1.4. Типовые вопросы входного контроля.

1) Дайте определения: касательной F_X и нормальной F_Z сил резания; удельной силы резания F_уд; угла действия силы резания Ψ; переходного множителя m.

2) Какой вид имеет аналитическая зависимость силы F_X от толщины срезаемого слоя a? Объясните смысл слагаемых формулы; изобразите зависимость графически.

3) Какой вид имеет аналитическая зависимость силы F_Z от толщины срезаемого слоя a? Объясните смысл слагаемых формулы; изобразите зависимость графически.

4) Какой вид имеет аналитическая зависимость F_уд= f (a)? Объясните смысл слагаемых формулы; изобразите зависимость графически.

5) Как экспериментально установить величину поправочного множителя, например, на угол резания δ?

6) С какой целью создается экспериментальная установка при проведении исследований процесса резания? Назовите основ­ные функциональные части установки.

7) Объясните сущность метода измерения сил резания, используемого в установке для выполнения данной работы.

8) Как, выполняя работу, определить цену деления шкалы микроамперметра при измерении силы резания?

9) Каким образом прямолинейную графическую зависимость (сглаженный график, построенный по результатам наблюдений) описать уравнением?

1.5. Экспериментальная установка. Работа выполняется на экспериментальной установке для прямолинейного резания. Установка состоит из режущего устройства, воспроизводящего процесс резания, и измерительной системы, выдающей информацию о силовых параметрах резания.

Конструкция режущего устройства и органы управления уста­новкой показаны на рис.1.

Рис. 1. Экспериментальная установка для прямолинейного резания.

Лезвие 6 закреплено на упругом элементе 4 измерительного устройства в положении для заданного угла резания. Упругий элемент выполнен в виде тонкостенного цилиндра с утолщенным фланцем. На тонкую стенку упру­гого элемента наклеены проволочные тензодатчики. Фланцем со стороны, противоположной лезвию, упругий элемент закреплен в суппорте механизма подачи. Оптичес­кая система для наблюдения резания имеет тубус 2, окуляр 1 и объектив, расположенный внутри тубуса.

Механизм главного движения обеспечивает перемещение об­разца во время срезания удаляемого слоя. Малая скорость глав­ного движения (0,4 или 0,8 мм/с) выбрана в расчете на визуальное наблюдение за процессом. Скорость движения возврата в четыре ра­за больше. Электродвигатель 7 посредством ролика, насаженного на его вал, приводит во вращение фрикцион с двумя беговыми дорожками для ролика (большой − для рабочего хода каретки и малой − для ускоренного обратного хода). Фрикцион передает вращение червяку и далее червячному колесу 11, сидящему на ходовом винте 10. С помощью гайки 12 вращение ходового винта преобразуется в равномерное прямолинейное движение каретки 9 с опытным образцом древесины 5.

Механизм подачи обеспечивает периодическое перемещение лезвия (опусканием) на толщину срезаемого слоя. Вертикальный суппорт 3 с лезвием перемещается в направляющих вращением вручную барабанчика 13 винтового механизма. Величина переме­щения суппорта контролируется индикатором 14.

Все сборочные единицы установки смонированы на корпусе 8. Рукояткой 15 включается рабочий ход каретки с образцом. Осветитель 16 дает пучок света, фокусируемый на зоне резания с помощью линзы.

В установке использован электрический метод измерения механической величины (силы резания) − метод преобразования механической деформации упругого элемента динамометрического устройства в параметр электрического тока (силу тока или напряжение). Рис. 2 показывает силы, действующие на древесину со стороны лезвия.

Рис. 2. Силы резания

В принятой координатной системе ось X совпадает с направлением главного движения резания D_Г, а ось Z нормальна к нему. Единичные (приходящиеся на 1 мм ширины срезаемого слоя) касательная F_X1 и нормальная F_Z1 силы резания получаются алгебраическим сложением составляющих этих сил по передней поверхности лезвия (F_ПX1, F_ПZ1) и по зоне контакта лезвия с поверхностью резания (F_П.РX1, F_П..РZ1):

F_X1 = F_ПX1 + F_П.РX1;

-F_Z1 = - F_ПZ1 + F_П.РZ1.

