便，能和標(biāo)準(zhǔn)的電放大器和記錄器配套使用。 6、隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普遍性，已有和測(cè)力儀配套的微型計(jì)算機(jī)（或單板機(jī)）的切削力采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。,不僅可測(cè)的切削力的瞬時(shí)值，且可根據(jù)需要直接得出切削力的平均值、切削力的指數(shù)公式，并可在數(shù)據(jù)吃力中消除各切削分力的相互干擾。由于對(duì)切削力測(cè)量要求的提高，近年來(lái)對(duì)測(cè)力儀的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了不少研究，并提出一些改善測(cè)力儀動(dòng)特性的方法。還有提出用阻尼器擴(kuò)大測(cè)力儀的測(cè)力頻域范圍，用加速度計(jì)補(bǔ)償測(cè)力時(shí)的動(dòng)態(tài)誤差等。這些方法是能夠提高測(cè)力水平，但應(yīng)注意，測(cè)力動(dòng)態(tài)誤差的補(bǔ)償，只是在高質(zhì)量測(cè)力儀上進(jìn)

6、行才有意義，因此提高測(cè)力儀本身的性能，仍是提高切削力測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵.,二、測(cè)量方法和測(cè)力傳感器的選擇 測(cè)量方法和測(cè)力傳感器的選擇是切削力測(cè)量的首要問(wèn)題。過(guò)去測(cè)力時(shí)使用過(guò)的傳感器有機(jī)械的、液壓的、電容的、電感的、碳堆電阻的、電阻應(yīng)變片的和壓電晶體的等。從現(xiàn)在的測(cè)力的要求來(lái)看，并不是這些所有的測(cè)量方法和傳感器都是適用的。,機(jī)械和液壓測(cè)力傳感器因剛度低、慣性大、只能測(cè)平均切削力，實(shí)際已經(jīng)被淘汰。電容和電感測(cè)力儀雖可用于測(cè)量切削力的瞬時(shí)變化值，但由于結(jié)構(gòu)限制，在測(cè)量多向切削分力時(shí)，特別是在切削力作用點(diǎn)位置改變時(shí)（如銑削和磨削）測(cè)力儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此這兩種傳感器也不適用于切削力的測(cè)量。,壓電晶體傳感器因靈

7、敏度高，受力變形小而被重視。不同方向切片的石英晶體，產(chǎn)生電荷的力作用方向不同，可用在多向分力的測(cè)量而避免分力的相互干擾。壓電晶體傳感器的測(cè)力儀性能良好，自振頻率可達(dá)3-10kHz，適用于要求嚴(yán)格的科研試驗(yàn)。壓電晶體測(cè)力儀用于靜態(tài)力的測(cè)量時(shí)，力容易產(chǎn)生另點(diǎn)漂移。壓電晶體測(cè)力儀使用性能較好，但價(jià)格昂貴，且使用維護(hù)要求嚴(yán)格，因此適合在要求較高的科研試驗(yàn)中使用。,電阻應(yīng)變片測(cè)力傳感器在測(cè)力儀中使用廣泛、車、鉆、銑、磨測(cè)力儀均有使用。這種傳感器用于切削力測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)較多，靈敏度高、可測(cè)力的瞬時(shí)值、應(yīng)用電補(bǔ)償原理易于消除各分力的相互干擾。測(cè)剪切和拉壓應(yīng)變的測(cè)力儀的出現(xiàn)，使測(cè)力儀的剛度和自振頻率都提高了一個(gè)數(shù)量

8、級(jí)，其動(dòng)特性可與壓電晶體測(cè)力儀相抗衡。價(jià)格便宜、使用維護(hù)方便，易于制造特殊用途的專用測(cè)力儀，可適用于多種用途的切削力的測(cè)量。,三、和測(cè)力儀配套使用的儀器 電阻應(yīng)變片式測(cè)力儀和動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀配套使用?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀有YD-15型晶體管應(yīng)變儀，它的載頻用10Hz，工作頻帶可以到1.5kHz?，F(xiàn)在應(yīng)變式測(cè)力儀的自振頻率可提高到5-10kHz以上，測(cè)動(dòng)態(tài)切削力現(xiàn)在常用的動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀工作頻帶太低。在測(cè)靜態(tài)力和靜態(tài)標(biāo)定時(shí)可用靜態(tài)應(yīng)變儀。,壓電晶體測(cè)力儀和電荷放大器配套使用，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)已有質(zhì)量較好的電荷放大器產(chǎn)品。電荷放大器要求非常高的輸入阻抗和很高的絕緣電阻，因此使用必須很仔細(xì)。 本文主要圍繞壓電式測(cè)力

