關(guān)佳亮 王志偉 曹成國(guó) 張孝輝 馬新強(qiáng)

(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)

菲涅爾透鏡具有不遜于傳統(tǒng)透鏡的光學(xué)聚焦和光學(xué)成像性能，因其質(zhì)量輕、厚度薄、口徑大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用在太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能電站、顯示成像以及空間太陽(yáng)能電池光伏系統(tǒng)等領(lǐng)域，具有重要的商業(yè)和軍事應(yīng)用價(jià)值。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)微光學(xué)元件的加工與應(yīng)用也提出了越來(lái)越高的要求。本文采用金剛石刀具對(duì)菲涅爾透鏡進(jìn)行車(chē)削加工，探究車(chē)削時(shí)刀具后角、刀尖角和切削液對(duì)加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，獲得最佳切削效果。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 振動(dòng)法

振動(dòng)信號(hào)中包含著與金剛石刀具切削狀態(tài)密切相關(guān)的信息，它主要由切削力中的動(dòng)態(tài)分量引起，并且與刀具-H62 黃銅-機(jī)床構(gòu)成的切削加工系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性密切相關(guān)。在具體應(yīng)用過(guò)程中，振動(dòng)信號(hào)如同切削力的分析，可以被分解成3 個(gè)方向的振動(dòng)。根據(jù)不同的加工工況和方式，選擇不同方向的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)刀具的磨損。Kim，Seggwan 等研究了刀具磨損狀態(tài)與主軸振動(dòng)和進(jìn)給軸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)之間的映射關(guān)系，并成功應(yīng)用于監(jiān)測(cè)加工過(guò)程中刀具的磨損情況［1］。Roth 等利用振動(dòng)法，通過(guò)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行刀具狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，通過(guò)振動(dòng)信號(hào)與刀具磨損回歸模型的建立，通過(guò)振動(dòng)信號(hào)特征值的處理，選取與刀具磨損狀態(tài)相關(guān)度高的特征來(lái)監(jiān)測(cè)刀具的磨損情況，都取得了較好的成果［2-3］。

1.2 聲發(fā)射檢測(cè)的基本原理

聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波傳播到達(dá)H62 黃銅材料表面，可以用聲發(fā)射傳感器探測(cè)H62 黃銅材料表面的位移，這些探測(cè)器將H62 黃銅材料表面的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后被放大、處理和記錄，如圖1 所示。H62 黃銅材料中內(nèi)應(yīng)力變化產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，在材料加工、處理和使用過(guò)程中受到很多因素的影響，如位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、孿生、裂紋萌生與擴(kuò)展、斷裂、無(wú)擴(kuò)散型相變、熱脹冷縮、外加負(fù)荷的變化等［4］。

圖1 聲發(fā)射檢測(cè)原理框圖

2 實(shí)驗(yàn)條件

2.1 H62 黃銅模具材料

H62 黃銅材料硬度和塑性適中，導(dǎo)熱性好，彈性模量值適中，整體加工性能較好。H62 黃銅力學(xué)性能如表1 所示。

表1 H62 黃銅力學(xué)性能

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.2.1 振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)

振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集卡為NI USB -9162，傳感器為加速度傳感器，靈敏度為1.049 mv/s，如圖2 所示。數(shù)據(jù)采集軟件為L(zhǎng)ab VIEW，如圖3 所示。

圖2 振動(dòng)信號(hào)采集裝置

2.2.2 聲發(fā)射系統(tǒng)

聲發(fā)射系統(tǒng)的主要裝置由AE 傳感器、前置放大器、主放大器和計(jì)算機(jī)構(gòu)成。發(fā)射傳感器選擇諧振式高靈敏度傳感器，型號(hào)為SR150A，前置放大器為增益為40DB 的PAI 型前置放大器，聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集裝置如圖4 所示。

