金属切削原理实验(原稿).doc

课程教案

实验一 车刀角度的测量
课时：2学时 单组人数：3人
学生课前准备：预习实验指导书，复习课程相关内容，熟悉实验用具。
课程要求：学会使用车刀量角台、万能量角器，熟悉对常见刀具角度（车刀）的测量
重点：测试车刀的标注角度
难点：绘制车刀标注角度图
（注意：首先检查学生预习情况）
一、实验目的
1.熟悉车刀切削部分的构造要素，掌握车刀标注角度的参考平面、参考系及车刀标注角度的定义；
2.了解车刀量角台的结构，学会使用车刀量角台测量车刀的标注角度；
3.绘制车刀的标注角度图，并标注出测量得到的车刀各标注角度数值。
二、实验机介绍
图1—1为车刀量角台简图。底盘2的周边，刻有从0度起向顺、逆时针两个方向各100度的刻度，工作台5可绕小轴7转动，转动的角度由指针6指示出来。工作台5的上平面和定位块4的侧平面，是安放车刀的定位平面。
当工作台指针6、大指针9和小指针14都处于0度时，大指针9的前面a和侧面b，垂直于工作台5的平面，而大指针9的底面C，平行于工作台5的平面。测量车刀角度时，转动工作台5，同时调整安装在工作台5上的车刀位置，再旋转大螺母18，使滑体13带动大指针9，上升而使其处于适当的位置，然后用大指针9的前面a（或侧面b、或底面c），与构成被测量角度的面或线紧密贴合，从大刻度盘上12上读出大指针9所指示的被测量角度的数值。

三、实验原理
1.主偏角的测量
从图1—2所示的原始位置，按顺时针方向转动工作台，让主刀刃和大指针前面a紧密贴合，如图1—3所示，则工作台指针在底盘上所指示的刻度数值，就是主偏角的数值。

2.刃倾角的测量
使大指针底面c和主刀刃紧密贴合，如图1—4所示，则大指针在刻度盘上所指示的刻度数值，就是刃倾角的角度数值。指针在0度左边时为正，指针在0度右边时为负。
3.前角的测量
从图1—2所示的原始位置起，按逆时针方向转动工作台，使工作台指针指到底盘上的刻度数值处，这时，主刀刃在基面上的投影恰好垂直于大指针前面a，然后让大指针底面c落在通过主刀刃上选定点的前刀面上，如图1—5所示，则大指针在刻度盘上所指示的刻度数值，就是主剖面前角的角度数值。指针在0度右边时为正，指针在0度左边时为负。

4.后角的测量
在测完前角后，将车刀向右平行移动，使大指针侧面b和通过主刀刃上选定点的后刀面紧密贴合，如图1—6所示，则大指针在刻度盘上所指示的刻度数值，就是主剖面后角的角度数值。指针在0度左边时为正，指针在0度右边时为负
5.副偏角的测量
从原始位置，按逆时针方向转动工作台，使副刀刃和大指针前面a紧密贴合，如图1—7所示，则工作台指针在底盘上所指示的刻度数值，就是副偏角的角度数值。
6.副后角的测量
使工作台顺时针方向转动90度，这时，副刀刃在基面上的投影恰好与大指针前面a垂直，令大指针侧面b与副刀刃选定点的副后刀面紧密贴合，则大指针在刻度盘上所指示的刻度数值，就是副刀刃上的副后角的角度数值。指针在0度右边时为正，指针在0度左边时为负。

四、实验步骤
1.按课前对实验指导书的预习，熟悉车刀量角台的结构和工作原理，熟悉车刀切削部分的构成要素。
2.本实验机的配套设备为车刀量角台，实验前观察各指针的角度。
3.把车刀量角台的大指针、小指针和工作台指针全部调整到0度的位置。
4.将车刀量角台平放在工作台上。
5.依次测量刀具的主偏角、刃倾角、前角、后角、副偏角、副后角。
6.清理现场。
五、实验记录