На рис 3.показаны элементы системы для измерения касательной составляющей силы резания F_X и нормальной составляющей F_Z. На тонкую

Рис. 3. Измерительная система:

а, б – упругий элемент с лезвием и тензодатчиками; в – схема включения тензодатчиков

стенку упругого элемента 1 (рис. 3 а, б) с лезвием 3 наклеены тензодатчики 2. Под действием сил, приложенных к лезвию со стороны образца 4, тонкая стенка элемента упруго деформируется, вызывая изме­нение электрического сопротивления наклеенных на нее датчиков.

Чтобы измерять координатные силы, на упругом элементе размещены датчики двух тензометрических мостов: по оси X − датчики 1', 2', 3', 4' для силы F_X, по оси Z − датчики 1", 2", З", 4" для силы F_Z.

В тензометрическом мосте (рис. 3, в) для измерения координатных сил датчики 1' и 4', испытывающие под действием сил растяжение, и датчики 2' и 3', испытывающие сжатие, включены в противоположные плечи. Этим достигается наибольший электрический сигнал в измеритель­ной диагонали моста (между точками 1' − 2' и 3' − 4'). Питают мост постоянным током, источник которого включен в питающую диагональ моста (между точками 1' − 3' и 2' − 4'). Электрический сигнал с моста поступает на тензометрический усилитель, а затем на стрелочный индикатор (микроамперметр).

1.6. Порядок выполнения работы. Индивидуальное задание предусматривает выполнение четырех опытов с разными показателями переменного фактора (толщины срезаемого слоя). Для получения объективного результата каждый опыт повторяют не менее 5 раз (целью является получение близ­ких значений измеряемой силы не менее чем в трех наблюдениях).

Последовательность действий при выполнении работы:

1) Установить опытный образец в каретку режущего устрой­ства и закрепить его винтами, сначала с торца, а затем по пласти.

2) Выровнять образец, срезая слои толщиной 0,10…0,15 мм. При этом механизм главного движения (см. рис. 1) включать, нажимая на рукоятку 15 (обратный ход и остановка каретки с об­разцом осуществляется автоматически при освобождении рукоятки); а подавать (опускать) режущий элемент на толщину срезаемого слоя, вращая барабан 13 вручную и следя за показанием индикатора 14.

Внимание! Подавать образец на новую толщину срезаемого слоя можно только после удаления предыдущего слоя со всей дли­ны образца и возвращения каретки в исходное положение!

3) Настроить установку на выполнение первого опыта и срезать слой древесины, считывая показания микроамперметров F'_X и F'_Z в районе карандашной риски (примерно на середине длины образца) и занося их в протокол наблюдений; опыт повторить 5 раз, уделяя особое внимание снятию показаний приборов.

4) Аналогично первому опыту провести эксперимент для условий остальных опытов, предусмотренных заданием.

5) Выполнить первичную обработку результатов эксперимента: установить цену деления шкал микроамперметров; величину сил F_X и F_Z (в ньютонах); величину единичных сил F_X1 и F_Z1, удельной силы F_уд, переходного множителя m и угла действия Ψ (методические указания к этому этапу даются в разделе 1.7).

6) Представить полученные результаты в виде графиков и уравнений, дать к ним краткие текстовые пояснения согласно указаниям разделов 1.7 и 1.8.

1.7. Методические указания к выполнению работы. Цену одного деления шкалы микроамперметра устанавливают по так называемому силовому эквиваленту масштабного резистора – электрического сопротивления R_M, включаемого в тензометрический мост параллельно одному из плеч (см. рис. 3, в).

Включение масштабного резистора вызывает искусственное разбалансирование тензометрического моста (и, следовательно, появление тока в измерительной диагонали), эквивалентное разбалансированию моста от приложения к лезвию силы F_M − силового эквивалента масштабного резистора. Поскольку величина сопротивления масштабного резистора всегда остаётся неизменной, силовой его эквивалент остаётся действительным независимо от степени усиления сигнала усилителем.

Численные значения F_XM и F_ZM для экспериментальных установок лаборатории приведены в надписях на приборных щитках.

Для определения цены деления приборов необходимо:

− включить масштабный резистор в тензометрический мост для измерения F_X (нажать и удерживать красную кнопку 5 “масштаб”) и снять масштабное показание прибора F'_XM; разделив величину силового эквивалента F_XM (прочитать на приборе) на масштабное показание прибора F'_XM, получим цену деления (множитель для пересчета показаний прибора в силы):

p_X = F_XM / F'_XM ;

− в том же порядке определить цену деления для силы F_Z;

p_Z = F_ZM/ F'_ZM.

