曾其勇 吳 凱 鄭曉峰 朱 明 嚴(yán)瑞琪

(①中國(guó)計(jì)量學(xué)院質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江杭州 310018;②浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州 310053)

隨著時(shí)代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，現(xiàn)代工業(yè)對(duì)裝備制造提出了更高更精密的要求，這就對(duì)組裝成設(shè)備的零部件的加工提出了更高的要求。零部件加工的精密程度直接關(guān)系著設(shè)備的精密度。機(jī)械加工如何提高產(chǎn)品的加工精度、減小表面粗糙度值及提高生產(chǎn)效率將成為行業(yè)面臨的首要問題，也將決定機(jī)械加工行業(yè)的走向。

新先進(jìn)工藝方法的發(fā)展對(duì)設(shè)計(jì)更現(xiàn)代化的機(jī)器，降低制造成本和減少工時(shí)消耗都有一定的促進(jìn)作用。研究已加工零件的表面質(zhì)量引起較多學(xué)者的關(guān)注，為零件可靠性的顯著提高開辟了新的途徑。

加工機(jī)械產(chǎn)品的工作性能和可靠性指標(biāo)，除了取決于產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)布局、制造精度和材料性能以外，在很大程度上還與零件的表面質(zhì)量有關(guān)［1］。機(jī)械零件的破壞，一般總是從表面層開始的。產(chǎn)品的性能，尤其是它的可靠性和耐久性，在很大程度上取決于零件表面層的質(zhì)量。研究機(jī)械加工表面質(zhì)量的目的就是為了掌握機(jī)械加工中各種工藝因素對(duì)加工表面質(zhì)量影響的規(guī)律，以便運(yùn)用這些規(guī)律來控制加工過程，最終達(dá)到改善表面質(zhì)量、提高產(chǎn)品使用性能的目的。

本文首先對(duì)影響切削加工工件的表面質(zhì)量特性指標(biāo)進(jìn)行了分析，并找出了影響表面粗糙度質(zhì)量特性指標(biāo)的主要因素，然后針對(duì)主要影響因素，設(shè)計(jì)了一套完整的檢測(cè)系統(tǒng)。

1 影響切削工件表面質(zhì)量的要因分析

已切削工件表面質(zhì)量對(duì)零件的使用性能有很大的影響。衡量已切削工件表面質(zhì)量的特性指標(biāo)主要有表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力和表面加工硬化程度等［2］。在表征零件表面質(zhì)量的3個(gè)指標(biāo)中，影響零件性能指標(biāo)的最重要的是工件表面粗糙度［3］。

零件的表面粗糙度，直接而明顯地影響摩擦和磨損，表面越粗糙，磨損越嚴(yán)重。在開始磨損時(shí)，表面粗糙度的微觀凸峰很快被磨平，磨損量上升很快;在經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)之后，運(yùn)動(dòng)表面之間的接觸面積加大，磨損的速度就會(huì)緩慢下來。若表面光滑細(xì)密，則微觀凸峰的高度和尖銳程度都較小，所以光滑細(xì)密的表面比粗糙表面耐磨。但是表面過于光滑，不利于潤(rùn)滑油的貯存，反而會(huì)使表面的摩擦系數(shù)加大，使金屬表面發(fā)熱而產(chǎn)生“膠合”現(xiàn)象［4－5］。

采用頭腦風(fēng)暴法對(duì)影響已加工工件的表面粗糙度的原因從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)(5M1E)6個(gè)方面進(jìn)行了分析，并繪制因果分析圖(圖1)。

由于因果圖分析出的原因比較多，采用過程失效模式與后果分析(PFMEA)方法進(jìn)一步分析，確定主要的影響因素。根據(jù)PFMEA的分析程序，針對(duì)表面粗糙度值過大的現(xiàn)象確定了產(chǎn)品故障模式的嚴(yán)重度(S)，過程故障頻數(shù)(O)及過程故障檢測(cè)難度(D)，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)順序指數(shù)(RPN)數(shù)值(RPN=S×O×D)，其中切削力控制不當(dāng)?shù)腞PN值最大，切削溫度不適的RPN值其次，機(jī)械設(shè)備振動(dòng)過大的RPN值第3，可以得出切削力、切削溫度和機(jī)械設(shè)備振動(dòng)為影響切削加工工件表面粗糙度的主要因素，即要因。

