外文翻譯--利用三坐標(biāo)測量儀確定聚苯乙烯材料表面形態(tài).doc

附錄1利用三坐標(biāo)測量儀確定聚苯乙烯材料表面形態(tài)D艾奇遜R蘇萊曼新西蘭克賴斯特徹奇坎特伯雷大學(xué)機械工程學(xué)院【摘要】由于泡沫材料的用途廣泛，全世界材料市場對它的需求量迅速上升。泡沫材料被廣泛應(yīng)用與汽車工業(yè)、食品包裝工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、運動器械、家庭用具、海岸浮標(biāo)及救生圈,和小型船只等。因為泡沫材料的使用大大關(guān)系到人們的日常生活，所以有必要通過改變切割和加工的速度使它形成各種不同的形狀。這種利用計算機輔助切割機床或全自動切割機才能達到。但是，切割的速度將會影響到材料加工后的表面粗糙度。所以，為達到優(yōu)質(zhì)的表面加工質(zhì)量，有必要確定聚苯乙烯的表面形態(tài)。當(dāng)前，人們正在研究制造一臺用于這種泡沫材料的快速原型制造設(shè)備，研究的第一階段就是在不同種類的金屬切割絲在不同的溫度下用不同的進給量切削后利用坐標(biāo)測量儀確定聚苯乙烯表面形態(tài)?！娟P(guān)鍵字】聚苯乙烯表面形態(tài)熱切割絲1簡介當(dāng)今世界材料市場對泡沫材料的需求量正迅速上升。泡沫材料可分成兩大類，即柔性泡沫和剛性泡沫。柔性泡沫材料主要用于家具，運輸工具、床墊、地毯、包裝、玩具、運動器材和鞋子等，同時也被用于實現(xiàn)共振和吸音。剛性泡沫材料經(jīng)常被用于建筑行業(yè)、絕緣隔離裝置、管道、罐子、浮漂和裝食物和飲料的容器等。泡沫材料被如此廣泛地應(yīng)用，總的來說可以概括為以下幾點原因：泡沫材料經(jīng)濟實用；泡沫材料適合于室內(nèi)和戶外使用；泡沫材料能被涂上一層各種不同的材料以達到任何設(shè)計的光潔度；泡沫材料質(zhì)量輕，運輸安裝方便。泡沫材料的是生產(chǎn)可以用各種不同的技術(shù)方法得以實現(xiàn)。生產(chǎn)連續(xù)泡沫板材的最常用方法是通過注入包括二甲苯異氰酸鹽、聚醚多元醇等石油化工藥劑和水的混合原料，這些原料可以被用來進行再生和再加工。不同的添加劑混合在一起以達到專門的特性。如顏色、活化吸收功能、作用于紫外線及其它一些特性。這種方法生產(chǎn)的泡沫此時仍然處于原始狀態(tài)，接下的工作就是要把這些混合物加工成不同的形狀和尺寸的材料。通常有切削的方法就能達到。切削泡沫材料有兩種主要的方法，即發(fā)熱切割絲切割和振動式切片法。兩者分別適合于生產(chǎn)不同特性的泡沫材料。振動式切片法主要用于生產(chǎn)具有簡單幾何形狀的剛性泡沫，而發(fā)熱切割絲切割法適用于加工復(fù)雜幾何形體的柔性泡沫材料。當(dāng)前，著兩種加工技術(shù)只作為人工的或半自動生產(chǎn)生產(chǎn)方式。2.三坐標(biāo)測量儀（CMM）在做進一步討論之前,有必要對作為一種工具被用于確定聚苯乙烯表面形態(tài)這項研究的坐標(biāo)測量儀進行一些說明。一臺三坐標(biāo)測量儀(以下簡寫為CMM)具有一個測量工件上各點的探針。這就像用手指去丈量地圖上的坐標(biāo)，探針就相當(dāng)于手指，在工件表面觸碰或觸摸一定的區(qū)域。工件上的每一個點對于儀器的坐標(biāo)系都是對立的，而這個坐標(biāo)系描述了測量儀的運動情況。通常有兩種類型的坐標(biāo)系，第一個叫做機器坐標(biāo)系，它的X，Y，Z軸分別表示CMM探針的移動方向，第二個叫做工件坐標(biāo)系，它上面的三軸對應(yīng)于工件的基準(zhǔn)。