一、测 力 仪
在 研究切削机理，建立经验公式，以及应用新型工件材料和新型刀具时，常需直接测量切削力。这就必须借助于测力仪。测力仪的种类很多，有机械测力仪、油压测力 仪和电测力仪。电测力仪比较先进，其测量精度和灵敏度较高。电测力仪有电阻式、电感式、电容式、压电式和电磁式等，目前国内多使用电阻式测力仪，少数单位 研制和使用了压电式测力仪。要求测力仪具有良好的灵敏度和足够的刚度；各分力之间的相互干扰小；自振频率高，有理想的动态特性；结构应较简单，使用应方 便。
1．电阻式测力仪
电阻式测力仪的工作原理是：在测力仪的弹性元件上粘贴具有一定电阻值的电阻应变片(图4—6)，然后将电阻应变片联接成电桥(图4—7b)。电桥各臂的电阻分别为R1、R2、R3、R4。如果R1／R2＝R3／R4，则电桥是平衡的，即B、D两点间的电位差为零，电流表中没有电流通过。在切削力作用下，电阻应变片随着弹性元件发生弹性变形，从而改变了它的电阻。如图4—7a 所示，电阻应变片Rl受到张力，其长度增大，截面积缩小，于是电阻增大；R2受到压力，其长度缩短，截面积加大，于是电阻减小。这样，电桥的平衡条件受到 破坏，B、D两点间产生电位差，电流表中就有电流通过。可以通过放大将电流读数显示或记录下来。电流读数一般与切削力的大小成正比。经过标定，可以得到电 流读数和切削力之间的关系曲线(即标定曲线)。测力时，只要知道了电流读数，便能从标定曲线上查出切削力的数值。
实际使用的测力仪的弹性元件不像图4—7所 表示的那样简单，粘贴电阻应变片也比较多。一般使四个桥臂上的电阻都发生变化，例如R1、R4加大，R2、R3减小，这样，可以使B、D两点间产生的电位 差比只是两个桥臂上的电阻变化时大一些，从而提高了测力的灵敏度。电桥输出端的电位差及由此而产生的电流都是非常微小的，必须经过电阻应变仪或放大器放 大，然后才能显示出来。
图4—8a所示为八角环形电阻式三向车削测力仪的外观图，图4—8b所示为电阻应变片的分布。在上环和下环的各个表面上，共粘贴着20片电阻应变片，可以组成三个电桥，分别测量Fc、Fp、Ff。在测力仪制造工艺及贴片质量良好的情况下，三向力之间的相互干扰可小于5％。在结构合理的情况下，电阻式测力仪可以有较好的灵敏度、刚度和动态特性。
2.压电式测力仪
压 电式测力仪的工作原理是：某些非金属材料，如石英晶体和压电陶瓷等，具有压电效应。当它们受外力作用时，在表面上将产生电荷，电荷量与所受的压力成正比而 与压电材料的大小无关。用压电材料制成测力仪的传感器，受力时产生的电荷需经电荷放大器转换成相应的电压参数。通过标定可以确定力的大小。图4—9表 示压电传感器的工作原理。切削力F通过小球1及金属薄片2传给压电晶体3。在压电晶体间有电极4，由压力产生的负电荷集中在电极上，由绝缘的导体5传出。 正电荷则通过金属片2或测力仪本体接地。由导体5传出的电荷经电荷放大器用记录仪记录下来，而后在标定曲线上可以查出切削力的大小。如在测力仪的三个方向 都装有压电传感器，则可测出三个切削分力。压电材料在不同的受力方向上其反应灵敏度不同。利用这个现象可以在不同的方向对压电材料进行切割，合理叠放，而 使三向压电传感器的结构得到简化(图4—10)。压电式测力仪的灵敏度、刚度和动态特性均优于其他测力仪，唯在湿度影响下，易产生电荷泄漏而影响测量精度。此外，制造精度要求高，价格较贵。
二、实验数据的处理和经验公式的建立
切削力实验的设计方法很多，最简单的是单因素实验法，即在固定其他因素、只改变一个因素的条件下，侧出切削力。然后处理数据，建立经验公式。处理数据的方法也有多种，这里只介绍一种常用的比较简单的方法——图解法。用回归分析法处理数据见附录5。
以外圆车刀切削45钢的一组实验为例，固定切削速度和刀具的几何参数，分别在四种切削深度下改变五种进给量。测得的切削力数据列成表4—4。
建立切削力指数公式 
。根据表4—4中的数据，在双对数坐标纸上画出五条Fc—ap线和四条Fc—f线，如图4—11所示。Fc—ap线和Fc—f线分别表达切削深度和进给量的单项切削力指数公式：
； 
(4—19)
如在等号两边取对数，则
； 
故Fc—ap，线和Fc—f线在双对数坐标纸上是直线；其中，系数Cap(或Cf)是Fc—ap线(或Fc—f线)在ap＝1mm(或f＝1mm／r)处的对数坐标上的Fc值(N)；指数xFc、yFc分别是Fc—ap线和Fc—f线的斜率。
例如，对于f＝0.3mm/r时的Fc—ap线，在ap＝1mm处的Fc坐标上，看出Cap＝600N。再画直角三角形，两个直角边分别为a1、b1，测得al＝b1，故斜率为
则当f＝0.3mm/r，Fc＝600 
N。
对于ap＝3mm时的Fc—f线，在f＝1mm/r处的Fc坐标上(坐标纸需向右延展)，看出Cf＝4900N。再画直角三角形，两个直角边分别为a2、b2，测得a2、b2值后计算其斜率为
即当ap＝3mm时，Fc＝4900f0.84N。
任意取一对Fc—ap、Fc—f线，都可以求出CFc。这里，仍用f=0.3mm／r时的Fc—ap线和ap＝3mm时的Fc—f线为例进行计算。
当f=0.3mm／r时，
故 
当ap＝3mm时，
故 
取平均数
故切削力的指数公式为
(4—20)
如用其他的Fc—ap线和Fc—f线计算CFc，得出的数值也应当是接近的。在表4-4所列的实验条件范围内，采用任意的切削深度ap，和进给量f，其主切削力Fc都可以用式4—20算出。而且式4—20中的两个指数能分别反映ap和f对Fc的影响程度。
三、切削力的计算机辅助测试
如前所述，切削力经验公式(指数公式)的建立，必须经过切削实验。过去，在切削力实验中，数据采集和数据处理均靠人工进行，劳动量大，耗费时间长，工作烦琐，且易出错。近年来，随着计算机及其应用技术的发展，切削力实验多采用计算机辅助测试。
图4—12为三向切削力的计算机辅助采集与处理系统简图。三向测力仪将切削分力Fc、Fp、Ff转变成电压信号VFc、VFp、VFf； 经过动态应变仪和低通滤波放大器将信号放大；再经过A／D转换器转换成数字信号，输入单板机或微型计算机；计算机按预编程序对数字信号进行分析处理与计 算，其结果(切削力测量值及指数公式)可用打印机打印出来，也可用绘图机画出切削力的各种影响曲线和随时间变化的波形曲线。用该系统不仅可以测量切削力的 平均值；而且可测得切削力的瞬时值，时间间隔在120μs—25ms之间；还可消除测力仪各向之间的相互干扰。
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