蔣 培，磨季云，盧承發(fā)，馮運(yùn)虎，劉 斌，吳 亮

切削力測(cè)量在實(shí)驗(yàn)力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

蔣 培，磨季云，盧承發(fā)，馮運(yùn)虎，劉 斌，吳 亮

（武漢科技大學(xué) 理學(xué)院，湖北 武漢 430065）

切削力測(cè)量是機(jī)械專業(yè)本科學(xué)習(xí)階段必做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過對(duì)切削力測(cè)量的研究現(xiàn)狀以及教學(xué)方式的研究，將切削力測(cè)量作為力學(xué)專業(yè)“實(shí)驗(yàn)力學(xué)”課程教學(xué)中電測(cè)法應(yīng)用的一項(xiàng)內(nèi)容，提出了一種測(cè)量切削力的電測(cè)方案，并將其運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，獲得了較好的教學(xué)效果。切削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)有利于加深學(xué)生對(duì)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，強(qiáng)化學(xué)生的專業(yè)理論知識(shí)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

切削力；實(shí)驗(yàn)力學(xué)；電測(cè)法；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)力學(xué)是力學(xué)研究中理論、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的三大支柱之一。實(shí)驗(yàn)力學(xué)與工程實(shí)際聯(lián)系較為緊密，主要是用實(shí)驗(yàn)方法分析受力構(gòu)件的應(yīng)變和應(yīng)力等力學(xué)參量[1]。本科高等教育階段，學(xué)生可通過對(duì)實(shí)驗(yàn)力學(xué)的學(xué)習(xí)，將理論知識(shí)與工程實(shí)踐結(jié)合起來，培養(yǎng)工程意識(shí)；通過實(shí)驗(yàn)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，掌握現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)和先進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段，提高解決力學(xué)問題的能力[2]。在工程力學(xué)專業(yè)本科階段，各高校都會(huì)開設(shè)“實(shí)驗(yàn)力學(xué)”課程，其中應(yīng)變電測(cè)法作為技術(shù)成熟和應(yīng)用普及的一種測(cè)試手段，是該課程重點(diǎn)講授的內(nèi)容之一。應(yīng)變電測(cè)法是實(shí)驗(yàn)力學(xué)的基本功，應(yīng)變片測(cè)量占力學(xué)測(cè)量電測(cè)工作的80%以上，因此正確、熟練掌握和應(yīng)用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)十分重要[3]。本文通過介紹利用電測(cè)法進(jìn)行切削力測(cè)量的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，探討將其作為“實(shí)驗(yàn)力學(xué)”課程教學(xué)中電測(cè)法實(shí)際應(yīng)用的一項(xiàng)內(nèi)容的做法及教學(xué)效果。

1 切削力測(cè)量基本情況

“切削力測(cè)量”不僅是機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”的重要實(shí)驗(yàn)，也是研究新型材料切削加工性的重要方式。為了驗(yàn)證切削過程中切削力隨切削用量變化的規(guī)律，各高?；径奸_設(shè)了切削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)[4]?！扒邢髁y(cè)量”實(shí)驗(yàn)作為“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程的一個(gè)傳統(tǒng)的必做實(shí)驗(yàn)，對(duì)于學(xué)生知識(shí)理解和能力培養(yǎng)都具有重要意義[5]。

1.1 切削力測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀

切削力測(cè)量系統(tǒng)一般由3部分組成：測(cè)力儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和PC機(jī)。測(cè)力儀（測(cè)力傳感器）通常安裝在刀架（車削）或機(jī)床工作臺(tái)上（銑削），負(fù)責(zé)拾取切削力信號(hào)，并將力信號(hào)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)[6]。測(cè)量切削力不僅需要使用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)力儀，還常需要根據(jù)具體條件設(shè)計(jì)專用測(cè)力儀，因此測(cè)力儀設(shè)計(jì)也是切削力測(cè)量的重要內(nèi)容。隨著金屬切削技術(shù)的不斷發(fā)展及相關(guān)研究工作的進(jìn)一步深化，動(dòng)態(tài)切削力測(cè)量技術(shù)也成為一項(xiàng)重要實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

