切削试验指导书.doc

机电工程学院飞行器制造工程

机械制造工程原理实验指导书

中北大学

33
实验一 车刀几何角度的测量
一.实验目的
1．认识车刀的类型及用途；
2．了解车刀刃磨过程。掌握测量车刀几何角度的方法及所用仪器。
3．弄清楚车刀几何角度的含义及其在图纸上的表示方法。
二．测量工具
1．量角台、重锤式量角器，钢板尺。
2．各种车刀模型。
三．实验步骤及要求
1． 观察所给各种车刀的结构，了解它的用途。认出主副切削刃。并用粗线表示在实验报告的简图上。
2． 用所给各量具量出所给车刀的各角度。填入实验报告中。
3． 绘简图表示出弯头车刀(横向进给时)的各基准面，剖面以及工件和刀具的各表面等，并将测得的各角度标注在图上。

图1-1 车刀量角台 图1-2 大指针工作面
1.支脚2.底盘3.工作台4.定位块5.大指针6.刻度盘
7.小螺钉8.小刻度板9.弯板10.螺母11.支栓
四．车刀量角台的结构和使用
量角台的结构如图(1-1)，使用车刀量角台测量角度时，须令所有的指针对零，称此为车刀的原始位置。测量时，车刀的主副切削刃分别和大指针的各表面(如图1-2所示a、b、c、d等面)接触并密合 。在底盘2和刻度板6上即可读出所测角度数值。
1．测量车刀主偏角
图1-3为测量外圆车刀主偏角的示意图。测量前，先把量角台调到原始位置。然后把被测的车刀放在量角台的工作台3上，并使车刀的侧面紧紧地靠在定位块4的定位面上，再移动定位块4，使车刀处于适当的位置，然后旋转车刀量角台（图1-1）中的大螺母10，使刻度板上的大指针5上下移动，也处于适当位置，这时即可按顺时针的方向转动工作台3，使车刀的主切削刃与大指针5的a面密合，则固连于工作台3侧面的指针2在底盘1上所指出的刻度值即为主偏角的大小。
2．测刃倾角
图1-4为测量外圆车刀刃倾角的示意图。测量外圆车刀的刃倾角时，同样可参考图1-3进行测量。即在测完主偏角之后，旋转车刀量角台（图1-1）中大螺母10，使刻度板6上的大指针5上升，再适当的移动定位块4，使主切削刃与大指针5的d面（底面）密合，大指针5在刻度板6上所指的数值即为刃倾角的度数。

图1-3 主偏角的测量 图1-4刃倾角的测量
3．测量外圆车刀的前角
图1-5为测量外圆车刀主剖面内的前角的示意图。
当测量车刀主剖面内的前角时须在测知主偏角之后进行，即令工作台3从测得的主偏角时的位置开始反时针旋转90º，或者将车刀量角台处于原始位置（即所有指针对零），使工作台3旋转90º-，使大指针上的a面作为主剖面并垂直于主切刃在基面上的投影，再移动定位块4，使车刀处于适当的位置，并调整车刀量角台（图1-1）中的大螺母10的高低，使大指针5的d面(底面)与前刀面密合，则大指针5在刻度板6上所指出的数值即为所测前角的度数。
4．测外圆车刀的后角
测量车刀的后角，可参照图1-6进行测量。在测量完前角之后，向后移动车刀，并旋转大螺母10，使刻度板6下降，让大指针5的c面与车刀的主后刀面密合，这时大指针5在刻度板6上所指的刻度数值即为外圆车刀后角的大小。

图1-5 前角的测量 图1-6 后角的测量
5．测外圆车刀副偏角及副后角
参照测的、方法，只不过此时测的是副切削刃。测量车刀副偏角时可参照图1-3进行。副偏角的测量和主偏角测量的方法基本相同。只有工作台3按逆时针方向旋转。当旋转到副切削刃和大指针5的a面密合时为止。则固连于工作台3侧面的指针2在底盘1上所指出的刻度值即为副偏角的大小。
副后角的测量可令工作台3从测得副偏角时的位置开始顺时针旋转90º，或者将车刀量角台处于原始位置(即所有指针对零)，使工作台3旋转90º-。使大指针5上的b 面与车刀的副后刀面密合，这时大指针5在刻度板6上所指的刻度值即为外圆车刀副后角的大小。
6．测量法剖面内的前角和后角
当测量法剖面内的前角和后角时，图1-1中3顺时针旋转后，再旋转图中的弯板9，使小指针7在小刻度板8上转动一个刃倾角的数值之后(注意正负)，即可参照图1-5按测和同样的方法测得和之值。
7．车刀切深前角及切深后角、进给前角及进给后角的测量
可以根据、、、利用公式分别求出、、、，但为了刃磨时方便，可直接测量、、、，然后通过公式验算和，其目的是检验准确与否和帮助大家记忆角度换算的公式：

