關(guān)佳亮 朱莉莉 曹成國(guó) 張孝輝

(①北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100124;②北京工研精機(jī)有限公司，北京 101312)

大直徑菲涅爾透鏡在大型照明系統(tǒng)、顯像、太陽(yáng)能電站及空間太陽(yáng)能電池光伏系統(tǒng)等領(lǐng)域中，具有重要的商業(yè)及軍事應(yīng)用價(jià)值［1］。菲涅爾透鏡具有等環(huán)距同心圓環(huán)式鋸齒溝槽表面，且相鄰環(huán)帶角度有微小差別的特點(diǎn)。目前，大直徑菲涅爾透鏡的制造，主要采用金剛石車刀車削加工出模具，利用模壓成型工藝制作大直徑菲涅爾透鏡。直徑愈大，環(huán)數(shù)愈多，加工路徑越長(zhǎng)，時(shí)間耗費(fèi)越久，對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)及性能和加工工藝技術(shù)的要求更高［2］。

工件與刀具間的相對(duì)振動(dòng)會(huì)使加工表面產(chǎn)生振痕，將嚴(yán)重影響工件的表面質(zhì)量和使用性能;工藝系統(tǒng)持續(xù)承受動(dòng)態(tài)交變載荷的作用，刀具極易磨損(甚至崩刃)，從而降低刀具耐用度［3－4］，影響模具加工效率和表面質(zhì)量。本文通過(guò)大直徑菲涅爾透鏡模具加工工藝的模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行切削工藝參數(shù)對(duì)環(huán)形直角鋸齒溝槽特殊結(jié)構(gòu)的加工過(guò)程動(dòng)態(tài)平穩(wěn)性影響規(guī)律的研究，優(yōu)化合理的切削工藝參數(shù)，以提高加工過(guò)程動(dòng)態(tài)平穩(wěn)性，保證菲涅爾透鏡模具加工表面質(zhì)量。

表1 H62黃銅力學(xué)性能

1 實(shí)驗(yàn)條件及加工原理

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

本次模擬實(shí)驗(yàn)以臥式數(shù)控機(jī)床CJK－1630為平臺(tái)，根據(jù)菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)了加工角度調(diào)整裝置。實(shí)驗(yàn)采用住友聚晶金剛石刀具，模具材料為H62黃銅，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括B＆K 4507 B 004加速度傳感器(靈敏度95.8 mv/g)，NI 9234數(shù)據(jù)采集卡，Lab-VIEW虛擬儀器，利用Matlab軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。

1.2 加工原理

本實(shí)驗(yàn)屬于基礎(chǔ)模擬研究。根據(jù)菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)特征，參考生產(chǎn)實(shí)際加工條件，設(shè)計(jì)了一套大直徑菲涅爾透鏡模具加工的模擬實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)中以環(huán)形直角鋸齒溝槽特殊結(jié)構(gòu)為加工目標(biāo)，尺寸特征為深度h=0.5 mm，傾斜角度θ=64°。研究主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削速度對(duì)環(huán)形直角鋸齒溝槽特殊結(jié)構(gòu)加工過(guò)程動(dòng)態(tài)平穩(wěn)性的影響規(guī)律，優(yōu)化合理的切削工藝參數(shù)，達(dá)到提高加工過(guò)程動(dòng)態(tài)平穩(wěn)性的目地，為菲涅爾透鏡模具加工提供理論依據(jù)。模擬實(shí)驗(yàn)工藝系統(tǒng)如圖1所示。H62黃銅盤裝卡在機(jī)床主軸上，加工角度調(diào)整裝置裝卡在電動(dòng)刀架上。通過(guò)加工角度調(diào)整裝置使刀具切削刃位于加工角度，電動(dòng)刀架沿Z向溜板進(jìn)給，帶動(dòng)刀具對(duì)銅盤端面進(jìn)行直角鋸齒溝槽結(jié)構(gòu)加工。加速度傳感器粘貼在刀桿和機(jī)床主軸上，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集主軸振動(dòng)信號(hào)和刀具振動(dòng)信號(hào)，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 實(shí)驗(yàn)研究

菲涅爾透鏡模具加工模擬實(shí)驗(yàn)采用聚晶金剛石車刀，以臥式數(shù)控車床為平臺(tái)，參考德州宇影光學(xué)儀器有限公司實(shí)際生產(chǎn)條件，自行設(shè)計(jì)一套模擬實(shí)驗(yàn)工藝系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括LabVIEW虛擬儀器，振動(dòng)加速度傳感器。模具材料為H62黃銅圓盤，直徑為100 mm，H62黃銅力學(xué)性能如表1所示。

2.1 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)加工過(guò)程動(dòng)態(tài)平穩(wěn)性的影響

主軸轉(zhuǎn)速的選擇要充分考慮機(jī)床動(dòng)特性，減小主軸振動(dòng)對(duì)加工狀態(tài)的影響。實(shí)驗(yàn)采用單因素法，切削速度Vc=120 m/min，進(jìn)給量f=1.2 μm/r，改變主軸轉(zhuǎn)速n=180、260、360、450、950、1 400、2 000 r/min。記錄主軸振動(dòng)和刀具振動(dòng)情況，如圖2所示。

由圖2可以看出，主軸轉(zhuǎn)速的變化對(duì)刀具振動(dòng)變化的影響不大;主軸轉(zhuǎn)速在180～450 r/min時(shí)，主軸振動(dòng)幅值較小，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速大于450 r/min時(shí)，主軸振動(dòng)幅值增大，對(duì)加工狀態(tài)的影響較大。