车刀编号

车刀名称

刀杆尺寸B×H（mm×mm）

前角

后角

主偏角

副偏角

刃倾角

副后角

外圆车刀

学生下课后，填写实验报告，整理数据、绘制车刀标注角度图。

实验二 切削层变形的观察与测量
课时：2学时 单组人数：15人
学生课前准备：预习实验指导书，复习课程相关内容，带实验用具
课程要求：通过观察及测量切屑、计算切屑变形系数，了解切削变形规律
重点：实验过程观察、测量
难点：影响切削层变形规律总结
（注意：检查预习情况）
一、实验目的
1 .掌握切削层变形的测量方法；
2. 观察切屑形成过程；
3. 研究几个主要因素（、、）对切削层变形的影响规律。
二、实验方法。
目前关于研究切削层变形的研究方法有很多，如高速摄影法；侧面方格变形观察法；快速落刀法；光弹法、光塑性实验法；用显微硬度计测量切屑根部各变形区的显微硬度、用切屑变形前后长度或厚度的变化测量变形系数、用X射线法研究加工表面层的塑性变形等，这些都是常用的测试切削层变形的方法。
本实验以观察为主，通过测量在不同切削层参数的变化下，以及在对不同材料的切削中，对切下的切屑进行测量，总结切削层变形的规律。
三、测量原理
（一）变形系数和剪切角的测量
切削层变形就是指被切金属层在刀具的切削刃和前刀面的作用下，经受挤压而产生的剪切滑移变形。衡量这个变形程度的大小，通常用变形系数、剪切角和相对滑移量，但变形系数和剪切角比较直观，尤其的测量也比较方便。
1.变形系数的测量
方法一：长度法

式中为切削层长度；为切屑长度。
的求法：在试件上开有两个或一个窄槽约2-4mm，槽内浇锡，见图2-1a。切削时，试件每转一周，就从试件上切下两段切屑。设测得试件外径为D，切削深度为，b为窄槽宽度。则
的求法：选取数段完整、比较直的切屑，沿切屑背面在切屑宽度的中央处用细铅丝量出它的长度。
方法二：质量法

式中为切屑质量，单位为；为工件材料密度，单位为；为切削深度，单位为；为进给量，单位为。
方法三：显微镜测厚法

式中为切屑厚度；为切削层厚度。
的测量：实验时，利用显微镜目镜中的刻线尺测量各种条件下的切屑厚度。的测量：可由落刀时的切削条件给定（也可由显微镜内测出）。
2.剪切角的测量
同显微镜测厚法一样，实验前利用快速落刀法预先制好一整套切屑根部磨片，或用由这些磨片拍摄的照片。实验时，直接在显微镜或照片上测量剪切角，见图2-1。

图2-1
对于具有积屑瘤的情况，剪切角的测量较为复杂些。图21是具有“鼻形”积屑瘤的切屑根部图。首先根据切屑层中开始产生塑性变形的晶粒所处的位置，判断出塑性变形的初始边界MHIG。再把边界MHIG曲线中的MH段，近似地简化为直线，则MH曲线与切削速度方向间的夹角即为剪切角。

图2-2
（二）切屑根部磨片的制作及观察
制作切屑根部磨片，第一步要对切屑根部取样。取样的主要手段是“快速落刀装置”。这种装置能使正在切削的刀具在某一瞬间以很大的加速度脱离工件，保留了某瞬间的真实切削层变形情况，获得了一定切削条件下的切屑根部标本。把获得的切屑根部从试件上切下，并把它和电木粉一起放入镶样机进行压模，于是制成圆柱形镶样试件，然后要进行粗磨，一直磨到切屑的中央剖面处为止。粗磨后再进行研磨、抛光和酸腐蚀，以制成切屑根部磨片。
观察切屑磨片，可找出第一变形区、第二变形区和第三变形区，及已加工表面晶粒的变形情况。观察带有积屑瘤的磨片时，可观察到积屑瘤形状、纤维方向、前端分裂后留在切屑和已加工表面上的分裂片，进而分析它的生长、分裂过程。
（三）利用闭路电视系统动态观察切屑形成过程
用闭路电视系统观察切屑形成过程是通过“显微镜——工业电视”装置完成的。它由金相显微镜1、摄像机2和监视器3三部分组成，见图2-3。它可装在铣床、车床或其他的切削装置上。让它位于时间4和刀具5的侧面，它相对试件及刀具侧面的位置可沿三个相互垂直方向进行调节。切削时刀具与显微镜和摄像机之间无相对运动。

图2-3
四、实验结果
根据所观察的切屑根部磨片，绘制无积屑瘤的根部磨片及有积屑瘤的根部磨片图。此外，学生试验后分析讨论、或、对变形系数或切剪角的影响。
五、实验数据记录及处理
按实验报告要求，写出通过在不同切削层参数的变化下的变形系数的大小，以及在对不同材料的切削中得到的切屑，并对这些切屑进行测量，得到的变形系数，总结影响切削层变形的规律。

