“切削力確立與經(jīng)驗(yàn)公式建立”計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)

狄寶晶

（長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，西安 710064）

“切削力確立與經(jīng)驗(yàn)公式建立”計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)

狄寶晶

（長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，西安 710064）

根據(jù)筆者多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，總結(jié)并建立了“切削力確立與經(jīng)驗(yàn)公式建立”的計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)。切削力測(cè)量與經(jīng)驗(yàn)公式的建立是大學(xué)機(jī)械制造專業(yè)金屬切削原理課的重要內(nèi)容，也是本專業(yè)學(xué)生認(rèn)識(shí)和處理復(fù)雜抽象切削機(jī)理的重要環(huán)節(jié)，實(shí)用性很強(qiáng)。該課采用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)后，有效改變了以往采取的數(shù)據(jù)處理方法繁瑣且準(zhǔn)確性差，數(shù)據(jù)分析不直觀，學(xué)生對(duì)復(fù)雜、抽象的教學(xué)內(nèi)容理解較困難的問題，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)成績(jī)。

計(jì)算機(jī) 切削力 經(jīng)驗(yàn)公式

金屬切削過程中，切削用量的大小直接影響著切削力的大小，而切削力又決定著切削溫度的產(chǎn)生，從而直接影響刀具的磨損、破損、使用壽命、加工精度、已加工表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在實(shí)際生產(chǎn)中，切削力又是計(jì)算切削功率，制定切削用量，了解切削狀態(tài)，設(shè)計(jì)和使用金屬切削機(jī)床、刀具、夾具的必要依據(jù)。因此，在組合機(jī)床、加工中心、柔性制造系統(tǒng)中，切削力顯得尤為重要。以往處理實(shí)驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且準(zhǔn)確性差，無法從經(jīng)驗(yàn)公式中直觀了解進(jìn)給量和切削深度對(duì)切削力的影響規(guī)律。而計(jì)算機(jī)輔助“切削力測(cè)量與經(jīng)驗(yàn)公式建立”的應(yīng)用，對(duì)學(xué)生快速、深層認(rèn)識(shí)、研究切削力產(chǎn)生的原因和計(jì)算方法，分析和研究切削機(jī)理，了解和掌握各切削用量對(duì)切削力影響的本質(zhì)特征，提高應(yīng)用切削力經(jīng)驗(yàn)公式處理工作中遇到的實(shí)際問題的能力等，都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。鑒于此，筆者總結(jié)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，獨(dú)立開發(fā)“切削力測(cè)量與經(jīng)驗(yàn)公式建立計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)”應(yīng)用軟件，以期大大提高學(xué)生對(duì)其的理解與掌握。

1 切削力及其經(jīng)驗(yàn)公式

切削力來源有兩個(gè)方面：一是切削層金屬、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；二是刀具與切屑、工件表面間的摩擦阻力。利用材料力學(xué)的原理，可以推導(dǎo)出切削力的理論公式。理論公式能夠反映影響切削力因素的內(nèi)在聯(lián)系，有助于分析問題。但是，在推導(dǎo)公式時(shí)簡(jiǎn)化了許多條件，故與實(shí)際切削時(shí)的情況差別較大，因而計(jì)算出來的切削力不夠精確，目前在實(shí)際應(yīng)用中大多采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算切削力。

切削力合力由主切削力Fc、切深抗力Fp、進(jìn)給抗力Ff相互垂直的三個(gè)分力組成。一般情況下，主切削力Fc比Fp、Ff都大得多，承擔(dān)著主要切削工作。在實(shí)際應(yīng)用中，主切削力Fc是計(jì)算切削功率和設(shè)計(jì)機(jī)床的主要依據(jù)。這里，主要講述主切削力Fc的計(jì)算機(jī)輔助經(jīng)驗(yàn)公式建立及計(jì)算機(jī)輔助分析。