一個基準(zhǔn)確定工件上的一個特定部位的位置。這個部位可以是一個孔，一個面或是一個槽。CMM通過測量一個工件坐標(biāo)來確定兩個特定部位的距離。它也能被用來確定質(zhì)地較軟的物體的表面形態(tài)或表面粗糙度，比如聚苯乙烯。以下實驗中使用的CMM是Discovery系列坐標(biāo)測量儀ModelD-12(如圖1a)。機器利用一個固體探針或電子探測頭觸摸被測試件的表面來收集數(shù)據(jù)。這個實驗使用了電子探測頭。由于該探測頭在工作時頭部的微小側(cè)滑將會影響到數(shù)據(jù)的正確讀取，所以它工作時必須與被測工件表面保持垂直正交以獲得最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。在筆者的實驗室里可使用的探測頭頭部接觸信號傳輸元件直徑有1.0、2.0、3.0、4.0和5.0mm五種。由于聚苯乙烯比較軟，更小尺寸的接觸信號傳輸元件在觸摸工件表面時可能會導(dǎo)致新的斜面或坑洞的產(chǎn)生，因此在這個實驗中使用了一個直徑為3.0mm的紅寶石傳輸元件。（如圖b1）。較大尺寸的元件相對就會減少導(dǎo)致聚苯乙烯表面產(chǎn)生斜面或坑洞的可能性。所以用直徑用3.0mm的傳輸元件可以避免上述現(xiàn)象的發(fā)生而減少數(shù)據(jù)讀取誤差。（如圖c1和d）3.表面形態(tài)表面形態(tài)或者表面粗糙度包括表面刮擦痕跡和碎片痕跡，這種認識被普遍接受。這些痕跡彼此分開但相對緊密地排列，這使得他們很難被測量到。究竟為什么工程師們要不怕麻煩地去測量表面粗糙度呢？主要原因是被測的表面經(jīng)常與其它表面相關(guān)。通過了解工件表面的形態(tài)，接觸位置的狀態(tài)和相接觸的各種部件的表現(xiàn)都被控制了。(d)圖1(a)本次實驗使用的CMM；(b)在顯微鏡下觀測到的聚苯乙烯表(c)典型探針直徑；(d)本次實驗中用的探針區(qū)分表面形態(tài)和表面粗糙度的不同是很有必要的。表面形態(tài)是柔性材料表面的幾何屬性，如聚苯乙烯或海綿。要測量柔性材料表面粗糙度是一項非常困難和具有挑戰(zhàn)性的工作，但最終也能做到。3。表面粗糙度更多地被認為是一種無規(guī)則或者凹凸不平的表面狀態(tài)，通常是在堅硬的材料表面進行測量4。這樣定義它們有利于開發(fā)和鑒定測量工件硬度的技術(shù)和等級。假如表面粗糙度需要遵循一個書面的標(biāo)準(zhǔn)，那很少有這樣的書面標(biāo)準(zhǔn)可以參考。最常用的就是1961年英國標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會BS1134出版的Centre-lineAverageHeightMethodforAssessmentofSurfaceTexture。當(dāng)前機械工業(yè)中常用的另一個標(biāo)準(zhǔn)就是1984年頒布的國際標(biāo)準(zhǔn)體系第一版第1215頁中的SurfaceRoughness-Terminology-Part1-surfaceandItsParameters。測量標(biāo)準(zhǔn)基于掃描一機械實體表面后得到的外形輪廓。要得到一個經(jīng)仔細評價的粗糙度標(biāo)準(zhǔn)，就要涉及到ISO組織出版的國家標(biāo)準(zhǔn)。后者可以與國家參考實驗室聯(lián)系查閱到。