实验三 车削力的测定及经验公式的建立
课时：2学时 单组人数15人
学生课前准备：预习实验指导书，复习课程相关内容，熟悉实验用具。
课程要求：掌握测力方法
重点：影响车削力的因素
难点：主切削力的经验公式建立
一、目的
1．了解车削测力仪的工作原理及测力方法。
2．掌握背吃刀量、进给量等对车削力的影响规律。
3．通过实验数据的处理，建立主切削力的经验公式。
二、测力仪的工作原理
（一）电阻应变式测力仪的工作原理
电阻应变式测力仪有多种形式，常见八角环环电阻应变式测力仪外形见图3-1。电阻应变式测力仪的工作原理为，即在测力仪弹性元件的适当位置粘黏着具有一定电阻值R的电阻应变片，并将其联成电桥。切削时，弹性元件受力变形，于是紧黏在其上的电阻应变片也随之变形，电阻R发生了变化。当应变片受拉深变形时，电阻丝直径变细，电阻增大（R+△R），当应变片受压缩变形时，电阻丝直径，电阻减小（R-△R），从而电桥有电压（或电流）输出。由于电阻应变片的电阻变化很小，所以一般必须经过电阻应变仪放大。然后由记录仪器记录，再根据标定曲线的换算，就能求得切削力的数值。
图3-2a为由电阻应变片组成的电桥，、、、分别为四个桥臂的电阻。当A、C端加以一定的桥压U时，则B、D端的输出电压△U为。当=时。输出电压=0，即电桥处于平衡，这就是在进行切削实验前必须进行的电桥平衡的调节工作。在切削力的作用下，应变片的电阻发生变化，破坏了电桥的平衡。若、分别产生、、、的电阻变化，则输出电压为。

（二）压电式测力仪的工作原理
压电式测力仪的工作原理是基于石英晶体的正压电效应。当晶体受力作用时，产生变形，从而在晶体表面上产生电荷，所产生的电荷量与外力大小成正比，这种现象称为压电效应。由于石英晶体在切片时的方位不同，有纵向效应与切向效应之分。纵向效应的石英晶体片，只有当力垂直作用于石英晶片的表面时，才有电荷产生。而切向效应的石英晶片，只有当力沿着灵敏轴方向切于石英晶片的表面时，才有电荷产生。
单向压电晶体传感器（图3-3a）由两片纵向效应的石英晶体片组成，只能测量垂直于传感器表面的作用力。三向压电晶体传感器（图3-3b）是由三组石英晶体片组成，其中测量力的一组是由二片纵向效应的石英晶片组成，而测量及力的二组都是由二片切向效应的石英晶片组成，但两组石英晶片的灵敏轴方向互成90度，因此，当空间任意方向的力作用于传感器上时，就能自动的将作用力分解为三个相互垂直的分力。

图3-3
a）单向压电晶体传感器 b）三向压电晶体传感器
1-电极 2-绝缘体 3-晶片 4-上盖 5-基座
三、实验方法
1.准备工作
（1）安装工件、测力仪及车刀。注意刀尖伸出长度应与标定时一致，并对准工作中心高。
（2）按测量系统框图连线。
（3）熟悉电阻应变仪的使用，并进行电桥平衡调节，熟悉记录仪器的使用。
（4）熟悉CA6140机床操作手柄及操作方法，注意安全事项。
（5）确定实验条件。
2.切削实验
用单因素法进行实验，即在固定其他因素，只改变一个因素的条件下，测出切削力。
（1）固定、等，依次改变进行切削，并记录下每改变一个时的读数。
（2）固定、等，依次改变进行切削，并记录下每改变一个时的读数。
（3）其他（还可以改变、等）。
四、实验数据记录
采用单因素法进行实验：
（1）固定、参数，依次改变大小进行切削，并记录下每改变一个时的读数，至少三组数据。
（2）固定、等，依次改变进行切削，并记录下每改变一个时的读数，至少三组数据。

五、实验数据的处理及经验公式的建立
将所得实验数据可通过以下两种方法处理：
方法1：图解法
将所得数据点在双对数坐标纸上，并用直线连接，从而得到——及——线图，表示为；。得切削力经验公式。
、分别为及线——、——的斜率。则、。系数为——线在时的的值。

图3-4
方法2：.一元线性回归法
图解法存在一定的误差，所谓一元线性回归法，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”基础上得到的一条直线，因此误差最小。

16