影響切削工件表面質量的因素分析及要因的檢測系統設計*

曾其勇 吳 凱 鄭曉峰 朱 明 嚴瑞琪

(①中國計量學院質量與安全工程學院，浙江杭州 310018;②浙江機電職業技術學院機械工程學院，浙江杭州 310053)

隨著時代的發展，科技的進步，現代工業對裝備制造提出了更高更精密的要求，這就對組裝成設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系著設備的精密度。機械加工如何提高產品的加工精度、減小表面粗糙度值及提高生產效率將成為行業面臨的首要問題，也將決定機械加工行業的走向。

新先進工藝方法的發展對設計更現代化的機器，降低制造成本和減少工時消耗都有一定的促進作用。研究已加工零件的表面質量引起較多學者的關注，為零件可靠性的顯著提高開辟了新的途徑。

加工機械產品的工作性能和可靠性指標，除了取決于產品本身的結構布局、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量有關［1］。機械零件的破壞，一般總是從表面層開始的。產品的性能，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量。研究機械加工表面質量的目的就是為了掌握機械加工中各種工藝因素對加工表面質量影響的規律，以便運用這些規律來控制加工過程，最終達到改善表面質量、提高產品使用性能的目的。

本文首先對影響切削加工工件的表面質量特性指標進行了分析，并找出了影響表面粗糙度質量特性指標的主要因素，然后針對主要影響因素，設計了一套完整的檢測系統。

1 影響切削工件表面質量的要因分析

已切削工件表面質量對零件的使用性能有很大的影響。衡量已切削工件表面質量的特性指標主要有表面粗糙度、表面殘余應力和表面加工硬化程度等［2］。在表征零件表面質量的3個指標中，影響零件性能指標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，磨損越嚴重。在開始磨損時，表面粗糙度的微觀凸峰很快被磨平，磨損量上升很快;在經過一段時間運轉之后，運動表面之間的接觸面積加大，磨損的速度就會緩慢下來。若表面光滑細密，則微觀凸峰的高度和尖銳程度都較小，所以光滑細密的表面比粗糙表面耐磨。但是表面過于光滑，不利于潤滑油的貯存，反而會使表面的摩擦系數加大，使金屬表面發熱而產生“膠合”現象［4－5］。

采用頭腦風暴法對影響已加工工件的表面粗糙度的原因從人、機、料、法、環、測(5M1E)6個方面進行了分析，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)方法進一步分析，確定主要的影響因素。根據PFMEA的分析程序，針對表面粗糙度值過大的現象確定了產品故障模式的嚴重度(S)，過程故障頻數(O)及過程故障檢測難度(D)，計算風險順序指數(RPN)數值(RPN=S×O×D)，其中切削力控制不當的RPN值最大，切削溫度不適的RPN值其次，機械設備振動過大的RPN值第3，可以得出切削力、切削溫度和機械設備振動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、進給量和切削深度等工藝參數將影響切削力，切削力和切削溫度是兩個相互關聯的因素，通常切削力越大，切削溫度也越高，同時機械設備的振動越厲害。切削速度不同，外界激勵機械加工設備振動的頻率不同，這個頻率與機械加工設備的振動固有頻率越接近，就越容易造成機械設備的振動加劇。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，設計一套切削力和切削溫度的檢測系統，試圖對切削力、切削溫度與切削加工工件的表面粗糙度值之間的關系進行研究，在切削加工過程中通過選取合適的切削速度、進給量、切削深度等工藝參數來控制切削力、切削溫度和機械設備振動，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系統設計

切削力檢測系統由壓電式三向測力儀、電荷放大器和信號記錄顯示3個環節構成;切削溫度檢測系統由傳感器、冷端補償及信號調理器和信號記錄顯示3個環節組成。檢測系統結構設計框圖如圖2所示。

2.1 切削力與切削溫度傳感器

傳統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溫傳感器等［6］。這些傳感器各有自己的特點，同時也存在不足。在總結這些經驗的基礎上，本文采用薄膜制備技術直接在刀具的前刀面上鍍制NiCr－NiSi薄膜熱電偶傳感器來測量切削溫度。NiCr－NiSi薄膜熱電偶傳感器測量溫度的動態范圍比較寬，可測量的溫度范圍是－200～1 300℃。

