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1、制造科学与工程学院实验报告 制造科学与工程学院实验报告 Experiment Report School of Manufacturing Science & Engineering 实验课程名称 ( Experiment Course ) 机械制造工程学 实验项目名称 ( Experiment Item ) 铣削加工切削力测量实验 姓名 （Name） 曹林逸 学号 （No.） 201214141 2045 系别 （Department） 机制 班级 （Class） 13 实验日期 （Date） 2015.5.14 实验地点 （Place） 江安工程训练中心 指导教师 （Superior） 夏
2、老师 成绩 （Grade） 一、 实验步骤及过程 （Experiment Steps and Process ） 1. 实验目的 （1) 了解多分量切削力测力系统的基本结构及其工作原理。 （2）掌握 KISTLER 多分量切削力测力系统的基本操作方法。 （3）通过实验得出的数据，分析切削三要素对切削力的影响。 （4）分析实验数据，得出实验结论。 2. 实验原理 KISTLER 多分量切削力测力系统： （1）切削力传感器具有高刚度，高固有频率，长寿命，大量程的特点； （2）电荷放大器将切削力传感器9257B 产生的电荷信号转换成 0-10V 电压信号。该放大器 具有非常宽的测量范围，非常低的零点
3、漂移，以及非常高的响应频率。 （3）数据采集系统用于采集、显示切削力信号，具有强大的分析功能，数据采集系统采集 通过USB 电缆（或 PCI）与电脑连接，单独配有切削力数据采集软件DynoWare ，安装在电脑 上对采集的数据进行实时动态显示及编辑。 3. 实验仪器 （1）KISTLER 多分量切削力测力系统 1 套 （2）加工中心（ TH6350 或VL1060A ） （3）150 130 50尺寸T6 铝块1块、刀具及工量具等 4. 实验步骤 （1）确定并记录待加工件、刀具和数控机床类型、工艺参数等工艺信息；工艺参数按照正 交实验要求自行设定，经老师确认后方可实验。 （2）在加工中心上编写
4、加工程序，加工中心数控系统为FANUC 0iMD 、应按照其编码规定编 制数控加工程序； （3）安装刀具及对数控机床进行操作（对刀，校验加工程序等），将加工件与切削力传感 器（Kistler9257B ）安装连接，并按照规范将数据采集卡连接到计算机（注: 为防止烧损电 子元器件，请在连接前请关闭电脑电源，待确定连接无误后才能打开电脑）； 制造科学与工程学院实验报告 （4）打开操作软件 DynoWare ，设定与之相匹配的参数，如下图所示 （5）设定采样时间和采样频率，如下图所示 （6）用自动运行模式完成待加工件的数控加工； （7）记录上述操作及实时在线测量三个方向（X、Y、Z）的力值数据，并绘
5、出相应的测试曲 线，在老师指导下进行处理得到三个方向（X、Y、Z）的平均切削力值，填入表格； （8）重新改变切削工艺参数，修改数控程序，重新对待加工件进行数控加工； （9）记录上述操作及实时在线测量三个方向（X、Y、Z）的力值数据，并进行相应处理，将 得到的平均切削力值填入表格。 （10）进行数据分析 : 在机床特征和刀具几何参数确定的前提下，根据金属切削原理，影响切削力的3个主要 因素是切削深度 ap、每齿进给量 fx 和主轴转速 n。采用标准正交表 L16 （43） （三因素四水平） 设计铣削实验。 1. 测力仪采集到的三个方向的切削力均为平均切削力，切削和力为各个方向切削力均值的合 力，
6、计算公式为： 2. 极差分析： 参加实验的因素取了几个水平，每一水平参加了几次实验，就会导致几个结果，把这些 结果相加，就求出了每一因素各同一水平结果之和。本例中主轴转速有四个水平，各进行了 四次实验，导致四个结果，把这四个结果相加，就得出各水平分别导致的结果之和，如 Kn1=3.12+20.07+22.21+21.06=66.46 为主轴转速在 2000时切削力结果之和，然后将Kn1等分 别写到下表 3相应位置。极差是指一组数据中最大值和最小值之差，它是用来划分因素的重 要程度的依据，极差越大说明该因素水平所引起实验结果的变化最大，根据极差大小，可以 排出因素的主次顺序。经计算，3个主要因素
7、切削深度 ap、每齿进给量 fx 和主轴转速对切削 力的影响程度依次为：主轴转速、切削深度、每齿进给量。 3. 经验公式： 在机床特征和刀具几何参数确定的前提下，根据切削原理， 影响切削力的三个主要因素切削 深度ap、每齿进给量 fx 和主轴转速 n 与切削力的关系可表示成： 两边取对数，得： 令则方程变为： 曲线拟合的问题转化为根据实验数据确定多项式系数b0,b1,b2,b3 的问题，采用最小二乘法 确定回归系数。见实验问答第二题。 二、 实验记录及数据处理 （Records of Experiment and Data Processing ） 1. 表 1. 铣削正交实验因素水平表 因数
8、水平1 2 3 4 主轴转速n(r/min) 1500 2500 3500 4500 切削深度ap(mm) 0.1 0.2 0.3 0.4 每齿进给量fx（mm/min ）400 800 1200 1600 制造科学与工程学院实验报告 2. 表 2. 切削力结果分析表 序号主轴转速n(r/min) 切削深度ap(mm) 每齿进给量fx （mm/min ） 切削力（ N） 1 1500 0.1 400 8.302 2 1500 0.2 800 7.395 3 1500 0.3 1200 15.96 4 1500 0.4 1600 24.42 5 2500 0.1 800 7.732 6 2500