测量方法：
测量方法与测量、的方法相同。把图1-1中4调到平行或垂直5的平面a后，可分别测得、和、。
五．重锤式量角器的使用说明
工作原理很简单，如图1-7所示，即利用重力的作用，使指针始终保持与地面垂直的方向．当将测角边转一角度值时，壳体上的零点也同样转一个角度．我们在刻度盘上就可读出所转角度的数值。

图1-8 用重力量角器测量车刀各角度
重锤式量角器携带方便，所以经常在车间现场使用。只要车刀在水平位置，即使装在机床上，也可利用重锤式量角器来测量出前角、后角、刃倾角和副后角，车刀翻倒90º，再测主偏角和副偏角。图1-8是用重锤式量角器测量车刀几何角度的各种情况。
实验二 切削过程影响因素综合实验

一. 实验目的和要求
1．研究切削变形、切削力、切削温度、积屑瘤现象及表面粗糙度的相互关系。
2．掌握各种仪器的工作原理，仪器的调整及标定的方法。并掌握仪器的正确使用技术。
3．熟悉实验数据的一般处理方法。
4．用实验方法求出切削力的公式。

并求出式中的系数和指数值
5．研究金属切削过程中切屑变形及变形系数的变化规律，使学生巩固所学的知识并掌
握研究金属切削过程的基本方法。
6．学习切屑变形系数的测定方法；
7．研究切削速度、进给量、刀具前角和工件材料对切屑变形的影响；
8．观测在上述条件变化时的下列现象：切屑类型和卷曲的变化、积屑瘤和已加工
表面的粗糙度；
9．了解切屑根部标本的制作过程，观察切屑根部的金属变形情况；
10．了解通常研究切屑变形的仪器设备和常用的研究方法。
二. 实验条件
1. 设备：
具有无级调速性能和速度显示装置的C620-1车床、铣床(X52k)、刨床(B665)、车刀、端铣刀、宽刃刨刀、45钢、20钢、A3钢、细铜丝、钢板尺、天平秤、电子秤、爆炸式快速落刀装置、钢锯、镶嵌机、抛光机、秒表、金相显微镜、读数显微镜、体式显微镜、显微硬度计、扫描电镜、照相机、摄影机、反拍机、洗相设备、计算机、数据采集系统、表面粗糙度测量仪或比较样块等。
2．仪器：
1)立式平行八角环式电阻式三向车削测力仪、铣削测力仪。
2)微机切削力测试系统
3)压电晶体测力仪YDC-78
4)动态电阻应变仪DYB-5型
5)数据采集分析系统：WS-USB
6)电荷放大器FDH-2
7）切削温度测量装置和切削温度标定装置（自制）
8)光线示波器：SCl6
9)电位差计：
10）量角台
3．刀具：硬合金可转位车刀和硬质合金焊接式车刀各一把。
4．工具：游标卡尺及自备对数坐标纸，计算器，三角板。
5．试件：45钢,调质处理。
三．实验的基本原理及方法
A.车削力的测定
车削力的测定
测力仪是研究切削动力学的重要工具，切削力的测定是研究机床刚度、振动、机械加工精确度，表面质量和刀具切削性能等的重要实验技术。本实验的目的是掌握测力仪的调整、标定及正确使用技术，并利用相关仪器研究车削过程中切削条件（积屑瘤现象）与切削力间的相互关系。
(一)八角环形电阻式车削测力仪原理
电阻式测力仪系采用电阻应变片传感器，主体为平行八角环结构。通常八角环形电阻式三向车削测力仪有两种结构。图2-1所示为卧式八角环形电阻式三向车削测力仪。此八角环(上下环)作为弹性元件，其上粘贴电阻应变片。

图2-1 卧式八角环形电阻式三向车削测力仪
图2-2所示为立式八角环形电阻式三向车削测力仪。此八角环(前后环)作为弹性元件。它采用了端面粘贴应变片测三向力的原理。

