基于H62 黃銅的大直徑菲涅爾透鏡模具加工工藝實驗研究*

關(guān)佳亮 王志偉 曹成國 張孝輝 馬新強

(①北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，北京100124;②北京工研精機有限公司，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，廣泛地應(yīng)用在太陽能熱水器、太陽能電站、顯示成像以及空間太陽能電池光伏系統(tǒng)等領(lǐng)域，具有重要的商業(yè)和軍事應(yīng)用價值。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對微光學(xué)元件的加工與應(yīng)用也提出了越來越高的要求。本文采用金剛石刀具對菲涅爾透鏡進行車削加工，探究車削時刀具后角、刀尖角和切削液對加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律，優(yōu)化實驗參數(shù)，獲得最佳切削效果。

1 實驗原理

1.1 振動法

振動信號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態(tài)分量引起，并且與刀具-H62 黃銅-機床構(gòu)成的切削加工系統(tǒng)的動態(tài)特性密切相關(guān)。在具體應(yīng)用過程中，振動信號如同切削力的分析，可以被分解成3 個方向的振動。根據(jù)不同的加工工況和方式，選擇不同方向的振動信號監(jiān)測刀具的磨損。Kim，Seggwan 等研究了刀具磨損狀態(tài)與主軸振動和進給軸旋轉(zhuǎn)振動之間的映射關(guān)系，并成功應(yīng)用于監(jiān)測加工過程中刀具的磨損情況［1］。Roth 等利用振動法，通過振動信號進行刀具狀態(tài)的監(jiān)測，通過振動信號與刀具磨損回歸模型的建立，通過振動信號特征值的處理，選取與刀具磨損狀態(tài)相關(guān)度高的特征來監(jiān)測刀具的磨損情況，都取得了較好的成果［2-3］。

1.2 聲發(fā)射檢測的基本原理

聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波傳播到達H62 黃銅材料表面，可以用聲發(fā)射傳感器探測H62 黃銅材料表面的位移，這些探測器將H62 黃銅材料表面的機械振動轉(zhuǎn)化為電信號，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，在材料加工、處理和使用過程中受到很多因素的影響，如位錯運動、孿生、裂紋萌生與擴展、斷裂、無擴散型相變、熱脹冷縮、外加負荷的變化等［4］。

圖1 聲發(fā)射檢測原理框圖

2 實驗條件

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 振動信號采集系統(tǒng)

振動信號數(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Lab VIEW，如圖3 所示。

圖2 振動信號采集裝置

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、主放大器和計算機構(gòu)成。發(fā)射傳感器選擇諧振式高靈敏度傳感器，型號為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 實驗效果及分析

3.1 刀具后角對加工狀態(tài)的影響

實驗所用刀具為自行設(shè)計并專門定制，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，進給量f=2 μm/r，吃刀量a =1.5 mm;實驗平臺為CKJ1620 型數(shù)控車床。

在加工過程中，不同刀具后角的聲發(fā)射信號對比如圖5 所示，選擇的信號特征值為能量，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)射能量特征信號對比圖

圖6 微乳化液條件下切削振動信號

圖7 機油煤油混合液條件下切削振動信號

圖8 水溶液條件下切削振動信號

3.2 切削液的選用對刀具耐用度的影響

本實驗在微乳化液、機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H62黃銅材料進行加工，42 min 之后，加工振動信號，如圖6 ～8 所示?？梢钥闯?，刀具在不同切削液條件下，加工一定時間后，由于刀具磨損狀態(tài)的不同，振動信號在幅值上發(fā)生變化。其中，在微乳化液條件下，刀具的加工振動幅值最小，且振動較為平穩(wěn)，說明微乳化液具有良好的潤滑和冷卻性能，長時間的切削加工后，刀具切削刃仍然具有較好的狀態(tài)。相較于機油煤油混合液和水溶液，在微乳化液條件下刀具在加工過程中的抗磨損能力較強，可以提高刀具耐用度。

4 結(jié)語

通過采用超精密金剛石車削加工技術(shù)對H62 黃銅模具材料進行大直徑菲涅爾透鏡模具加工工藝的實驗研究，得到以下結(jié)論:

(1)在對H62 黃銅模具材料進行大直徑菲涅爾透鏡模具加工工藝的實驗研究中，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H62 黃銅材料進行加工，一段時間后，在微乳化液條件下刀具的抗磨損能力較強，可以提高刀具耐用度。

(3)通過本實驗的研究，當尖刀刀尖角為54°、刀具后角為3°時，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.切削加工過程中刀具磨損的智能監(jiān)測技術(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.振動環(huán)境中法蘭連接結(jié)構(gòu)狀態(tài)的聲發(fā)射辨識［D］.成都:西南科技大學(xué)，2010.