圖3 Lab VIEW 數(shù)據(jù)采集軟件

3 實(shí)驗(yàn)效果及分析

3.1 刀具后角對(duì)加工狀態(tài)的影響

實(shí)驗(yàn)所用刀具為自行設(shè)計(jì)并專(zhuān)門(mén)定制，共3 把。刀具材料為聚晶金剛石，采用尖刀形式，直線切削刃，尖角為54°，刀具前角為0°，刀具后角分別為3°、7°、9°;切削參數(shù):主軸轉(zhuǎn)速n=80 r/min，進(jìn)給量f=2 μm/r，吃刀量a =1.5 mm;實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為CKJ1620 型數(shù)控車(chē)床。

在加工過(guò)程中，不同刀具后角的聲發(fā)射信號(hào)對(duì)比如圖5 所示，選擇的信號(hào)特征值為能量，能夠直接反映出刀具加工的狀態(tài)，3°后角刀具的聲發(fā)射能量相比于7°、9°的要小，7°、9°后角的聲發(fā)射能量之間差別不大。

圖4 聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集裝置

圖5 聲發(fā)射能量特征信號(hào)對(duì)比圖

圖6 微乳化液條件下切削振動(dòng)信號(hào)

圖7 機(jī)油煤油混合液條件下切削振動(dòng)信號(hào)

圖8 水溶液條件下切削振動(dòng)信號(hào)

3.2 切削液的選用對(duì)刀具耐用度的影響

本實(shí)驗(yàn)在微乳化液、機(jī)油煤油混合液和水溶液3種不同切削液條件下，采用全新硬質(zhì)合金刀具對(duì)H62黃銅材料進(jìn)行加工，42 min 之后，加工振動(dòng)信號(hào)，如圖6 ～8 所示?？梢钥闯觯毒咴诓煌邢饕簵l件下，加工一定時(shí)間后，由于刀具磨損狀態(tài)的不同，振動(dòng)信號(hào)在幅值上發(fā)生變化。其中，在微乳化液條件下，刀具的加工振動(dòng)幅值最小，且振動(dòng)較為平穩(wěn)，說(shuō)明微乳化液具有良好的潤(rùn)滑和冷卻性能，長(zhǎng)時(shí)間的切削加工后，刀具切削刃仍然具有較好的狀態(tài)。相較于機(jī)油煤油混合液和水溶液，在微乳化液條件下刀具在加工過(guò)程中的抗磨損能力較強(qiáng)，可以提高刀具耐用度。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用超精密金剛石車(chē)削加工技術(shù)對(duì)H62 黃銅模具材料進(jìn)行大直徑菲涅爾透鏡模具加工工藝的實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論:

(1)在對(duì)H62 黃銅模具材料進(jìn)行大直徑菲涅爾透鏡模具加工工藝的實(shí)驗(yàn)研究中，合理地選擇刀尖角、刀具后角和切削液，可以很好地提高刀具耐用度和加工表面質(zhì)量。

(2)在微乳化液、機(jī)油煤油混合液和水溶液3 種不同切削液條件下，采用全新硬質(zhì)合金刀具對(duì)H62 黃銅材料進(jìn)行加工，一段時(shí)間后，在微乳化液條件下刀具的抗磨損能力較強(qiáng)，可以提高刀具耐用度。

(3)通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的研究，當(dāng)尖刀刀尖角為54°、刀具后角為3°時(shí)，切削狀態(tài)最佳，切削紋路小，粗糙度值較小，表面質(zhì)量好。

［1］Kim，Seoggwan，Klamecki B E.Milling cutter wear monitoring using spindle shaft vibration［J］. Journal of Manufacturing Science and Engineering，Transactions of the ASME，1997，119(1):118 -119.

［2］高宏力.切削加工過(guò)程中刀具磨損的智能監(jiān)測(cè)技術(shù)研究［D］. 西安:西安交通大學(xué)，2005.

［3］Lei Ming，Yang Shuzi，Yang Xiaohong.Tool wear length estimation with a self-learning fuzzy inference algorithm in finish milling［J］，International Journal for Advanced Manufacturing Technology，1999，15(8):537 -545.

［4］龍林.振動(dòng)環(huán)境中法蘭連接結(jié)構(gòu)狀態(tài)的聲發(fā)射辨識(shí)［D］.成都:西南科技大學(xué)，2010.