图2-2 立式八角环形电阻式三向车削测力仪
二者使用时相同，取下车床的四方刀架，安装上测力仪即可。它们的工作原理如图2-3所示。

图2-3 测力仪工作原理
当外力作用在车刀上时，测力仪的弹性元件受力变形，于是粘贴在弹性元件一定位置上的电阻丝应变片也随之产生变形，应变片的电阻值将按的关系变化，使由应变片组成的电桥失去平衡。经过输出放大和记录，再根据标定换算关系求出切削力的数值。
弹性元件受力变形后引起电阻应变片电阻值的变化。电阻变化率与应变有如下线性关系：
，
式中为电阻应变片的应变灵敏系数。一般值为2.0~2.4。
1．卧式车削测力仪的原理
卧式测力仪的八角环(上下环)作为弹性元件，其上粘贴二十片电阻应变片。应变片粘贴位置及电桥平衡原理见图2-1，组成三个电桥，采用全桥法分别测出、、三个方向的切削分力。
1)主切削力的测量
把、、、组成全桥电路，如图2-1平衡图所示。当弹性元件(上下环)受主切削力作用时，即产生变形，使、压缩，电阻减小，、拉伸，电阻增大。因此在E、F两点产生电位差，使电桥失去平衡，经过放大、数据采集，记录后，再根据标定换算主切削力的值。
2)进给力的测量
把、联成一臂，、联成对臂；、联成一臂，、联成对臂；四臂组成全桥电路。当弹性元件(八角环)受进给力作用时，即产生变形，使、、、拉伸，电阻增大，、、、压缩，电阻减小。因此在E`、F`两点产生电位差，使电桥失去平衡，经过放大、数据采集，记录后，再根据标定换算出进给力的值。
3)径向力的测量
把、联成一臂，、联成对臂；、联成一臂，、联成对臂；四臂组成全桥电路。当弹性元件(八角环)受径向力的作用时，即产生变形，使、、、压缩，电阻减小，、、、拉伸，电阻增大，因此在E``、F``两点产生电位差，使电桥失去平衡，经过放大、数据采集，记录后，再根据标定换算出径向力的值。
2．立式车削测力仪的原理。
立式八角环形电阻式三向车削测力仪的八角环(前后环)作为弹性元件，其上粘贴箔式电阻应变片十六片测各分力。应变片粘贴位置和电桥联接电路如图2--2所示，采用全桥线路联接。
1)主切削力的测量
把、、、粘贴在八角环对角的两个半环中间的内外表面上，受力时由于八角环内外环产生的变形性质不同，当、受拉伸电阻增大时，、必受压缩，电阻减小，使电桥失去平衡，向应变仪输入信号。
2)进给力的测量
把、、、粘贴在八角环上斜45°处的外表面上。受力作用时八角环的左侧和右侧的变形性质不同，当左侧的两片（、）受压缩电阻减小时，则右侧的两片（、）必然受拉伸电阻增大，使电桥失去平衡，向应变仪输入信号。
3)径向力的测量
把~八片电阻应变片，粘贴在八角环前环的前端面和后环的后端面，电桥联接电路采用电补偿原理可消除、分力和切削力作用点位置改变的干扰。当弹性元件受径向力作用时，即产生变形，当电阻、、、受压缩电阻减小时，、、、必然受拉，电阻增大，使电桥失去平衡，产生信号输出。
(二)压电晶体测力器基本原理

图2－4 压电现象
有些晶体如石英等具有“压电特性”，即当有外力作用在晶面时，晶体表面就会立即产生电荷，如图2-4所示。而且有Q∝F严格的线性关系。压电晶体测力仪就是根据压电晶体的这种力—电转换特性而设计制成的一种测力仪。

图2－5 单向压电传感器 图2－6 压电测力仪简图
图2-5是单向压电传感器的简图，把经过适当切型的石英晶片放在密闭的不锈钢盒子里并配上电极和引线，内部高度绝缘并用上盖密封，外力通过上盖变形使力作用到晶体片上。负电荷经引线传出，正电荷经壳体接地。
压电式测力仪结构如图2-6所示。压电式测力仪本体类似一个悬臂短梁。将压电传感器置于刀杆的中下部，切削时力作用在刀尖上，并按一定比例传到刀杆下方的压电晶体传感器上，然后经电荷放大器放大后，便可显示和记录。
图2-7，当外力作用在刀尖上时，传感器便产生静电信号，经电荷放大器放大后转换成电压信号，输出到测量和记录仪器。传感器与电荷放大器之间使用低噪音电缆（STYV-2）连接，输出信号需要一般屏蔽电缆线连接。