Координатные составляющие F_X и F_Z полной силы (Н) для всех опытов получают умножением средних значений показаний микроамперметров на пересчетные множители р_Х и р_Z.

Единичные силы F_X1 и F_Z1 получают делением сил F_X и F_Z на ширину образца b:

F_X1 = F_X/b; F_Z1 = F_Z/b, Н/мм.

Удельную касательную силу вычисляют по формулам:

F_уд = F_X /ab или F_уд = F_X1 / a, Н/мм².

Переходный множитель m от касательной силы к нормальной:

m = F_Z1/F_X1 = F_Z /F_X.

Угол действия Ψ силы резания F₁ вычисляют по формуле:

Ψ = arctg (F_Z1/F_X1) = arctg m.

Графики зависимостей F_X1 = f(a) и F_Z1 = f(a) строят по точкам, соответствующие полученным в экспериментах значениям единичных сил, соединяя эти точки отрезками прямых (тонкими линиями).

Для математического описания зависимостей графики сглаживают путем замены ломаных линий прямыми. Полученные прямые продляют влево до пересечения с осью ординат.

Уравнения прямых:

для F_X1 = f(a ) = F_П.РХ1 + К_П·a = …………………………,

для F_Z1 = f(a) = F_П.РZ1 + К'_П·а = …………………………,

где F_П.РХ1 = F_X1(a=0), а F_П.РZ1 = F_Z1(a=0).

Коэффициенты пропорциональности вычисляют по формулам:

К_П = F_ПX1/a; К'_П = F_ПZ1/a..

Формулу для F_уд получают делением выражения для F_X1 на толщину срезаемого слоя: F_уд = К_П + F_П.РХ1/a.

1.8. Отчет по работе. Отчет должен содержать следующие материалы:

а) наименование работы;

б) цель работы;

в) индивидуальное задание (выписку из табл. 1);

г) исходные характеристики резания (форму 1.1);

д) схему сил резания (по рис. 2);

е) принципиальную схему измерения сил резания и её характеристики (рис. 3, б, в; форма 1.2);

ж) протокол наблюдений и их первичной обработки по форме 1.3;

Форма 1.1. Исходные характеристики резания

Образец древесины		Лезвие
Характеристика	Величина	Характеристика	Величина
Порода		Угол заострения β
Влажность		Угол резания δ
Ширина		Радиус округления кромки ρ

Форма 1.2. Характеристики измерительной системы

Наименование	Показатель для системы измерения
	FX	FZ
Силовой эквивалент масштабного резистора, Н	FXM=	FZM=
Масштабное показание микроамперметра, мкА	F'XM=	F'ZM=
Цена деления шкалы микроамперметра, Н/мкА	pX=	pZ=

з) графическое и аналитическое представление результатов:

графики F_X1 = f(a), F_Z1 = f(a), F_уд = f(a), m = f(a)

и формулы для F_X1, F_Z1, и F_уд – на рис.4;

и) выводы о характере зависимости под каждым графиком;

к) в конце журнала – форма 1.4 для отметок о прохождении работы.

Форма 1.3. Протокол наблюдений с первичной обработкой результатов экспериментов

Наименование		Показатели
Номер опыта		1		2		3		4
Толщина срезаемого слоя, мм
Измеряемые величины по осям		X	Z	X	Z	X	Z	X	Z
Показания микроамперметров FX' и FZ' мкА, для наблюдений:	1-го
	2-го
	3-го
	4-го
	5-го
	Средн. значение
Полная сила (FX, FZ), Н
Единичная сила (FX1, FZ1), Н/мм; FX1 = FX / b; FZ1 = FZ / b
Удельная сила Fуд = FX /( ab), Н/мм2
Угол действия Ψ = arctg m, град.

Рис. 4 Координатные сетки для графического представления

результатов работы:

а − F_X1 = f(a); б − F_Z1 = f(a); в − F_уд = f(a); г − m = f(a); Ψ = f(а)

Форма 1.4. Этапы прохождения работы

Работу выполнил	(Фамилия и подпись студента)	(дата)
Работу поверил	(подпись преподавателя)	(дата)
Работа защищена	(подпись преподавателя)	(дата)