实验二：动态切削力的测量实验
一、 实验目的和要求
1、 了解各种测力仪的工作原理；
2、 研究在一定刀具几何角度的条件下，切削深度和进给量对切削力的影响及变化规律。 3、 掌握用实验的方法建立切削力的经验公式的方法和技能。
二、 实验仪器及耗材
1、 压电式切削测力仪； 2、 YE5850电荷放大器；
3、 机床：J1MK460×100精密车床； 4、 其它测量工具； 5、 45钢试件；
6、 计算器、笔、尺等（学生自备）。
三、 测力仪的工作原理
1、压电式切削测力仪 YDC-Ⅲ89型压电式切削测力仪的结构如图2-1所示，该测力仪为大连理工大学开发的专利产品，采用刀杆式结构，用一个三向压电石英力传感器作为力——电转换元件。它不仅大刚度、高灵
敏度、高固有频率、宽频率响应范围，线性良好的动、静态性能，而且结果简单，体积小，除刀体结构有一点变化外和正常的刀具一样，在正常的切削加工状态下，就可以实时、准确地测量出三向静、动态切削力。其工作原理可简单地叙述为：根据正压电效应，当石英晶片受到外力作用时，石英晶片的表面会产生正、负电荷，电荷的多少与所受外
6
力的大小成严格的线性关系。
2、电阻应变式切削测力仪
电阻应变式切削测力仪的工作原理是在测力仪的弹性体（特制刀杆）上粘贴电阻应变片，构成电桥，如图2-2所示。电桥的平衡条件是R1/R2=R3/R4，既B、D两点的电位相同，表现为检流计中无电流。在切削力的作用下，弹性元件的变形，各电阻应变片的阻值将发生变化。R1受张力，长度增加。截面积减少，于是电阻增大。R2受压缩，长度减少，截面积增加，于是电阻减小。电桥的平衡被打破，VB>VD，检流表中有电流通过，电流的大小与切削力成正比。
3、机械式切削测力仪 机械式切削测力仪的结构如图2-6所示，受结构的限制，只能测量垂直分力F z，在切削状态下，F z所产生的扭矩，使测力仪的横梁产生扭转变形，带动杠杆转动一个角度，通过活塞杆，将变形量以一定的关系传
递给百分表。这一系列的变形传递关系与F z成正比关系，通过事先标定好的百分表读数——切削力的关系，就可以进行切削力的实际测量了。
四、 实验内容
1、熟悉实验设备的构成、工作原理。
2、每4个学生一组，在实验指导老师指导下完成如下内容
（1） 确定实验参数：在指定切削速度(500r/min)的前提下，在一定范围内确定实验参数; 进给量f：0.15 ~ 0. 5mm/min，背吃刀量ap：0.2 ~ 1.0mm。
（2） 操作切削力测量系统软件系统，配合指导老师操作机床，进行切削加工； （3） 记录实验数据； （4） 整理实验数据；
（5） 建立切削力与背吃刀量及进给量相关的经验公式； 3、填写实验报告。
7
实验三：加工误差的统计分析实验
一、实验目的：
在一定的加工条件下，用数理统计分析的方法，分析工艺系统的尺寸分布，加工能力和工艺系统中可能存在的误差因素。
二、实验内容：
按自然加工顺序，对所加工的100个试件的尺寸进行测量，绘出频率直方图,并对其工艺能力和废品率进行分析。
三、试验样件及技术要求
如图3-1所示，由于每个零件均进行多次的重复性加工实验，因此，直径尺寸的具体值由实验教师给出。
图3-1 45钢实验用小轴
四、实验设备
无心外圆磨床，杠杆千分尺（0.002），卡尺(0.02)等。
五、实验原理
直方图分析法
在生产过程中，由于系统性误差和随机性误差的存在，使同一批工件在同样生产条件下，加工出来的同一个几何要素的加工尺寸不一样，按尺寸的大小分组，按实测的尺寸结果，统计各组内出现的试件的频数就可以画出对应的直方图（参见图3-2）。