图2－7 压电晶体式测力仪测量系统框图
这种测试系统特点是：
(1)具有很宽的频率响应特性，所以既可测动态力，又可测静态力。
(2)仪器调整使用方便，该系统没有绝对零点，在动态测量中可以单独将动态分量加以放大，只显示或记录增益部分。因此可用作自适应系统的反馈信号。
四．实验步骤及方法
实验前，先根据仪器的功能和特点及实验本身所需的要求来选定适合本实验所需要的测力仪，下面分别叙述以上几种测力仪的实验步骤及方法。
(一)应用立式平行八角环电阻式三向车削测力仪系统的实验步骤及方法
对于此种形式的测力仪，通常应变片的电阻变化是很小的，使用应变仪将电阻的变化转换成微信号电压的变化，并加以放大，就可以经数据采集分析系统，通过计算机显示出来。电阻应变仪种类很多，但结构基本相似。主要有测量电桥(测力仪)、放大器、相敏检波器、振荡器、电源等部分组成。DYB-5型动态应变仪结构见示意图2-8。

图2－8 动态应变仪工作框图
DYB-5采用电压桥。记录下的电压数值通过预先标定，通过计算机可换算成刀尖上作用的载荷（、、）。
1．准备工作
(1)先将试件夹牢在卡盘内。并用尾顶尖将试件顶紧，卸下原四方刀架，把测力仪装在四方刀架位置上，并将车刀装在测力仪的方孔内。然后用刀垫使刀尖高度与机床中心高度一致，然后夹紧。
(2)将应变仪的电桥盒上的1-5、3-7、4-8接线柱的短接片除去。将、、力的各组电桥分别按全桥法连在电桥盒上的l、2、3、4对应的接线柱上，如图2-9所示。
图2－9 全桥测量接线图
(3)仪器的连接
①将与测力仪相联接的三个电桥盒的另一端插头分别插入应变仪后面板的“输入”插座内，并将插头旋紧。

图2－10 面板说明
②将输出线一端的二芯插塞，分别插入应变仪后面板的“电压输出”插口中。另一端的接线柱分别接到数据采集分析系统，相应的输入计算机中，见图2-10。
③打开电源开关，用Ω表检查电源输入端有无短路和断路，如不正常，则关掉“电源开关”。接通电源，重新打开“电源开关”，电表指针为24伏．正常后则关掉电源开关，将应变仪用联接线与DYB-5电源输出连接起来。
(4)接线完毕。
① DYB-5型通道后面板处的 “电源开关”在“关”位置。
② DYB-5应变仪各个放大器面板上的“衰减”开关在“0”位，“标定”开关在“0”位，应变仪后面板上的输出开关放在所需振子阻抗上。应变仪面板如图2-10所示。
③ 将数据采集分析系统WS-USB接在DYB-5应变仪输入端，然后将计算机接在数据采集分析系统的输出端。
2．平衡调节
(1)打开DYB-5型电源的“电源开关”，指示灯亮。观察面板上的电压表，指针应稳定在24伏上。
(2)从DYB-5型应变仪的第一通道开始，先观察输出衰减是否指零，如果不指零，可调节。然后将衰减开关依次转到“100”、“30”、“10”、“3”、“1”档。同时转换“预静”开关“预” 、“静”位置上都指零。注：自动调节例外。
（3）在计算机上设置、、曲线的颜色。
(4)预热30分钟后，将各条放大线再平衡一次，然后将“输出”开关放在适当位置上，使用示波器按振子来选，这里选“12”档上。
3．实验步骤
(1)进给量对切削力的影响
单因素实验法。用同一把车刀，固定切削深度=lmm，切削速度大约V=100m／min，只依次改变(0.1、0.15、0.2、0.3、0.4mm／r)进行切削。通过计算机记录下相对应的数值。根据事先标定曲线，计算机自动得出切削力、、的数值和绘制坐标曲线。标定值为：kg/mm，：kg/mm，：kg/mm，将其数值填入实验报告的表格中。
(2)切削深度的影响
用同一把车刀，固定走刀量=0.1mm／r，切削速度大约V=l00m／min，只依次改变 (1、1.5、2、2.5、3mm)进行切削、通过计算机记录下相对应的数值。利用标定求出实际切削力、、的数值。将其数值填入实验报告的表格中。
(二)应用压电晶体车削测力仪测力系统的实验步骤及方法
1．准备工作
(1)先将试件夹牢在卡盘内，应用尾顶尖将试件顶紧，卸下机床四方刀架，把测力仪装上，并牢牢地夹紧，但夹紧力不是越大越好，其大小以测力仪能获得良好线性为原则，本测力仪预紧力为400~450公斤为好。调好后不得随意松动。
(2)用光线示波器记录，事先选好记录仪的振子，最好选用固有频率高的振子，这种振子动态性能好，即使灵敏低，可是因信号较强，仍可较好记录出实验切削波形。
2．仪器的连接
连接前将测力仪插座中心与外壳短接一下，以泄掉存放电荷，否则因放大器输入端电阻极高，容易使mos效应管击穿，所以接线前“短接”必须严格遵守。
还应在连接前，用一根导线将测力仪外壳、电缆外屏蔽与电荷放大器零线相接，以便它们处于等电位，并将电荷放大器接地线。做好上述两项工作方可接线。
(1)将测力仪输出线插入电荷放大器前面板电荷输入插座内，并将插头旋紧。
(2)将输入屏蔽线，一端插入电荷放大器后面板的功率输入插座内，另一端插入光线示波器使用通道的输入插座内，并将插头旋紧。
(3)接线完毕，通电前检查各开关的位置。
SC--16型光线示波器电源开关在关的位置，FDH-7电荷放大器的电源开关也在关的位置，面板上传感器灵敏度空转盘置于10.00pc／Unit，仪器的灵敏度转盘位于10.00pc／Unit上，下限频率在最低，量程转换开关在100Unit。检查完毕通电预热30分钟。
3．实验步骤
(1)进给量对切削力的影响
单因素实验法：在只改变走刀量，而其它条件固定时进行切削。示波器记录下相对应的数值，利用标定求出切削力。将其数据填入实验报告表格中。
(2)切削深度对切削力的影响
方法同上，只改变切削深度进行切削。示波器记录下相对应的数值，利用标定求出实际切削力，填入表格中。
五．实验数据处理
可用作图法和计算法求出切削力公式中的指数和系数。
1． 作图法即双对数坐标法求切削力的经验公式
图2-12 切削力经验公式建立过程
依据实验数据，在双对数坐标纸上分别作出LgFz-Lg和LgFz-Lg的图线，为了减少误差，连接时应使各点在直线的两侧。LgFz-Lg和LgFz-Lg图线表达了切削深度、进给量的单项切削力指数公式：