電阻應(yīng)變片測(cè)力傳感器在測(cè)力儀中使用廣泛，車、鉆、銑、磨測(cè)力儀均有使用。這種傳感器用于切削力測(cè)量優(yōu)點(diǎn)頗多，如靈敏度高、可測(cè)力的瞬時(shí)值、應(yīng)用電補(bǔ)償原理易于消除各分力的相互干擾等。電阻應(yīng)變測(cè)力儀價(jià)格相對(duì)便宜，使用維護(hù)方便，易于制造特殊用途的專用測(cè)力儀，適用于多種用途的切削力測(cè)量。

1.2 常用應(yīng)變式切削傳感器

1.2.1 八角環(huán)三向車削測(cè)力儀

切削測(cè)力儀的彈性元件是由整體鋼材加工成八角狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。車削時(shí)進(jìn)給抗力F使八角環(huán)受到切向推力，切深抗力F使八角環(huán)受到壓縮，主切削力F使八角環(huán)上面受拉伸下面受壓縮。針對(duì)不同的受力情況，在八角環(huán)上適當(dāng)?shù)夭贾脩?yīng)變片，就可在極小相互干擾的情況下分別測(cè)出各個(gè)切削分力。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的八角環(huán)三向車削測(cè)力儀成品如圖2所示。

圖1 八角環(huán)三向車削測(cè)力儀原理圖

圖2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的八角環(huán)三向車切削測(cè)力儀

1.2.2 薄壁圓筒式鉆削測(cè)力儀

薄壁圓筒式鉆削測(cè)力儀的原理與八角環(huán)三向測(cè)力儀相似，通過將應(yīng)變片貼在測(cè)力儀的薄壁圓筒上,采用純拉壓與純剪切相結(jié)合的方式,測(cè)出F、F（2個(gè)互相垂直的橫向力）、F（軸向力）3個(gè)方向的力和1個(gè)扭矩M（鉆削力矩）。圖3為哈爾濱工業(yè)大學(xué)的薄壁圓筒式鉆削測(cè)力儀。

圖3 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的薄壁圓筒式鉆削測(cè)力儀

1.2.3 目前常用的切削力測(cè)力儀

通過在實(shí)用性和操作性方面進(jìn)行優(yōu)化，目前常用的切削力測(cè)量產(chǎn)品如圖4所示。

圖4 目前常用的切削力測(cè)力儀

1.3 切削力測(cè)量教學(xué)途徑

由于實(shí)際切削加工過程非常復(fù)雜，很難有較為準(zhǔn)確的切削力計(jì)算理論公式，只能通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法建立用于計(jì)算切削力的經(jīng)驗(yàn)公式[7-10]。理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相互配合可以幫助學(xué)生理解并掌握有關(guān)切削力的教學(xué)內(nèi)容，并為切削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)的一體化教學(xué)創(chuàng)造條件。

在相關(guān)專業(yè)課的教學(xué)過程中，切削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)一直都是學(xué)生必做的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以更深刻地認(rèn)識(shí)切削用量、刀具角度等參數(shù)對(duì)切削力的影響，更直觀地理解所學(xué)知識(shí)的實(shí)用性。但隨著學(xué)生獲取知識(shí)的途徑越來越多樣化，傳統(tǒng)的切削力實(shí)驗(yàn)由于知識(shí)點(diǎn)單一、實(shí)驗(yàn)方法落后，已無法滿足培養(yǎng)當(dāng)代高校學(xué)生綜合分析能力、創(chuàng)新能力的需要。借助計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)，改進(jìn)目前測(cè)量切削力的實(shí)驗(yàn)手段，逐漸成為新的發(fā)展方向[11-12]。