這些實驗室有英聯(lián)邦國家物理實驗室，德國PhysikalisheTechnisheBundesabstalt，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所和法國dEssais國家實驗室。4.柔性材料表面形態(tài)涉及到測量柔性材料諸如聚苯乙烯及其它泡沫材料的表面粗糙度時往往問題就會產(chǎn)生。有一種恰當(dāng)?shù)臏y量方法就是運用光學(xué)技術(shù)，然而由于運用光學(xué)技術(shù)只仔細關(guān)注局部位置，如試樣表面那些比較陡的斜坡，就像動力學(xué)只關(guān)注結(jié)構(gòu)一樣，會使反饋失真。其它一些光學(xué)技術(shù)遇到的問題是當(dāng)掃描到較陡的斜破時沒有足夠的光反射回探測系統(tǒng)。這就是此項研究要使用CMM的原因。CMM之所以能測量聚苯乙烯表面形態(tài)是因為聚苯乙烯表面有陡的斜坡。用顯微鏡觀測后發(fā)現(xiàn)這些陡坡的形狀非常有規(guī)律。測試的結(jié)果如圖2所示。我們可以注意到，坡越陡CMM讀取數(shù)據(jù)后繪制的線越長。5.實驗技術(shù)在這項研究中，設(shè)計了一臺用線切割技術(shù)切割聚苯乙烯的簡單機器。這臺機器在一維空間上切割聚苯乙烯材料，即水平方向向工件輸送熱切割絲。用熱絲切割泡沫材料尤其是聚苯乙烯的方法很常用。熱切割絲的兩端與一個電源相連，當(dāng)切割絲兩端的溫度不一致時熱量就會沿著切割絲傳遞。熱量按照一定的溫度梯度沿切割絲從溫度高的部位傳遞到溫度低的部位，這樣來實現(xiàn)熱的傳導(dǎo)。熱切割絲的一頭與一個熱電偶相連，用來讀取切割絲的溫度。我們通過控制熱切割絲兩端的電壓和流過切割絲上的電流就能夠控制切割絲的溫度了。是實驗中用到的溫度為100、200和300。這個實驗的目的就是要通過用CMM測量用不同材料的切割絲，不同的溫度和不同的切割絲給進速度來呈現(xiàn)聚苯乙烯的各種表面形態(tài)。它的表面形態(tài)的變化取決于熱線切割機的切割絲材料、溫度和切割絲的給進速度。被測試的材料工件是長度為300mm，寬300mm，厚50mm的聚苯乙烯。之所以選擇這樣的尺寸是因為在進行檢測時方便抓握。用于切割的切割線有鎳鉻合金切割絲、Inconel和鎳鉻鐵彈簧絲5。選擇使用Inconel和鎳鉻鐵彈簧絲是由于它們在被用于高溫切割后有保持形狀的能力67。而選擇鎳鉻合金切割絲是因為它是切割聚苯乙烯時最常用的切割絲。聚苯乙烯在不同的溫度下，不同的切割絲給進速度和不同類型的切割絲被切割。切割時的給進速度范圍從100到500mm/min。在每次切割后，聚苯乙烯工件的表面就用CMM測量上面的20個測點。在這個實驗開始之前，我們測試了大量的測量用接觸點。用CMM進行10到200次測量試驗以調(diào)整測量用的測點。調(diào)整測點的測試次數(shù)越多，本次測量時間就越長。試驗結(jié)果表明，測試次數(shù)為20和200次的情況非常相似，所以在本次測量中選擇了20個測點。6.結(jié)果實驗中聚苯乙烯的表面形態(tài)用CMM直接計算和記錄下來。用不同的切割線，溫度和切割給進速度，聚苯乙烯材料被切割成厚度為10mm的小塊，然后，CMM就分別在這些小塊表面檢測20個點。圖3顯示了用鎳鉻合金切割絲在100，給進速度為100mm/min進行切割，材料形成的表面形態(tài)數(shù)值為0.551個單位。最好的表面形態(tài)值應(yīng)該接近0。圖3同時顯示出用鎳鉻合金切割絲切割聚苯乙烯材料時最適合的切割溫度為200，最適合的給進速度為200mm/min。當(dāng)給進速度大于200mm/min時，切割絲容易滑動和彎曲，這會影響到切割的質(zhì)量，