为求出上式中的指数（、）和系数()可写出对数方程：
在双对数坐标中是一条直线方程，即相当于直线方程y=a+bx，当切削深度=1mm时，LgFZ=LgC，去掉等号两边的Lg，则FZ=C；也就是LgFz-Lg中在=1mm时纵坐标的截距大小。同理=1mm／r时，FZ=Cf。指数、分别是LgFz-Lg 、LgFz-Lg图线的斜率，计算如下：
其中AB、BC是用直尺量得三角形的直角边长。
由单项切削指数公式合并，就得出切削力的经验指数公式：
当=1mm时，可得出下列等式：
故可求出系数：

理论上讲，CFZ1=CFZ2 ，但因仪器的不稳定性及操作等因素引起误差的影响；往往使CFZ1≠CFZ2因此要取平均值，即
2．用最小二乘法求切削力的经验指数公式
由上述的作图法可知，实验测定各点不完全在一条直线上，当用直线连接时必然产生误差，而最小二乘法的指导思想是求一条直线方程：使实验所测各点到该直线的误差平方和为最小。即必须使：
式中：ε为误差值的平方和，满足ε最小的条件是：
六．测力仪的定度
测力仪在使用之前，要进行标定。应变仪所输出的毫伏值电信号不是切削力值的大小。为了将毫伏值换算为切削力的公斤值，必须事先对测力仪进行标定(也称为定度)。求出“切削力(公斤值)—毫伏值”的关系曲线(即标定曲线)。
本测力仪标定是在铣床上采用单向力分别标定的方法进行的。标定装置见图2-13所示。标定杆上的A点相当于切削时刀尖的位置。以FZ向标定为例。上升工作台，对测力仪加载电子秤的指针转动某一公斤数时，数据采集系统同时也记录某一毫伏值，逐次加载到200公斤，而后逐次卸载，反复进行三次，求出平均值，在坐标纸上，以加载公斤数为纵坐标，以相应的毫伏值为横坐标，画出标定曲线，如图2-14所示。径向力和轴向力的标定曲线用同样的方法即可得到。实际测量时，根据记录的毫伏值，可用此标定曲线或定度方程得到对应的切削力值。
B．切屑变形测定
1．研究工件材料切削用量和前角对切屑变形的影响
在金属切削过程中，刀具切下的切屑厚度(ach)通常都要大于工件上切削层的厚度 (ac)，而切屑长度(Lch)却小于切削层长度(Lc),(见图2－15)。在切屑宽度方向虽略有增加，但变形的量很小，常常不予考虑。衡量切屑变形程度通常用厚度变形系数ξa或长度变形系数ξl来确定。