2 電測(cè)法測(cè)量切削力的方法

筆者在一次與車削相關(guān)的課題研究中，遇到測(cè)量車床工作時(shí)的三向切削力問題。由于要與已有的測(cè)力儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，因此需要利用最基礎(chǔ)和最直接的辦法測(cè)量切削力，即在車刀上布置應(yīng)變片，測(cè)量車床工作時(shí)的切削力。其中涉及2種不同的車刀，一種是扁平形狀的切斷刀，另一種是矩形截面的外圓刀。為了合理布置應(yīng)變片，使測(cè)量結(jié)果能反映出車刀切削的三向力大小，就需要對(duì)車刀的受力情況進(jìn)行力學(xué)分析，利用電測(cè)法相關(guān)知識(shí)，在原理上滿足測(cè)量需求，從而根據(jù)實(shí)際情況提出一種測(cè)量方案。

2.1 切斷刀刀具的布片方案

切斷刀刀口一般為薄平狀，如圖5所示。

圖5 切斷刀刀具

通常切削分力為：主切削力F，在主運(yùn)動(dòng)方向上的分力；切深抗力F，在垂直于工作平面上的分力；進(jìn)給抗力F，在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的分力。

對(duì)于切斷刀這種薄平刀具，根據(jù)平面應(yīng)力理論，垂直于刀具平面方向的應(yīng)力即進(jìn)給抗力考慮為0，因此，車刀受力情況為刀口處的主切削力F與切深抗力F。通過受力分析可知，F使車刀產(chǎn)生彎曲應(yīng)變，F使車刀產(chǎn)生軸向應(yīng)變和偏心彎曲應(yīng)變。其受力及應(yīng)變片布置如圖6所示。

圖6 應(yīng)變片布置圖

沿中間軸線的布片分別為電阻應(yīng)變片3和4，組成半橋，彎曲變形為0（中性軸層上彎曲應(yīng)變?yōu)?），只有軸向壓縮變形，溫度相互補(bǔ)償。電阻應(yīng)變片3和4組半橋，為車刀材料的泊松比，為車刀材料的彈性模量，為車刀刀具的橫截面積，則應(yīng)變儀的輸出應(yīng)變?yōu)椋?/p>

則切深抗力F為：

電阻應(yīng)變片1和2上下對(duì)稱布片，距離集中力處的長度為，切刀高度為，厚度為b。由于兩應(yīng)變片的軸向壓縮變形相同，產(chǎn)生的偏心彎曲互為相反，故1和2組半橋，抵消軸向應(yīng)變，溫度相互補(bǔ)償。應(yīng)變片1處的彎矩為：

應(yīng)變片2處的彎矩為：

則應(yīng)變儀輸出應(yīng)變?yōu)椋?/p>

其中I為刀具的慣性矩312，故主切削力F為：

將式（2）結(jié)果代入式（6）即可得到主切削力F。

2.2 外圓刀具的布片方案

外圓刀具截面為矩形，如圖7所示。其受力狀況較為復(fù)雜，因此不能簡化為平面應(yīng)力狀態(tài)，而應(yīng)按照組合變形對(duì)其進(jìn)行復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)分析。

圖7 外圓刀具

2.2.1 測(cè)主切削力F

如圖8所示，通過受力分析，切削力的3個(gè)分量作用為：進(jìn)給抗力F使車刀水平向彎曲以及橫截面扭轉(zhuǎn)；切深抗力F使車刀水平向彎曲、縱向彎曲以及軸向壓縮；主切削力F使車刀縱向彎曲以及橫截面扭轉(zhuǎn)。

圖8 測(cè)主切削力受力分析及布片方案

布片方案為：在上表面中性軸（相對(duì)于水平向彎曲）上貼2個(gè)應(yīng)變片，組成半橋。切刀高度為，寬度為2個(gè)應(yīng)變片與集中力端的垂直距離為1和2。2個(gè)應(yīng)變片的水平向彎曲應(yīng)變?yōu)?（因?yàn)樵谒矫娴闹行暂S上），扭轉(zhuǎn)切應(yīng)變相同（因?yàn)檩S向夾角相同），軸向應(yīng)變相同，溫度應(yīng)變可相互補(bǔ)償，因此只需考慮縱向彎曲應(yīng)變。