9、傳感器和電阻應(yīng)變片式測(cè)力傳感器進(jìn)行說(shuō)明。,1-3電阻應(yīng)變片式測(cè)力傳感器,使用電阻應(yīng)變片作為測(cè)力傳感器時(shí)，應(yīng)變片貼在測(cè)力儀的彈性變形原件上，切削力作用使變形原件變形，貼在上面的應(yīng)變片隨切削力的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。用應(yīng)變儀測(cè)出應(yīng)變值，即可得知切削力數(shù)值。,此處k為應(yīng)變片的靈敏系數(shù),一、電阻應(yīng)變片的工作原理,應(yīng)變 物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象 彈性應(yīng)變 當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變 彈性元件 具有彈性應(yīng)變特性的物體,應(yīng)變傳感器在承重梁上,電阻應(yīng)變片的種類 電阻應(yīng)變片品種繁多, 形式多樣。 常用的應(yīng)變片可分為兩類: 金屬電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片。 ,應(yīng)變效應(yīng)分析

10、,電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng) 應(yīng)變效應(yīng)：即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化， 這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。 ,一根金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原始電阻值為：,圖3-1 金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng),當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí)， 將伸長(zhǎng)l，橫截面積相應(yīng)減小A，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了，從而引起電阻值變化量為:,式中：dl/l長(zhǎng)度相對(duì)變化量，用應(yīng)變表示為：,電阻相對(duì)變化量：,dA/A圓形電阻絲的截面積相對(duì)變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2r dr，則,材料力學(xué)：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)，沿軸向伸長(zhǎng)， 沿徑向縮短。 軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)

11、系可表示為,為材料的泊松比， 負(fù)號(hào)表示與應(yīng)變方向相反。,推得：,定義：電阻絲的靈敏系數(shù)（物理意義）：?jiǎn)挝粦?yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量。其表達(dá)式為,實(shí)驗(yàn)證明，在金屬電阻材料中，1+2(d/)/ ，所以(d/)/ ，因而金屬電阻材料的靈敏系數(shù)為,大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。,半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料制成的, 其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。所謂壓阻效應(yīng)，是指半導(dǎo)體材料在某一軸向受外力作用時(shí), 其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí), 其電阻相對(duì)變化為,半導(dǎo)體應(yīng)變片,半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對(duì)變化量與所受的應(yīng)變力有關(guān)：,式中： 半導(dǎo)體材

12、料的壓阻系數(shù); 半導(dǎo)體材料的所受應(yīng)力; E半導(dǎo)體材料的彈性模量; 半導(dǎo)體材料的應(yīng)變。,因此：,實(shí)驗(yàn)證明，在半導(dǎo)體材料中，E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為,由此可知, 應(yīng)變力正比于應(yīng)變, 而試件應(yīng)變正比于電阻值的變化, 所以應(yīng)變力正比于電阻值的變化, 這就是利用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的基本原理。,=E,根據(jù)應(yīng)變力與應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)變力為,金屬電阻應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成, 如圖所示。,電阻應(yīng)變片的構(gòu)成,應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu),根據(jù)敏感柵的形狀，金屬電阻應(yīng)變片分為絲式、 箔式和薄膜式三種，其中前兩種均需用粘結(jié)劑安裝在被測(cè)試件上，屬于粘貼式應(yīng)變片。,金屬電

13、阻應(yīng)變片分類,目前箔式應(yīng)變片應(yīng)用較多。 金屬絲式應(yīng)變片使用最早。金屬絲式應(yīng)變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢(shì)。但其價(jià)格便宜，多用于應(yīng)變、應(yīng)力的大批量、一次性試驗(yàn)。 當(dāng)傳感器的彈性體很薄、尺寸很小時(shí)，采用箔式應(yīng)變片會(huì)由于基底材料和粘結(jié)劑的存在而對(duì)傳感器特性產(chǎn)生不利影響，可采用薄膜式應(yīng)變片。,絲式金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),金屬絲式應(yīng)變片,金屬箔式應(yīng)變片,各式箔式應(yīng)變花,箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu),電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有線路補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償、熱敏電阻補(bǔ)償三大類。 1) 線路補(bǔ)償法 電橋補(bǔ)償是最常用且效果較好的線路補(bǔ)償。,粘貼在被測(cè)部位上的是一種特殊應(yīng)變片，

14、當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?，這種應(yīng)變片稱為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。利用這種應(yīng)變片來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǚQ為應(yīng)變片自補(bǔ)償法。,2) 應(yīng)變片的自補(bǔ)償法,3）熱敏電阻補(bǔ)償,T U0,Rt,URt,U = Ui - URt,U0,-,+,+,-,+,-,0,二、電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路,直流電橋 1. 直流電橋平衡條件,圖3-9 直流電橋,當(dāng)RL時(shí)，電橋輸出電壓為,當(dāng)電橋平衡時(shí)，Uo=0，則有,R1R4=R2R3,或,電橋平衡條件：欲使電橋平衡， 其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等， 或相對(duì)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。,2. 電壓靈敏度 應(yīng)變片工作時(shí)：電阻值變化很小，電橋相應(yīng)輸出電壓也很小，一般需要加入放大器進(jìn)