在切削加工過程中，切削速度、進(jìn)給量和切削深度等工藝參數(shù)將影響切削力，切削力和切削溫度是兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的因素，通常切削力越大，切削溫度也越高，同時(shí)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)越厲害。切削速度不同，外界激勵(lì)機(jī)械加工設(shè)備振動(dòng)的頻率不同，這個(gè)頻率與機(jī)械加工設(shè)備的振動(dòng)固有頻率越接近，就越容易造成機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)加劇。為了在切削加工過程中獲得較理想的加工工件表面粗糙度值，設(shè)計(jì)一套切削力和切削溫度的檢測(cè)系統(tǒng)，試圖對(duì)切削力、切削溫度與切削加工工件的表面粗糙度值之間的關(guān)系進(jìn)行研究，在切削加工過程中通過選取合適的切削速度、進(jìn)給量、切削深度等工藝參數(shù)來控制切削力、切削溫度和機(jī)械設(shè)備振動(dòng)，從而得到所需要的工件表面粗糙度值。

2 切削力與切削溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

切削力檢測(cè)系統(tǒng)由壓電式三向測(cè)力儀、電荷放大器和信號(hào)記錄顯示3個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成;切削溫度檢測(cè)系統(tǒng)由傳感器、冷端補(bǔ)償及信號(hào)調(diào)理器和信號(hào)記錄顯示3個(gè)環(huán)節(jié)組成。檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2.1 切削力與切削溫度傳感器

傳統(tǒng)的切削溫度傳感器種類很多，如:熱電偶傳感器、熱電阻溫度傳感器和輻射測(cè)溫傳感器等［6］。這些傳感器各有自己的特點(diǎn)，同時(shí)也存在不足。在總結(jié)這些經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文采用薄膜制備技術(shù)直接在刀具的前刀面上鍍制NiCr－NiSi薄膜熱電偶傳感器來測(cè)量切削溫度。NiCr－NiSi薄膜熱電偶傳感器測(cè)量溫度的動(dòng)態(tài)范圍比較寬，可測(cè)量的溫度范圍是－200～1 300℃。

對(duì)于切削力的測(cè)量，選用YDC－Ⅲ10型壓電式三向測(cè)力儀。這種測(cè)力儀能夠同時(shí)輸出3路力信號(hào)，并補(bǔ)償了相互之間影響。壓電式測(cè)力儀響應(yīng)快、靈敏度高，且便于在線實(shí)時(shí)測(cè)量。

不同類型的傳感器，信號(hào)輸出的形式與強(qiáng)弱也不同。NiCr－NiSi薄膜熱電偶傳感器是以電壓信號(hào)的形式輸出的，YDC－Ⅲ10型壓電式三向測(cè)力儀輸出的則是電荷信號(hào)，需要轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)再采集，而在采集數(shù)據(jù)之前，都需要對(duì)這兩者信號(hào)進(jìn)行放大處理。

NiCr－NiSi薄膜熱電偶傳感器輸出信號(hào)需要通過研制的熱電偶冷端補(bǔ)償與信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行處理。YDC－Ⅲ10型壓電式三向力測(cè)力儀的3路信號(hào)通過3臺(tái)YE5850型電荷放大器放大輸出。YE5850型電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的寬帶電荷放大器，具有性能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 薄膜熱電偶冷端溫度補(bǔ)償與信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)與制作

根據(jù)塞貝克效應(yīng)，當(dāng)熱電偶的導(dǎo)體兩端存在溫度差時(shí)，在回路中就會(huì)有電流通過，即有熱電動(dòng)勢(shì)存在。用制備了薄膜熱電偶傳感器的切削刀頭切削工件時(shí)，切削溫度越高，產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)越大，通過測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)事先薄膜熱電偶的標(biāo)定結(jié)果，可以得出切削溫度的高低。

但是，由于傳感器輸出信號(hào)微弱和噪聲的存在，往往無法直接測(cè)量其熱電動(dòng)勢(shì)。因此，在采集信號(hào)之前，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，包括放大、濾波。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了薄膜熱電偶冷端補(bǔ)償和調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理，整個(gè)調(diào)理電路由熱電偶冷端補(bǔ)償，放大電路，低通濾波和陷波3個(gè)模塊組成。

2.2.1 放大電路模塊設(shè)計(jì)

放大電路選用芯片LM358。芯片內(nèi)部有2個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍較寬的單電源使用。LM358具有如下特性:

(1)內(nèi)部頻率補(bǔ)償;

(2)電源電壓范圍寬:單電源(3～30 V);

(3)輸入偏置電流45 nA;

(4)共模抑制比80 dB。

通過同相放大后，單級(jí)理論放大系數(shù)為

2.2.2 冷端補(bǔ)償模塊設(shè)計(jì)