應(yīng)變片1處的彎矩由2部分疊加，F產(chǎn)生的 彎矩：

F產(chǎn)生的偏心彎矩：

因此應(yīng)變片1處的合彎矩為：

同理，應(yīng)變片2處的合彎矩為：

因此，組成半橋后應(yīng)變儀的輸出應(yīng)變?yōu)椋?/p>

其中I為刀具的縱向慣性矩312，故主切削力F為：

2.2.2 測(cè)進(jìn)給抗力F

如圖9所示，3個(gè)分力的作用同上。布片方案為：在車刀前表面中性軸（相對(duì)于縱向彎曲）上沿軸向貼兩個(gè)應(yīng)變片，組成半橋。2個(gè)應(yīng)變片與集中力端的垂直距離為3和4。兩個(gè)片的縱向彎曲應(yīng)變?yōu)?（因?yàn)樵诳v向彎曲變形的中性軸上），扭轉(zhuǎn)切應(yīng)變相同（因?yàn)檩S向夾角相同），軸向應(yīng)變相同，溫度應(yīng)變可相互補(bǔ)償，因此只需考慮水平向彎曲應(yīng)變。

圖9 測(cè)進(jìn)給抗力受力分析及布片方案

應(yīng)變片3處的彎矩由2部分疊加，F產(chǎn)生的彎矩：

F產(chǎn)生的偏心彎矩：

因此應(yīng)變片3處的合彎矩為：

同理，應(yīng)變片4處的合彎矩為：

因此，組成半橋后應(yīng)變儀的輸出應(yīng)變?yōu)椋?/p>

2.2.3 測(cè)切深抗力F

如圖10所示，布片方案為：在車刀上下表面邊緣處對(duì)稱位置貼2個(gè)應(yīng)變片組成半橋。兩個(gè)應(yīng)變片與集中力端的垂直距離為5。2個(gè)片的水平向彎曲應(yīng)變相同，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)變相同（因?yàn)檩S向夾角相同），軸向應(yīng)變相同，溫度應(yīng)變可相互補(bǔ)償，因此只需考慮縱向彎曲應(yīng)變。

圖10 測(cè)切深抗力受力分析及布片方案

應(yīng)變片5處的彎矩由2部分疊加，F產(chǎn)生的彎矩為：

F導(dǎo)致的偏心彎矩為：

因此應(yīng)變片5處的合彎矩為：

同理，應(yīng)變片6的合彎矩為：

因此，組成半橋后應(yīng)變儀的輸出應(yīng)變?yōu)椋?/p>

其中F由式（12）結(jié)果代入即可。

2.3 測(cè)量方案的優(yōu)缺點(diǎn)

在切刀上的布片方案有多種，本文所提方案是一種簡單易行、較為直接的方案。其優(yōu)點(diǎn)是布片個(gè)數(shù)較少，減少了貼片工作量，布片位置也不影響車刀的固定。但是此方案也有不足和需要注意的地方：

（1）該方案在考慮溫度補(bǔ)償問題時(shí)，采取2個(gè)工作片相互補(bǔ)償?shù)姆绞?，即認(rèn)為2個(gè)工作片的溫度變化相同。但切刀工作時(shí)，各工作片的位置與刀口處（熱源）距離不同，熱量傳遞過程不同，溫度可能存在差異。

（2）測(cè)主切削力和進(jìn)給抗力時(shí)，2個(gè)應(yīng)變片之間的距離對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大：如距離過小，2個(gè)應(yīng)變之間差別不大，則放大系數(shù)較小，對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)有較大影響；如距離過大，則溫度分布不均對(duì)溫度補(bǔ)償?shù)挠绊戄^大，進(jìn)而影響測(cè)量結(jié)果。