图2－15 变形系数ξ的求法
厚度变形系数
长度变形系数
式中 －切屑厚度；
－切削层厚度；
Lc－切削层长度；
Lch－切屑长度。
根据体积不变的原理，ξ=ξaξL ,由此可知，也可采用称重法求切屑变形系数，即：

式中 Q－所取小段切屑的重量(克)
Lch－所取小段切屑长度(mm)
—切削深度(mm)
－进给量(mm／r)
ρ—切屑材料比重(克／厘米3)
本实验采用量长度法求变形系数。
在刨床上做实验时，取试件边长LW=Lc较方便。
在车床上做实验时，为了获得切削层长度Lc，可以在试件上开槽(见图2－16),槽内镶有铜条或钢条，它保证切屑按一定长度断开，并可减少刀具的冲击。量出试件外径dw和镶条宽度B，可按下式计算切削层平均长度Lc。

图2－16 车削法测变形系数的试件

B值本为弦长，因B值不大，可近似弧长。如果B的宽度较大，应进行计算。
量切下切屑的长度Lch时，用细铜丝缠绕在切屑底层中部，而后测量铜丝长即为Lch
为了提高测量准确性，在各种切削条件下，至少量三段切屑取其平均长度：

用不同强度的工件材料、切削速度、切削厚度(或进给量)和前角进行切削，测量切屑和切削层长度，计算切屑变形系数ξL，并在方格纸上做出ξL-σ、ξL-v、ξL-f、ξL-γo的曲线。最后根据这些曲线分析变形系数的变化规律。
本实验也可以在车床上采用直角自由切削的方法测量切屑厚度，即：

切削层厚度: =·sinKr，而后根据公式计算变形系数ξa。
这种方法应特别注意的是测量切屑厚度时，不能因挤压使切屑侧面隆起当成切屑厚度，应测平均厚度。
在铣床上进行实验时，可采用单齿镶齿端铣刀，其主偏角Kr可取900，主切削刃的旋转直径为do,用对称铣法进行铣削（见图2－17），则铣削长度Lc可按下式计算：
（mm）
(弧度)
（mm）

图2－17 铣削长度的求法
铣削时用铜丝测出切屑长度，则可按公式计算ξL。
用厚度比较时，必须保持af不变，故在变更铣刀转速n0时，应同时变更工作台的进给速度vf，使之满足af==常数。
因为铣削时沿AB各点的切削厚度是不相等的(当铣刀直径d。愈大，工件宽度ac愈小时，切削厚度变化愈小)，所以尽量多测几个切屑中点的厚度，而后与工件对称点的切削厚度进行比较，求得ξa。
2．切削条件变化时，观测下列现象并作记录：
(1)切屑类型的变化(可用体式显微镜或放大镜)；
(2)积屑瘤的产生与消失——观测刀刃处或切屑底层的积屑瘤比较方便。积屑瘤在切屑底层多呈麻亮的鱼鳞状，在刀刃处可测其高度；
(3)用粗糙度仪测量已加工表面的粗糙度值，或用样块进行比较。
3．观察切屑根部金相磨片
为了进一步研究切屑形成过程的本质，可用爆炸式快速落刀装置(见教材第三章)取切屑根部(如图2－18)并制成图2－19所示的金相磨片，则可用金相显微镜进行观察。
图2－18 切屑底部 图2－19 切屑标本