2.2 進(jìn)給量對(duì)加工過(guò)程動(dòng)態(tài)平穩(wěn)性的影響

進(jìn)給量是切削工藝參數(shù)中的重要元素，決定了工件的加工精度和表面粗糙度。進(jìn)給量的大小要根據(jù)工件材料，刀具幾何參數(shù)和機(jī)床剛性等因素合理選擇。

實(shí)驗(yàn)采用單因素法，切削速度Vc=120 m/min，改變進(jìn)給量f=0.1、0.5、1、1.5、2、2.5 μm/r。實(shí)驗(yàn)顯示，隨進(jìn)給量增加，切屑形狀變化明顯，不同進(jìn)給量的切屑形態(tài)如圖3所示;刀具振動(dòng)幅值隨進(jìn)給量的增加而減小，當(dāng)進(jìn)給量超過(guò)一定數(shù)值后，振動(dòng)幅值隨進(jìn)給量的增大而呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖3a、b切屑為碎末形態(tài)，且振動(dòng)幅值(圖4)比較大，這主要是因?yàn)檫M(jìn)給量小，切削厚度小于刀具刃口半徑，切削刃不斷擠壓加工表面，造成加工硬化，加工難度加大，最后以崩碎切屑的形態(tài)切除材料;圖3c、d切屑為帶狀形態(tài)，此時(shí)振動(dòng)幅值(圖4)較小，這是因?yàn)檫M(jìn)給量取值大小適當(dāng)，材料去除連續(xù)平穩(wěn)，且切削厚度較小，切削力小;圖3e、f切屑為長(zhǎng)帶狀，不易斷屑，且纏繞在刀尖，其相應(yīng)的振動(dòng)幅值(圖4)較大，且振動(dòng)幅值隨著進(jìn)給量的增加而不斷增大，這主要是因?yàn)檫M(jìn)給量增大，切削厚度增大，使得切削力變大，刀具振動(dòng)加劇。

2.3 切削速度對(duì)加工過(guò)程動(dòng)態(tài)平穩(wěn)性的影響

切削速度變化將影響塑性變形，影響到加工表面質(zhì)量和變質(zhì)層。切削速度選擇時(shí)，要避開積屑瘤產(chǎn)生的區(qū)域，另外在斷續(xù)切削時(shí)要減小沖擊力和熱應(yīng)力，避開自激振動(dòng)的臨界速度。

實(shí)驗(yàn)采用單因素法，進(jìn)給量f=1.2 μm/r，改變切削速度Vc=28、56、78、100、120、140、164、180 m/min。實(shí)驗(yàn)顯示，刀具振動(dòng)幅值隨切削速度的增大而減小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，當(dāng)切削速度小于102 m/min時(shí)，刀具振動(dòng)較大，這主要是因?yàn)榍邢魉俣刃r(shí)，刀具與工件的作用時(shí)間增多，使塑性變形的擴(kuò)展深度增大，因而冷硬層深度變大，使得切削力增大。當(dāng)切削速度大于102 m/min時(shí)，隨著切削速度的增大，切削溫度上升，刀屑之間的摩擦系數(shù)減小，切屑流出阻力減?。?］從而導(dǎo)致振動(dòng)幅值減小;另一方面，隨著切削溫度升高，被加工金屬的強(qiáng)度和硬度降低，切削力減小，也會(huì)使刀具振動(dòng)幅值減小。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)大直徑菲涅爾透鏡模具加工工藝的模擬實(shí)驗(yàn)，研究了主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和切削速度對(duì)模具加工過(guò)程動(dòng)態(tài)平穩(wěn)性的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論:

(1)當(dāng)進(jìn)給量較小時(shí)，切削過(guò)程不連續(xù)，切削刃擠壓加工表面，切屑為碎末狀，刀具振動(dòng)較大;當(dāng)進(jìn)給量f=1～1.5 μm/r時(shí)，生成帶狀切屑，切削過(guò)程連續(xù)平穩(wěn)，刀具振動(dòng)較小;隨著進(jìn)給量繼續(xù)增大，切削力增大，刀具振動(dòng)加劇。

(2)當(dāng)切削速度較低時(shí)刀具振動(dòng)較大。切削速度Vc≥120 m/min時(shí)，刀具振動(dòng)小，且隨著切削速度的繼續(xù)增大，刀具振動(dòng)減小，但變化較為平緩。

(3)當(dāng)切削速度Vc≥120 m/min，進(jìn)給量f=1～1.5 μm/r時(shí)，形成帶狀切屑，容易斷屑，工件—刀具相對(duì)振動(dòng)幅值小，切削過(guò)程連續(xù)平穩(wěn)，加工表面質(zhì)量較好。

［1］趙彤，張輝，李維謙，等.Archimedes螺線式Fresnel透鏡的設(shè)計(jì)及加工方法［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，47(8):1282 －1286.

［2］關(guān)佳亮，陳志德，曹成國(guó)，等.大直徑菲涅爾透鏡模具加工發(fā)展現(xiàn)狀及展望［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2012(3):37－40.

［3］Thomas M Beauchamp Y，Youssef A Y.Effect of tool vibrations on surface roughness during lathe dry turning process［J］.18th International Conference on Computers and Industrial Engineering，1996，31(3/4):637－644.

［4］Clin S，Chang M F.A study on the effects of vibrations on the surface finish using a surface topography simulation model for turning［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，1998(38):763 －782.

［5］吳衛(wèi)國(guó)，王貴成，沈春根，等.精密車削Cr12模具鋼的切削力研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2007(10):94 －96.