（3）應(yīng)變片必須布置在車刀固定端以外，空間較為狹小，對(duì)貼片技術(shù)要求較高。

3 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

我校工程力學(xué)專業(yè)“實(shí)驗(yàn)力學(xué)”的實(shí)驗(yàn)部分單獨(dú)設(shè)課，總計(jì)16學(xué)時(shí)，其中電測(cè)法的內(nèi)容占到10~12個(gè)學(xué)時(shí)。在原本的電測(cè)法教學(xué)過程中，基礎(chǔ)學(xué)時(shí)內(nèi)容為電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)、電橋的接法、電阻應(yīng)變片橫向系數(shù)和靈敏度系數(shù)的測(cè)量等，總共為8個(gè)學(xué)時(shí)，而綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)“等強(qiáng)度梁靜載和沖擊動(dòng)載實(shí)驗(yàn)”，只有2個(gè)學(xué)時(shí)，另外還有2個(gè)學(xué)時(shí)的選做實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于力學(xué)專業(yè)學(xué)生而言，等強(qiáng)度梁實(shí)驗(yàn)過于簡單，有必要開設(shè)更加強(qiáng)調(diào)綜合性和設(shè)計(jì)性的電測(cè)法應(yīng)用實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?；诖?，再考慮到車刀切削力測(cè)量的工程應(yīng)用以及其豐富的力學(xué)問題，認(rèn)為可將具備力學(xué)專業(yè)特色的切削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)納入“力學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程內(nèi)容。

3.1 課程學(xué)時(shí)設(shè)置

為避免學(xué)時(shí)沖突，電測(cè)法基礎(chǔ)部分的教學(xué)可壓縮為6個(gè)學(xué)時(shí)，等強(qiáng)度梁綜合實(shí)驗(yàn)為2個(gè)學(xué)時(shí)，切削力測(cè)量安排4個(gè)學(xué)時(shí)。切削力測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案由學(xué)生在課前提前設(shè)計(jì)好，課上2學(xué)時(shí)用于在電測(cè)實(shí)驗(yàn)室做好貼片工作，另外2學(xué)時(shí)用于在學(xué)校工程訓(xùn)練中心的車床上進(jìn)行測(cè)量工作。

在完成等強(qiáng)度梁電測(cè)實(shí)驗(yàn)后，通過較為系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生已經(jīng)基本能較為熟練地完成基礎(chǔ)的電測(cè)工作。電測(cè)法的應(yīng)用十分廣泛，與力學(xué)的聯(lián)系十分緊密。在課堂上需要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注電測(cè)法最關(guān)鍵的技術(shù)問題，即如何正確設(shè)計(jì)布片測(cè)量方案。應(yīng)變片的布置需要對(duì)測(cè)量對(duì)象的受力情況進(jìn)行全面分析，考慮復(fù)雜變形中如何通過合理布片和組橋方案測(cè)量到所需要的力學(xué)參數(shù)，尤其需要考慮在實(shí)際工程應(yīng)用中的情況。由此，可借助切削力的測(cè)量問題，向?qū)W生介紹車床切削的基礎(chǔ)知識(shí)。我校大部分理工科專業(yè)學(xué)生在二年級(jí)時(shí)都進(jìn)行過金工實(shí)習(xí)，也接觸過車床，對(duì)車削并不陌生。但金工實(shí)習(xí)過程中，學(xué)生只是了解車床如何工作和操作，而開展本實(shí)驗(yàn)后學(xué)生可將以前接觸的設(shè)備與現(xiàn)在所學(xué)的專業(yè)知識(shí)結(jié)合起來，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.2 教學(xué)內(nèi)容安排

在提出測(cè)量切削力的問題后，由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理提前設(shè)計(jì)好測(cè)量方案。每3人1組，組員之間確定好分工。2個(gè)學(xué)時(shí)在電測(cè)實(shí)驗(yàn)室做好貼片工作，2種切刀一共布片12個(gè)。學(xué)生在熟練掌握貼片工藝的基礎(chǔ)上，一般均能按時(shí)完成。

至于布片的具體的位置，學(xué)生可根據(jù)前文提出的測(cè)量原理，自行決定應(yīng)變片與切刀端部的距離以及應(yīng)變片之間的距離。完成基礎(chǔ)的貼片工作后，要及時(shí)做好防水防潮工作，在對(duì)應(yīng)變片引出的導(dǎo)線進(jìn)行固定時(shí)要避開車刀固定點(diǎn)。與等強(qiáng)度梁實(shí)驗(yàn)相比，切削力測(cè)量的動(dòng)態(tài)信號(hào)是持續(xù)振動(dòng)的，并非只是一個(gè)瞬態(tài)信號(hào)，需要做好屏蔽及抗干擾措施。