机电工程学院飞行器制造工程
实验三 刚度实验
由于机床―夹具―刀具―工件组成的工艺系统中的各个环节在切削力的作用下均要发生一定的变形，这些变形导致刀刃和加工表面在y方向上相对位置发生变化。这样的变化必然对加工工件的尺寸，几何形状产生一定的影响。
“刚度”和“工艺系统刚度”的概念，这里不再重复。刚度的一般表示式为：
　　　　　　　　j=(牛顿／毫米)
式中：p―切削力（牛顿）；
　　　y―在p力使用下刀刃与工件的相对位移量（毫米）
　　　j―刚度（牛顿／毫米）
从工艺观点来研究刚度时，我们感兴趣的是在切削分力方向的变形太小，故又可用下式表示
　　　　　　　j=（牛顿／毫米）
所以这样表示，是因为在切削分力作用方向的变形△y比任意其他切削分力使用方向所产生的变形对加工精度的影响要大的多。
在同一方向和大小的使用力（）情况下，由于变形方向的不同又可将刚度分为正刚度和负刚度两种。若变形的方向与作用力的方向一致，这时的刚度规定为正值，若变形的方向与作用力的方向相反则刚度为负值。
工艺系统在受力情况下的总位移y系统是各个组成部分位移y机床，y夹具，y刀具，y工件的迭加，即
　　　　y系统＝y机床＋y夹具＋y刀具＋y工件
而　
　　　　; ;;;
则
这就是当知道了工艺系统的各个组成部分的刚度以后，就可以求出的工艺系统的刚度。
本实验将要进行的《动载荷测定法》和《静载荷测定法》均从工艺系统的角度出发。重点了解工艺系统中机床刚度的测定方法和对加工精度的影响。
一、实验目的
１.了解机床刚度对加工精度的影响；
２.了解工件加工余量不均匀对加工精度的影响；
３.熟悉机床刚度的测定方法（动、静载荷测定法）；
４.巩固和验证所学工艺系统刚度的概念。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
二、实验内容
１.用“动载荷测定法”测定机床部件刚度；
２.用“静载荷测定法”测定机床部件刚度；
三、实验设备，工具及其他准备
１.Ｃ620－１普通机床　　　　　　　　　　　　　　　 １台
２.硬质合金外圆车刀（＝45°, ＝10°, =0°） 2把
３.千分尺（200～225）　　　　　　　　　　　　 1把
４.千分表　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ３个
５.三盘刚度测定装置　　　　　　　　　　　　　　　　 １套
６.测力环　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 １个
７.加载装置（三向加力仪）　　　　　　　　　　　　　 １套
８.PC－1500袖珍计算机
９.学生每人按实验一的《实验报告》中表１和表２格式画一张记录表格。
四，实验原理及步骤
１.动载荷测定法：动载荷测定法又称生产测定法，由于此法简单而又易于得到可靠的结果，故应用广泛。

(1)　实验原理：此法是以变化（不相等）的余量来加工工件，然后根据误差复映规律讲刚度计算出来。图一为动载荷测定车床刚度的三盘刚度测定装置简图，测定前将其装到车床前后顶间。装置上的１，２和３，为将被车削的三个具有不等余量的阶梯盘。它们靠套筒４和坚固钉５牢靠的装在心轴成为一体，因为该装置的刚度很大其变形可略不计。在同样的加工条件下（即走刀量r和切削速度v等均不变）车削三个盘1、2和3。每个盘上有和不同的切削深度，直径为和 ，由误差复映规律可知，这样的三个盘车削后仍为阶梯形，其直径分别为和 。
在上述条件下的车削过程中，因为车削深度的变化，车削力也随着变化，于是车床部件的弹性压移量也随着改变，因此得到的已加工表面也将是梯形（误差的复映）复映显著的程序与机床的刚度成比例关系。当所有条件相同情况下，零件已加工表面上的误差与毛坯误差的比例就表明了机床的刚度大小。
设毛坯误差：
零件误差 ：
则复映系数 （1）
式中：和分别为切削深度为和时机床的压移量（由，和共同作用，刀尖在方向上的位移）
；
则由（1）式有：
（2）
根据切削原理，切削分 力
式中：－比例系数。与刀具几何形状、切削用量、刀具磨损等情况有关。一般来说＝（0.3~0.5）
= (0.15~0.3) =1:0.4:0.25
本实验取=0.4
－切削系数，由工件材料，刀具材料和加工状况等确定，本实验取＝214（由陶乾《金属切削原理》176页表8－1查得）；
f－走刀量（毫米／转）
－系数，与加工方式有关如车外圆，镗内孔，切断等 ，本实验取＝0.75。
x－系数，当＝45°, ＝10°, =0°时x值接近1.
将值代入（2）式得：
（3）
对照（1）（3）式表示了加工后工件误差与毛坯误差之间的比例关系，说明了误差复映的规律。定量地反映了毛坯误差经加工后减少的程度。可以看出，工艺系统刚度越高，值越小，也即复映在工件上的误差越小。当一次走刀不能满足加工精度要求时，必须进行第二次走刀。当加工过程分成多次走刀进行时，每次走刀的复映系数为、、……，则总的复映系数为……
由于变形y总是小于切削深度ap，复映系数总是小于1，经过及次走刀后降到很小的数值，加工误差也就降到允许的范围以内。
在一般的车削加工中，由于工艺系统的刚度还比较高，复映系数远小于1，在2－3次走刀以后，毛坯误差前一此走刀相对后一次走刀就下降很快，尤其上第二次第三次走到时的走刀量常常是递减的，复映系数亦逐次递减，加工误差下降很快。所以在一般车削中，只有在粗加工时用误差复映规律估算加工误差才有实际的意义。在系统刚度较低（例如镗杆较细，车削时工件较细长以及磨孔时镗杆较细等）的情况下，误差复映的现象比较明显。
在本实验条件下可以认为工件、刀具的刚度是很大的，这时由（1）式和（3）式可有