根据直方图的形状和由测量值计算得到的参数，可以估算出该工序的工艺特征和工艺能力。需要计算的参数为样本的平均值X和均方差S。
nkX??Xi/n 或
i?1X??j?1Xj?F/n （1）
nkS??i?1(Xi?X)/n?1 或 S?2?F(Xj?X)j?12/n?1 （2）
式中n:样本数，即加工的工件数。Xi：试件的测量尺寸，Xj：每组的组中值，F：每组频数。
8
如果系统稳定，加工误差将符合正态分布，其尺寸分散范围在6S，则该工序的工艺能力等级系数Cp为公式1-3所示。根据Cp的大小可以判断工艺等级，结合直方图分析，可计算合格率、废品率、常值系统误差，提出提高该工序产品合格率的可行措施。
Cp=T/6S （3）
图3-2 尺寸分布直方图
六、实验步骤
1、 调整机床：
试加工m件（m≥10），求出其平均尺寸Xm和均方差σm，按上限尺寸和下限尺寸求出机床的调整尺寸的上下限，按技术要求调整好机床，要注意要按顺序使工件一个接一个独立地进入磨削区，这样可保证加工每个零件的工艺条件是相同的，同时千万不可将加工顺序搞乱。上限尺寸：D+0.015－3σm（1+1/m）下限尺寸：D－0.015+3σm（1+1/m） 2、 测量数据：
按着加工的自然顺序，用千分尺对每个被加工工件的直径尺寸进行测量并记录在案，为了验证实验结果的统一性，分成十组进行独立的测量，每组的测量数据不近相同，但总的结果还是一致的，将测量结果填入测量数据表（取m=5）。 3、 画直方图：
确定直方图的的组数，对于样本空间为100的实验，一般选择6到12组，组距取微米的整数倍，为了避免数据恰好落在组界上，组界要选在数据尾数的1/2处，将每组的组界、频数、频率、组中值等填写在分布图数据表中。在图上用双点划线画出X和公差带的中心位置，结合公差带的宽度T和尺寸的分散范围6S，可以计算出工艺能力系数Cp，和该工序的工艺等级。
4、 计算工艺能力系数Cp、估算废品率 5、 分析实验结果：
对加工的100个零件进行实际测量得到的结果进行讨论分析、进行归纳总结并填写实验报告。
9
实验四：工艺系统静刚度的测量实验
一、实验目的和要求
1、了解机床刚度的测定方法之一 —动载法；
2、比较机床各部件刚度的大小，分析影响机床刚度的各个因素； 3、巩固和验证有关工艺系统刚度的概念。
二、实验内容
用动载法测定车床刚度。实验系统将动态测量并记录切削力的变化，同步测量并记录前顶针、刀架及后顶针的动态位移量，计算出各部件刚度及机床刚度。
三、实验设备
1、CM6140车床一台、 X5646/1多功能铣床一台； 2、压电三向切削力测量仪两套； 3、位移传感器或千分表三套； 4、计算机数据处理系统一套。
四、实验原理
工艺系统在载荷的作用下会产生相应的变形。载荷越大变形也越大，反之亦然。 机床静刚度Ks是机床在稳态下工作（无振动）的刚度，它衡量机床抵抗静载变行的能力。
静刚度的概念，一般用下式表示： Ks=F/Y
式中：Ks—静刚度（N/mm） F—切削力（N）
Y—在F作用下刀刃与加工面之间的相对位移（mm）。
但是从工艺观点来研究问题时，我们认为在切削分力Fy方向上的变行要比其它切削分力作用方向上的变行大得多，所以Fy对加工精度的影响占主要地位，故又可以用下式表示工艺系统刚度
Ks=Fy/Y
工艺系统在受力情况下的总位移量Y是各个组成环节的位移量迭加，根据测量数据可得出：
刀架刚度 KSD=Fy/YD 前顶尖刚度 KSQ=Fy/2YQ 后顶尖刚度 KSH=Fy/2YH
10