在標(biāo)定熱電偶時(shí)，熱電偶的冷端要求置于0℃。但是，通常情況下，熱電偶處在室溫條件下工作，它的冷端溫度顯然不再為零，兩端的熱電勢(shì)差就會(huì)減小，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)［7］。因此，需要對(duì)熱電偶的冷端進(jìn)行補(bǔ)償。采用集成溫度傳感器AD590進(jìn)行冷端動(dòng)態(tài)溫度補(bǔ)償。

2.2.3 低通和陷波模塊設(shè)計(jì)

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)存在大量的干擾信號(hào)，為了減小這些噪聲信號(hào)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，就要求設(shè)計(jì)合理的濾波和陷波電路來對(duì)干擾的信號(hào)進(jìn)行過濾處理。本文采用的是模擬濾波器。低通濾波電路和陷波電路分別如圖3與圖4所示。

根據(jù)電路原理圖，采用protel設(shè)計(jì)PCB板，制作的LC－1型薄膜熱電偶冷端補(bǔ)償與信號(hào)調(diào)理器實(shí)物圖如圖5所示。

2.3 信號(hào)采集、顯示與分析

經(jīng)過放大和信號(hào)調(diào)理后的三向切削力和切削溫度信號(hào)，用凌華高速數(shù)據(jù)采集卡采集，并送入計(jì)算機(jī)，采用VC++技術(shù)編制簡(jiǎn)潔友好的人機(jī)界面來實(shí)現(xiàn)對(duì)切削力和切削溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、顯示與分析。

2.3.1 硬件設(shè)計(jì)

本文采用凌華PCI－9118HG數(shù)據(jù)采集卡。PCI－9118系列是功能強(qiáng)大的高速多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，可用于高速、無間隔的數(shù)據(jù)采集?？ㄉ系? 024個(gè)FIFO單元保證了在Windows操作系統(tǒng)下高速數(shù)據(jù)采集能力。PCI－9118HG支持DMA方式保證實(shí)時(shí)信號(hào)的不間斷采集與儲(chǔ)存，提供16路單端或8路差動(dòng)模擬輸入通道，2路D/A輸出通道。

2.3.2 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)采集系統(tǒng)的重要組成部分，主要應(yīng)用VC++編程技術(shù)，編制友好簡(jiǎn)潔的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)通訊。測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行模塊劃分，確定每個(gè)模塊的功能、接口及模塊間的調(diào)用關(guān)系。每個(gè)模塊都可以進(jìn)行獨(dú)立的開發(fā)與測(cè)試，將這些模塊組合起來就成了一個(gè)完整的軟件系統(tǒng)。整個(gè)軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。軟件系統(tǒng)框架圖如圖6所示。

3 結(jié)語

本文試圖為研究切削加工工件的表面粗糙度與切削力和切削溫度之間的關(guān)系做了些基礎(chǔ)性工作，并得出了以下結(jié)論:

(1)采用因果分析圖、PFMEA等分析方法找出影響切削工件表面粗糙度的主要因素是切削力、切削溫度和機(jī)械加工設(shè)備振動(dòng);

(2)將薄膜熱電偶測(cè)溫技術(shù)引入切削溫度檢測(cè)，并設(shè)計(jì)了一套完整的切削力和切削溫度檢測(cè)系統(tǒng);

(3)編制的檢測(cè)系統(tǒng)軟件人機(jī)交互作用強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，使用方便。

［1］韓壽權(quán).淺談機(jī)械加工中表面質(zhì)量控制［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2009(5):108.

［2］ZENG Qiyong，WU kai，ZHENG Xiaofeng.Quality inspection and analysis of workpiece surface in A3 steel machining［J］.Applied Mechanics and Materials，2011，55 －57(1):451 －455.

［3］侯建紅.車削加工中影響工件表面質(zhì)量因素分析［J］.機(jī)械與電子，2009(17):59.

［4］陳寒梅.切削加工表面粗糙度影響因素及改善措施［J］.科技論壇，2009(9):209－211.

［5］毛林華，徐沈利.淺談?dòng)绊憴C(jī)械零件表面質(zhì)量的因數(shù)及相應(yīng)的改善方案［J］.科技縱橫，2010(1):165 －167.

［6］強(qiáng)錫富.傳感器［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［7］ZENG Qiyong，SUN Baoyuan，XU Jing，et al.Development of NiCr/NiSi thin－film thermocouple sensor for workpiece temperature measurement in chemical explosive material machining［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering，2006，128(2):175 －179.