完成前期準(zhǔn)備工作后，剩余2個(gè)學(xué)時(shí)用于在車床上進(jìn)行測(cè)量工作，即測(cè)量車床在幾種不同的工況下切削力的大小。采取單因素實(shí)驗(yàn)，即分別改變背吃刀量、進(jìn)給量、切削速度，每組工況做3組。因?qū)嶒?yàn)的主要目的是使學(xué)生掌握電測(cè)法，所以工況不宜設(shè)置太復(fù)雜，以免學(xué)生由于對(duì)車床操作不熟悉耽誤過多時(shí)間。

3.3 測(cè)量結(jié)果輸出

利用DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，典型的數(shù)據(jù)信號(hào)如圖11所示。

圖11 切削力測(cè)量數(shù)據(jù)圖

4 教學(xué)效果及改進(jìn)措施

區(qū)別于機(jī)械類專業(yè)切削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)的目的是對(duì)切削過程的認(rèn)識(shí)和理解，力學(xué)專業(yè)切削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)的目的則是提高力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的運(yùn)用能力以及電測(cè)法的實(shí)際操作能力。在實(shí)際的教學(xué)過程中，學(xué)生普遍反映通過切削力實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)到力學(xué)的魅力，增強(qiáng)了對(duì)力學(xué)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣。

4.1 理論知識(shí)與創(chuàng)新意識(shí)

力學(xué)專業(yè)學(xué)生在專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)上，需要面對(duì)很多枯燥的力學(xué)課程，很容易陷入迷茫，產(chǎn)生厭學(xué)情緒。因此在課程內(nèi)容的設(shè)置上，尤其是實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容設(shè)置，需要增加學(xué)習(xí)的趣味性，將理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合起來，提高學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的動(dòng)力。切削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)在一定程度上能讓學(xué)生重新認(rèn)識(shí)之前所學(xué)的知識(shí)，認(rèn)識(shí)力學(xué)知識(shí)在實(shí)踐中的應(yīng)用。電測(cè)法只是一種實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段，在運(yùn)用電測(cè)法解決實(shí)際問題時(shí)，核心的力學(xué)知識(shí)才是解決問題的關(guān)鍵。因此，學(xué)生需要將以前學(xué)過的相關(guān)力學(xué)理論知識(shí)溫故而知新，理論聯(lián)系實(shí)際，把問題搞懂搞透，這樣才能培養(yǎng)自己的創(chuàng)新意識(shí)，而不是生搬硬套、一切照舊。這種具備綜合性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，雖具有一定的難度，但只要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到項(xiàng)目的趣味性和創(chuàng)新性，學(xué)生是有能力也愿意付出精力去完成的。

4.2 動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力

如前文所述，在實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的安排上略顯緊張，因此需要學(xué)生提前確定好實(shí)驗(yàn)方案。按照3人一組，各小組獨(dú)立完成各自的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。整個(gè)切削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完成，需要各小組獨(dú)立進(jìn)行方案撰寫、粘貼應(yīng)變片、連接導(dǎo)線、實(shí)地測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、形成報(bào)告等，過程復(fù)雜，內(nèi)容繁重，需要較強(qiáng)的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，凡是完成情況較好的小組，其分工較為明確，不存在依靠個(gè)別學(xué)生大包大攬現(xiàn)象，組員之間能根據(jù)自己的特點(diǎn)進(jìn)行合理的分工協(xié)作，有計(jì)劃地安排好實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。因此，組員之間的明確分工和團(tuán)隊(duì)協(xié)作非常重要。4個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生基本都在動(dòng)手解決問題，有時(shí)還要處理一些突發(fā)狀況，如測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)應(yīng)變片粘貼不牢靠、防潮工作沒做好、輸出信號(hào)不穩(wěn)定等，極大地提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