2 軟件應(yīng)用過程

2.1 ap-Fz雙對(duì)數(shù)分析

2.1.1 學(xué)生根據(jù)計(jì)算機(jī)提問輸入

（1）測(cè)力儀標(biāo)定系數(shù)Kc=0.75kg/με，應(yīng)變儀電標(biāo)定系數(shù)Kc’=50με/8mm=6.25με/mm。這里，Kc是八角環(huán)測(cè)力儀固有的值，是常量；Kc’是學(xué)生做實(shí)驗(yàn)前根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，在YD-15型應(yīng)變儀上實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，也是常量。

（2）固定切削速度V，改變切削深度ap。當(dāng)ap1=1mm、ap2=2mm、ap3=3mm、ap4=4mm、ap5=5mm時(shí)，進(jìn)給量f=0.1mm/r。

（3）從光線示波器顯示振子發(fā)出紫外線光點(diǎn)在紫外線感光紙上各位移量：h1=9mm、h2=18mm、h3=26mm、h4=35mm、h5=41mm。

2.1.2 計(jì)算機(jī)輸出

（1）改變各切削深度時(shí)，相對(duì)應(yīng)的各切削力的值Fc1=42.2kg、Fc2=84.4kg、Fc3=121.9kg、Fc4=164.1kg、Fc5=192.1kg。

兒童的慢性疾病對(duì)父母與患病子女的關(guān)系也產(chǎn)生重大威脅。一項(xiàng)較早期的研究顯示，先天性心臟病患兒與母親之間的安全依戀顯著少于健康兒童與母親的安全依戀[20]。最近的一些研究進(jìn)一步證實(shí)，患有慢性病的兒童和青少年與父母之間的關(guān)系比健康的同齡人與父母的關(guān)系更糟糕[21]。在有慢性病患兒的家庭中，特別是有癲癇、聽力障礙及哮喘兒童的家庭中，父母對(duì)兒童表現(xiàn)出較少溫暖情緒的反應(yīng)，較多的要求、控制以及過度保護(hù)[22]。父母和患兒之間表現(xiàn)出更少的熱情和結(jié)構(gòu)化的溝通，更多的敵意溝通或是放棄溝通[23]。

（2）切削深度與切削力單因素實(shí)驗(yàn)法的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖ap-Fc。

（3）確定各切削力在坐標(biāo)圖中的位置。

（4）計(jì)算機(jī)根據(jù)一元回歸分析，畫出相對(duì)應(yīng)各切削力值在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中的回歸線。

（5）回歸線傾斜角度及斜率，既切削力經(jīng)驗(yàn)公式指數(shù)xFc=0.9516。

（6）輸出單因素切削力指數(shù)公式中的系數(shù)CFc=42.7999和主切削力經(jīng)驗(yàn)公式中系數(shù)1CFc1=382.914。

圖1 ap-Fz雙對(duì)數(shù)分析圖

（7）切削深度與切削力單因素法經(jīng)驗(yàn)公式：Fc=42.7999，計(jì)算機(jī)通過圖形輸出設(shè)備輸出ap-Fz雙對(duì)數(shù)分析圖，如圖1所示。

2.2 f-Fz雙對(duì)數(shù)分析圖

2.2.1 學(xué)生根據(jù)計(jì)算機(jī)提問輸入

（1）Kc=0.75kg/με、Kc’=50με/8mm=6.25με/mm。

（2）固定切削速度V，改變進(jìn)給量f。當(dāng)f1=0.1mm/r、f2=0.2mm/r、f3=0.3mm/r、f4=0.4mm/r、f5=0.5mm/r時(shí)，切削深度ap=1mm。

（3）振子光點(diǎn)各位移量h1=9mm、h2=17mm、h3=23mm、h4=29mm、h5=34mm。

2.2.2 計(jì)算機(jī)輸出

（1）改變各進(jìn)給量時(shí)，相對(duì)應(yīng)的各切削力的值Fc1=42.2kg、Fc2=79.6kg、Fc3=107.8kg、Fc4=135.8kg、Fc5=159.3kg。