9、 0.2 400 8.600 7 2500 0.3 1600 15.23 8 2500 0.4 1200 16.32 9 3500 0.1 1200 8.852 10 3500 0.2 1600 11.72 11 3500 0.3 400 10.41 12 3500 0.4 800 22.32 13 4500 0.1 1600 11.14 14 4500 0.2 1200 12.47 15 4500 0.3 800 13.32 16 4500 0.4 400 14.30 K1 56.08N 36.03N 41.61N K2 47.88N 40.19N 50.77N K3 53.30N 54.9
10、2N 53.60N K4 51.23N 77.36N 62.51N 极差K 8.2N 41.33N 20.90N 三、 实验问答题 （Experimental Questions ） 1. 通过极差分析判断主轴转速、每齿进给量、切削深度对切削力影响程度？ 答：从小到大依次是主轴转速、每齿进给量、切削深度。 2. 根据多元回归方法，求出切削力的经验公式系数，要求有详细的计算过程。 答：表格如下 序号X1=logapX2=logf x X3=logn Y=logF 1 X11=-1 X12=2.60 X13=3.18 Y1=0.92 2 X21=-0.70 X22=2.90 X23=3.18 Y2
11、=0.87 3 X31=-0.52 X32=3.08 X33=3.18 Y3=1.20 4 X41=-0.40 X42=3.20 X43=3.18 Y4=1.39 5 X51=-1 X52=2.90 X53=3.40 Y5=0.89 6 X61=-0.70 X62=2.60 X63=3.40 Y6=0.93 7 X71=-0.52 X72=3.20 X73=3.40 Y7=1.18 8 X81=-0.40 X82=3.08 X83=3.40 Y8=1.21 9 X91=-1 X92=3.08 X93=3.54 Y9=0.95 10 X101=-0.70 X102=3.20 X103=3.54
12、Y10=1.07 11 X111=-0.52 X112=2.60 X113=3.54 Y11=1.02 制造科学与工程学院实验报告 12 X121=-0.40 X122=2.90 X123=3.54 Y12=1.35 13 X131=-1 X132=3.20 X133=3.65 Y13=1.05 14 X141=-0.70 X142=3.08 X143=3.65 Y14=1.10 15 X151=-0.52 X152=2.90 X153=3.65 Y15=1.12 16 X161=-0.40 X162=2.60 X163=3.65 Y16=1.16 （1）误差函数： 2 16 1 332211
13、0 )( i iiii XbXbXbbYq （2）对b0求偏导并使之为 0： 0)(Y2 16 1 3322110 i iiii XbXbXbbq （3）得出 b0表达式： 16 1 3322110 16 1 3322110 16 1 0 i iiii i iiii XbXbXbYb XbXbXbbY （4）同理求出 b1-b3表达式： 16 1 22110 3 3 16 1 33110 2 2 16 1 33220 1 1 1 1 1 i iii i i iii i i iii i XbXbbY X b XbXbbY X b XbXbbY X b （5）从表格数据计算各系数： 16 1 3
14、16 1 2 16 1 1 16 1 08.55 12.47 48.10 41.17 i i i i i i i i X X X Y （6）列出 4个四元一次方程组 32.086.019.029.0 37.017.122.034.0 66.126.55.453.1 09.144.395.266.0 3210 3210 3210 3210 bbbb bbbb bbbb bbbb 制造科学与工程学院实验报告 （7）根据矩阵求解 b0,b1,b2,b3: b0 b1 b2 b3 = B A 解得b0= 3 10 -，b1=0，b2= 3 10 ，b3=1. 则切削力经验公式为： 321bb x b
15、pF nfaCF =nfnfa xxp 3 10 4-1 3 10 04- 104.64104.64 3. 除了上述的主轴转速、进给速度、切削深度外，思考一下还有哪些因素会影响切削过程中 切削力的大小 ? 答：1. 工件材料的硬度等，比如金属含碳量高、低，淬火件等多会影响切削力大小； 2. 刀具形状尺寸参数，比如刀具各特征角度不同可能引起切削力大小不同； 3. 切削环境，比如使用冷却液等。 四、实验中发现的问题或建议（Questions or Suggestions Found in Experiment ） 1. 实验中发现的问题： (1) 通过极差分析，判断出n,ap,fx三个因素对切削力的影响程度与实验指导书预判不符。 可能是因为前面 16 组数据中有一组出现记录错误。 (2) 在计算中，切削深度的系数为0，与真实情况不符。 2. 建议做两组试验数据加以比对，并在实验指导书中给出详细计算过程指导。 3. 这样的实验很好，建议多多开设此类实验，以增强学生的动手能力及好奇心。