因测定装置上的三个盘在机床的不同位置，切削时分别测出的值是不同的，故分别按（4）式求出Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三个位置的机床刚度，、、，于是有下列关系：

由上述三式则可求出机床部件刚度：

（2）实验步骤
①检查前后顶尖与主轴和尾座套筒锥孔的配合是否紧密；
②将三盘测定装置（心轴试件）装到机床前后顶尖间；
③用千分尺测量各个盘的阶梯直径、，并记入实验报告表1中；
④按规定的切削用量（实验前给出）车削三个盘；
⑤用千分尺测量各个盘车后的阶梯直径、，并记入实验报告表1中；
⑥将装置取下，清扫切屑，擦净机床并将工具放回原处；
⑦计算处理数据并计算床头、刀架和尾座的刚度。
方法和步骤：
1）将程序由磁带调入计算机；
2）输入在尾座、刀架 、床头部分的毛坯直径MW(1)、MW(2)、MD（1）、MD（2）、MT（1）、MT（2）；
3）输入在尾座、刀架、床头部分的试件的直径GW(1)、GW(2)、GD（1）、GD（2）、GT（1）、GT（2）；
4）计算在尾座、刀架和床头部分的误差复映系数E（1）、E（2）、E（3）；
5）输入其他有关数据：值；
6）计算机运算并打印结果。
静载荷测定法：刚度的静载荷测定法是测定机床刚度的基本方法之一，它可以直接测量出机床各部件承受载荷大小和压移量，计算出各部件的刚度。
①实验原理：静载荷测定法是在机床不工作状态下进行的。这一方法的本质是对机床静
力加载（模拟切削时的受力状况），然后测出在不同的载荷下机床各部件的相应变形，最后用计算方法得出机床的刚度。
为实现对切削时受力状态的模拟，本实验是借助与特制的加载装置（三向加力装置）使其上的静载荷Ｐ的方向尽量与实际切削过程所受切削力的方向相符合，在此静载荷作用下，机床各个部件使产出一定的变形（压移量）。Ｐ得最大值根据机床而定。当Ｐ由零增至允许的最大值，然后再逐渐由最大值减至零，在这样逐渐加载和卸载过程中，逐个测出各部分件的压移量y，用测得的结果便能画出各部件加载和卸载时的刚度曲线。

实验时装置的布置如图二所示：螺钉⑤可在加载装置①上的相距15°的任意螺孔内通过测力环②和顶杆④把载荷加到刀架和前后顶尖上，其上的压移量可分别由千分表⑥，⑦和⑧测出，载荷的大小通过测力环②的变形值由百分表③读出（测力环予先已在材料试验机上用标准力标定过。每变形0.01毫米，载荷为125.44件）。
如果按来模拟切削状况，则装置可大致配置为：螺钉⑤在孔2位置，并与x-y平面成68°夹角。
知道载荷P后，可按加载装置情况 （即模拟条件）求出值。再根据测得的床头，床尾和刀架部位的变形（压移量）y就可按公式：（牛顿／毫米）
算出各部件的刚度，并可用相应的公式计算出机床的刚度。
②实验步骤
(1) 按图 2布置实验装置；
(2) 通过螺钉⑤调节载荷，从零到最大，再从最大到零，每次增加或减少约245牛顿，在每次调节载荷后将千分表⑥、⑦和⑧的读数记入实验一报告的表2中；
(3) 根据测出的读数计算机床各部件的刚度（刚度平均值），并画出刀架的刚度曲线。
五、讨论题
1. 机床刚度对加工精度有什么影响？
2. 影响刀架刚度的因素有哪些？
3. 动载荷测定法，刚度如出现负值时讨论其原因。