15、行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時(shí)仍視電橋?yàn)殚_(kāi)路情況。,當(dāng)受應(yīng)變時(shí)：若應(yīng)變片電阻變化為R，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo0，則電橋不平衡，輸出電壓為,單臂受感全橋電路，R1為受感應(yīng)變片，其余R2、R3、R4 為常值電阻,設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略， 并考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3， 則上式可寫(xiě)為,電橋電壓靈敏度定義為,求得n=1時(shí)，KU為最大值。即在供橋電壓確定后，當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，電橋電壓靈敏度最高，此時(shí)有,結(jié)論：當(dāng)電源電壓E和電阻相對(duì)變化量R1/R1一定時(shí)， 電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值

16、大小無(wú)關(guān)。,三、非線性誤差的補(bǔ)償方法,（1）采用半橋差動(dòng)電橋,半橋差動(dòng)：在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變， 接入電橋相鄰橋臂。 ,半橋差動(dòng)電橋輸出電壓為,若R1=R2，R1=R2，R3=R4，則得,可知：Uo與R1/R1成線性關(guān)系，無(wú)非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時(shí)的兩倍。,全橋差動(dòng)：電橋四臂接入四片應(yīng)變片，即兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上。若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，則,結(jié)論：全橋差動(dòng)電路不僅沒(méi)有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單臂工作時(shí)的4倍。,1-4壓電晶體傳感器,一、壓電式測(cè)力傳感器的介紹

17、及工作原理 壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)物體，在沿一定方向?qū)ζ涫┘訅毫屠Χ怪冃螘r(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)會(huì)在其表面產(chǎn)生電荷。當(dāng)將外力去掉后，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)。這種現(xiàn)象就稱為壓電效應(yīng)。 正壓電效應(yīng)：人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象，就稱為正壓電效應(yīng)。,逆壓電效應(yīng)：在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變；當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失。這種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象，稱為“逆壓電效應(yīng)”。 定義：具有壓電特性的電介質(zhì)稱為壓電材料，用壓電材料制成的傳感器叫做壓電傳感器。 壓電式傳感器可以看作是電荷發(fā)生器，它又是一個(gè)電容器。,式中： 壓電式材料的相對(duì)介電常數(shù) 真空介電常數(shù)，=8

18、.8510-12F/M 極板間距離 極板面積,在圖所示壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極，為施加在晶片上的外力。實(shí)驗(yàn)已證明壓電體表面積聚的電荷與作用力成正比。,壓電式測(cè)力傳感器模型,壓電式傳感器接入電路等效電路圖，如下圖所示：其中Cc為連接電纜的寄生電容形成的傳感器的并生電容，R0后續(xù)電路的輸入阻抗和傳感器中漏電阻形成的泄漏電阻。 傳感器等效電路,二、壓電式測(cè)力傳感器的材料及性能分析 具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)稱為壓電材料，典型的壓電材料有石英晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料等。 石英晶體的壓電效應(yīng) 理想石英晶體的外形坐標(biāo)系,軸電軸，垂直于軸晶面上的壓電效應(yīng)最顯著； 軸機(jī)械軸，

19、在電場(chǎng)作用下，此軸的機(jī)械變形最顯 著； 軸光軸（中性軸），該軸方向上無(wú)壓電效應(yīng)。 1、縱向壓電效應(yīng) 縱向壓電效應(yīng)是沿著X軸對(duì)晶體施加力時(shí)，在垂直于X軸的表面上產(chǎn)生電荷，產(chǎn)生的電荷與作用力的大小成正比，與晶片尺寸無(wú)關(guān)。,當(dāng)外力Fx = 0時(shí)，正、負(fù)離子恰好分布于正六邊形的六個(gè)頂點(diǎn)上，形成三個(gè)大小相等、夾角為120的正負(fù)電荷之間的電偶極矩值為,式中， 電荷量， 正負(fù)電荷之間的距離,由于正負(fù)電荷中心重合， 電偶極矩的矢量和為零，即,因此X軸不受外力的情況下，不呈現(xiàn)極性,當(dāng)外力FX 0（壓力）時(shí)，晶體沿X方向上產(chǎn)生收縮，正負(fù)離子相對(duì)位置發(fā)生變化，正負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩的矢量和在X方向分量大于零，即：,此時(shí)在X軸正向出現(xiàn)正電荷， 在X軸反方向出現(xiàn)負(fù)電荷。 而在Y、Z軸方向不出現(xiàn)電荷,當(dāng)外力FX 0（拉力）時(shí)，晶體沿X方向上產(chǎn)生拉伸，正負(fù)離子相對(duì)位置發(fā)生變化，正負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩的矢量和在X方向分量小于零，即：,此時(shí)在X軸正向出現(xiàn)負(fù)電荷， 在X軸反方向出現(xiàn)正電荷。 而在Y、Z軸方向不出現(xiàn)電荷。,2、橫向壓電效應(yīng) 橫向壓電效應(yīng)是沿著Y軸對(duì)晶體施加力