4.3 改進(jìn)措施

切削力測(cè)量進(jìn)入力學(xué)專業(yè)“力學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程，是一種全新的嘗試，也是順應(yīng)目前的課程改革所做的努力。雖然其特色與優(yōu)點(diǎn)鮮明、突出，但在具體實(shí)施過程中也難免遇到一些困難，需要積極探索，抓緊改進(jìn)。

（1）由于學(xué)生對(duì)力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握程度各不相同，部分學(xué)生難以理解和消化測(cè)量切削力的原理，導(dǎo)致做實(shí)驗(yàn)時(shí)只能照搬別人的做法，關(guān)鍵參數(shù)的確定也只能抄襲。此外，3人一組學(xué)時(shí)較為緊張，有的小組在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無法完成，因此今后每組組員可增加為4人，同時(shí)也要考慮不同程度學(xué)生之間的搭配組合。

（2）對(duì)于應(yīng)變片與刀具端口的距離以及應(yīng)變片之間的距離，本希望學(xué)生能根據(jù)自己的理解進(jìn)行設(shè)定，但實(shí)際操作時(shí)，如果這個(gè)參數(shù)設(shè)定不合理導(dǎo)致后面測(cè)量返工，就會(huì)耽誤很多時(shí)間，以致無法按時(shí)完成實(shí)驗(yàn)。因此在方案確定前，可事先設(shè)置一個(gè)較為合理的參數(shù)區(qū)間，讓學(xué)生在區(qū)間內(nèi)自行選擇。

（3）由于參數(shù)差異較大，測(cè)量的結(jié)果很難保證精確，也無法提供一個(gè)準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)來衡量學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，在評(píng)判學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績時(shí)，不能以結(jié)果論高低，而應(yīng)注重實(shí)驗(yàn)過程中的整體表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理只要能按照要求進(jìn)行分析提煉，言之有理，學(xué)有所獲，即可認(rèn)為達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的目的。

（4）可對(duì)該種測(cè)量切削力的方法進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化改造，利用計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開發(fā)一款具有力學(xué)專業(yè)特色的切削力測(cè)量計(jì)算機(jī)程序。

5 結(jié)語

本文探討將切削力測(cè)量作為“實(shí)驗(yàn)力學(xué)”課程教學(xué)中電測(cè)法實(shí)際應(yīng)用的一項(xiàng)內(nèi)容，提出了一種測(cè)量切削力的電測(cè)方案，并將其運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，取得了較好的教學(xué)效果。與常用的“等強(qiáng)度梁實(shí)驗(yàn)”相比，切削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)更能加深學(xué)生對(duì)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，強(qiáng)化學(xué)生的專業(yè)理論知識(shí)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。同時(shí)，在今后的教學(xué)過程中將積極改進(jìn)，開發(fā)出更為完善和成熟的測(cè)試系統(tǒng)。

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Application of cutting force measurement in experimental mechanics teaching

JIANG Pei, MO Jiyun, LU Chengfa, FENG Yunhu, LIU Bin, WU Liang

(College of Science, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China)

Cutting force measurement is a necessary experimental project in the undergraduate study stage of mechanical specialty. Based on the research status and teaching methods of cutting force measurement, this paper regards the cutting force measurement as an application of electrical measurement method in the Experimental Mechanics course for Mechanics specialty and puts forward an electric measurement scheme for measuring cutting force. It is applied to the experiment teaching, and a good teaching effect is obtained. The cutting force measurement experiment is conducive to deepening students’ understanding of basic mechanics knowledge, strengthening their professional theoretical knowledge, improving their practical ability and team cooperation ability.

cutting force; experimental mechanics; electrical measurement; experimental teaching

G642.423

A

1002-4956(2019)11-0161-06

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.039

2019-03-08

湖北省高等學(xué)校省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目（20070219）；武漢科技大學(xué)研究生教育改革研究項(xiàng)目（Yjg201721）

蔣培（1987—），男，湖北武漢，博士研究生，實(shí)驗(yàn)員，主要從事工程力學(xué)的教學(xué)與研究工作。E-mail: jiangpei@wust.edu.cn