對于切削力的測量，選用YDC－Ⅲ10型壓電式三向測力儀。這種測力儀能夠同時輸出3路力信號，并補償了相互之間影響。壓電式測力儀響應快、靈敏度高，且便于在線實時測量。

不同類型的傳感器，信號輸出的形式與強弱也不同。NiCr－NiSi薄膜熱電偶傳感器是以電壓信號的形式輸出的，YDC－Ⅲ10型壓電式三向測力儀輸出的則是電荷信號，需要轉變為電壓信號再采集，而在采集數據之前，都需要對這兩者信號進行放大處理。

NiCr－NiSi薄膜熱電偶傳感器輸出信號需要通過研制的熱電偶冷端補償與信號調理電路進行處理。YDC－Ⅲ10型壓電式三向力測力儀的3路信號通過3臺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，具有性能穩定，操作簡單等優點。

2.2 薄膜熱電偶冷端溫度補償與信號調理電路的設計與制作

根據塞貝克效應，當熱電偶的導體兩端存在溫度差時，在回路中就會有電流通過，即有熱電動勢存在。用制備了薄膜熱電偶傳感器的切削刀頭切削工件時，切削溫度越高，產生的熱電動勢越大，通過測量熱電動勢，根據事先薄膜熱電偶的標定結果，可以得出切削溫度的高低。

但是，由于傳感器輸出信號微弱和噪聲的存在，往往無法直接測量其熱電動勢。因此，在采集信號之前，需要對信號進行處理，包括放大、濾波。

本項目設計了薄膜熱電偶冷端補償和調理電路實現對信號的處理，整個調理電路由熱電偶冷端補償，放大電路，低通濾波和陷波3個模塊組成。

2.2.1 放大電路模塊設計

放大電路選用芯片LM358。芯片內部有2個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，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)內部頻率補償;

(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，單級理論放大系數為

2.2.2 冷端補償模塊設計

在標定熱電偶時，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差就會減小，導致測量不準［7］。因此，需要對熱電偶的冷端進行補償。采用集成溫度傳感器AD590進行冷端動態溫度補償。

2.2.3 低通和陷波模塊設計

測試現場存在大量的干擾信號，為了減小這些噪聲信號對測試結果的影響，就要求設計合理的濾波和陷波電路來對干擾的信號進行過濾處理。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。

根據電路原理圖，采用protel設計PCB板，制作的LC－1型薄膜熱電偶冷端補償與信號調理器實物圖如圖5所示。

2.3 信號采集、顯示與分析

經過放大和信號調理后的三向切削力和切削溫度信號，用凌華高速數據采集卡采集，并送入計算機，采用VC++技術編制簡潔友好的人機界面來實現對切削力和切削溫度信號的實時采集、顯示與分析。

2.3.1 硬件設計

本文采用凌華PCI－9118HG數據采集卡。PCI－9118系列是功能強大的高速多功能PCI總線數據采集卡，可用于高速、無間隔的數據采集。卡上的1 024個FIFO單元保證了在Windows操作系統下高速數據采集能力。PCI－9118HG支持DMA方式保證實時信號的不間斷采集與儲存，提供16路單端或8路差動模擬輸入通道，2路D/A輸出通道。

2.3.2 軟件設計

測試軟件設計是整個采集系統的重要組成部分，主要應用VC++編程技術，編制友好簡潔的人機界面，實現人機通訊。測試系統設計時進行模塊劃分，確定每個模塊的功能、接口及模塊間的調用關系。每個模塊都可以進行獨立的開發與測試，將這些模塊組合起來就成了一個完整的軟件系統。整個軟件系統包括數據采集模塊、數據分析處理模塊和數據存儲模塊。軟件系統框架圖如圖6所示。

3 結語

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系做了些基礎性工作，并得出了以下結論:

(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、切削溫度和機械加工設備振動;

(2)將薄膜熱電偶測溫技術引入切削溫度檢測，并設計了一套完整的切削力和切削溫度檢測系統;

(3)編制的檢測系統軟件人機交互作用強，操作簡單，使用方便。

［1］韓壽權.淺談機械加工中表面質量控制［J］.中國新技術新產品，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量因素分析［J］.機械與電子，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.淺談影響機械零件表面質量的因數及相應的改善方案［J］.科技縱橫，2010(1):165 －167.

［6］強錫富.傳感器［M］.北京:機械工業出版社，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.