（2）切削深度與切削力單因素實(shí)驗(yàn)法的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖f-Fc。

（3）確定各切削力在坐標(biāo)圖中的位置，畫出相對(duì)應(yīng)各切削力值在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中的回歸線。

（4）回歸線傾斜角度及斜率，既切削力經(jīng)驗(yàn)公式指數(shù)yFc=0.8248。

（5）系數(shù)Cf=208.9599、系數(shù)2CFc2=288.959及主切削力經(jīng)驗(yàn)公式中最終系數(shù)CFc=335.937。

（6）切削深度與切削力單因素法經(jīng)驗(yàn)公式：Fc=208.9599f0.8248，主切削力經(jīng)驗(yàn)公式。計(jì)算機(jī)通過圖形輸出設(shè)備輸出f-Fz雙對(duì)數(shù)分析圖，如圖2所示。

圖2 f-Fz雙對(duì)數(shù)分析圖

3 軟件應(yīng)用擴(kuò)展

（1）計(jì)算機(jī)自動(dòng)輸出作者創(chuàng)造性地增加的切削深度與切削力計(jì)算機(jī)輔助二維分析圖，如圖3所示；進(jìn)給量與切削力計(jì)算機(jī)輔助二維分析圖，如圖4所示。

（2）從圖3可以看出，當(dāng)分別取切削深度ap1=0.2mm、ap2=0.4mm、ap3=0.6mm、ap4=0.8mm，f=0.1mm/r時(shí)，將其帶入主切削力經(jīng)驗(yàn)公式，得到4條單調(diào)上升的曲線，且曲線有一定的弧度。

（3）從圖4可以看出，當(dāng)分別取進(jìn)給量f1=0.1mm/r、f2=0.24mm/r、f3=0.3mm/r、f4=0.4mm/r，ap=1mm時(shí)，將其帶入主切削力經(jīng)驗(yàn)公式，得到4條單調(diào)上升的曲線。但是，此時(shí)曲線幾乎是直線，由此可得出切削深度對(duì)切削力的影響要大于進(jìn)給量對(duì)切削力的影響，曲線單調(diào)上升的速度隨著切削深度或進(jìn)給量的增加而增加等。仔細(xì)分析研究圖3、圖4，學(xué)生可深刻了解各切削用量對(duì)切削力的影響規(guī)律及相互關(guān)系，從而加深對(duì)切削力經(jīng)驗(yàn)公式的本質(zhì)特征領(lǐng)會(huì)，提高學(xué)生應(yīng)用切削力經(jīng)驗(yàn)公式解決實(shí)際問題的能力。

圖3 f-Fz二維分析圖

圖4 ap-Fz二維分析圖

[1]陸劍中，孫家寧.金屬切削原理與刀具[M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：110-174.

[2]周澤華.金屬切削原理[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1998.

[3]狄寶晶.金屬切削DBJ計(jì)算機(jī)輔助分析與計(jì)算系統(tǒng)使用說明書.

[4]趙芝眉，丁儒林.金屬切削原理實(shí)驗(yàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

The Cutting Force of the Establishment of“Computer Aided Experimental Teaching and Experience Formula”

DI Baojing
(School of mechanical engineering Chang'an University, Xi'an 710064)

The author of this paper, according to the teaching experience of the course for many years, has broken the traditional teaching mode and has established the computer aided experimental teaching of "cutting Cutting force establishment and empirical formula establishment".the establishment of cutting force measurement and empirical formula is an important part of the metal cutting principle in University machinery manufacturing. It is also an important part of the students' understanding and handling of complex abstract cutting mechanism. The use of computer assisted instruction, to effectively change the used data processing method is tedious and poor accuracy, data analysis is not intuitive, students to complex and abstract teaching content understanding more difficult problems, greatly improving the students' learning interest and learning results.

Computer,Cutting force,Empirical formula