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附錄 1 利用三坐標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機械工程學院 【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、海岸浮標及救生圈 ,和小型船只等。因為泡沫材料的使用大大關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)質的表面加工質量，有必要確定聚苯乙烯的表面形態(tài)。當前，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測量儀確定聚苯乙烯表面形態(tài)。 【關鍵字】 聚苯乙烯 表面形態(tài) 熱切割絲 1． 簡介 當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。⑴泡沫材料被如此廣泛地應用，總的來說可以概括為以下幾點原因： ① 泡沫材料經濟實用； ② 泡沫材料適合于室內和戶外使用； ③ 泡沫材料能被涂上一層各種不同的材料以達到任何設計的光潔度； ④ 泡沫材料質量輕，運輸安裝方便。 泡沫材料的是生產可以用各種不同的技術方法得以實現(xiàn)。生產連續(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不同特性的泡沫材料。振動式切片法主要用于生產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雜幾何形體的柔性泡沫材料。當前，著兩種加工技術只作為人工的或半自動生產生產方式。⑵ 2. 三坐標測量儀（ 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)這項研究的坐標測量儀進行一些說明。一臺三坐標測量儀 (以下簡寫為 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，探針就相當于手指，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系都是對立的，而這個坐標系描述了測量儀的運動情況。 通常有兩種類型的坐標系，第一個叫做機器坐標系，它的 X， Y， Z 軸分別表示 二個叫做工件坐標系，它上面的三軸對應于工件的基準。一個基準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。 過測量 一個工件坐標來確定兩個特定部位的距離。它也能被用來確定質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 列坐標測量儀 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 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致新的斜面或坑洞的產生，因此在這個實驗中使用了一個直徑為 紅寶石傳輸元件。（如圖 較大尺寸的元件相對就會減少導致聚苯乙烯表面產生斜面或坑洞的可能性。所以用直徑用 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 d） 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常與其它表面相關。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 (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和等級。 假如表面粗糙度需要遵循一個書面的標準，那很少有這樣的書面標準可以參考。最常用的就是 1961 年英國標準學會 版的 前機械工業(yè)中常用的另一個標準就是 1984 年頒布的國際標準體系第一版第 12— 15 頁中的 量標準基于掃描一機械實體表面后得到的外形輪廓。要得到一個經仔細評價的粗糙度標準，就要涉及到 織出版的國家標準。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 國國家標準與技術研究所和法國 d’家實驗室。 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生。有 一種恰當?shù)臏y量方法就是運用光學技術，然而由于運用光學技術只仔細關注局部位置，如試樣表面那些比較陡的斜坡，就像動力學只關注結構一樣，會使反饋失真。其它一些光學技術遇到的問題是當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 原因。 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。測試的結果如圖2 所示。我們可以注意到，坡越陡 取數(shù)據(jù)后繪制的線越長。 在這項研究中，設計了一臺用線切割技術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。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 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 300 300 50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、 鎳鉻鐵彈簧絲 [5]。選擇使用 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 [6][7]。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/每次切割后，聚苯乙烯工件的表面就用 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 行 10到 200 次測量試驗以調整測量用的測點。調整測點的測試次數(shù)越多，本次測量時間就越長。試驗結果表明，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 。 實驗中聚苯乙烯的表面形態(tài)用 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 10小塊，然后， 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/行切割，材料形成的表面形態(tài)數(shù)值為 單位。最好的表面形態(tài)值應該接近 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/給進速度大于 200mm/，切割絲容易滑動和彎曲，這會影響到切割的質量，進而影響到聚苯乙烯的表面形態(tài)。圖 4 比較了三種材料切割絲在 100℃時切割表現(xiàn)。 圖 2 用 量結果 輸出樣本 最好的表面形態(tài)質量是用英科耐爾合金材料 (割絲在 100℃和 200mm/進速度是形成的。這時的表面形態(tài)值僅為 單位。我們注意到，英科耐爾合金材料(割絲在給進速度為 500mm/仍然可以進行工作，但這時形成的工件表面形態(tài)質量是很差的。 圖 3 直徑為 鎳鉻合金切割絲在不同給進速度下切割后的表面形態(tài)比較 圖 4 在 100℃下不同給進速度切割后的表面形態(tài)比較 圖 5 顯示了三種切割絲在 200℃時的切割表現(xiàn)。在這個溫度下，英科耐爾合金材(割絲和鎳鉻鐵彈簧絲在給進速度為 500mm/也仍然可以繼續(xù)工作。最好的表面形態(tài)質量是 給進速度為 300mm/形成的。但是，只有鎳鉻鐵彈簧絲在各種不同給進速度下進行切割時所形成的表面形態(tài)值保持在 單位以下。 圖 5 在 200℃下不同給進速度切割后的表面形態(tài)比較 前面已經提到，之所以選擇英科耐爾合金材 (鎳鉻鐵彈簧絲是由于它們在100、 200 和 300℃溫度下進行切割作業(yè)后仍能保持原來的形狀。選擇鎳鉻合金切割絲是因為它是切割聚苯乙烯材 料最常用的切割絲。保持切割絲的形狀不變是一個非常重要的性能指標，因為切割絲的彎曲變形直接影響到切割聚苯乙烯后形成的表面形態(tài)質量。 圖 6 比較了實驗中用到的三種切割絲對應的彈性率。假設檢測前切割絲被做成環(huán)狀，就像一個彈簧，彈性率的計算公式如下： 438 其中 R— 彈性率 G— 剪切模數(shù) d— 切割絲直徑 n— 線圈數(shù) D— 線圈直徑平均值 它的單位是力每偏差單位（或力每毫米）。彈性率實際上分散 了偏差所要求產生的力 [8]。下面這個圖表比較了三種材料切割絲的彈性率。我們從圖中不難看出，彈性率越高，恢復形狀的能力越大。圖 6 表明， 選擇鎳鉻合金切割絲彈性率最大，因此這種切割絲能夠保持自己原來的形狀。 圖 6 直徑為 1 毫米切割絲在不同線圈直徑下的彈性率比較 然而，基于這些實驗，切割工件后產生的最好表面形態(tài)的是用英科耐爾合金材料(割絲在 200℃下用 300mm/給進速度切割時形成的。英科耐爾合金材料(割絲能夠在 500mm/給進速度切割工件，但產生的工件表面形 態(tài)質量很糟糕。 一個更加連續(xù)的表面形態(tài)可以有鎳鉻鐵彈簧絲切切割后形成。用鎳鉻鐵彈簧絲在 200℃下用 200mm/給進速度進行切割所形成的表面形態(tài)質量最好。鎳鉻鐵彈簧絲也能在接近500mm/進速度下工作，而且可以得到一個有趣的結果，就是用鎳鉻鐵彈簧絲切割工件時，在所有不同的給進速度下產生的表面形態(tài)值都在 單位以下。用不同給進速度進行切割能夠形成連續(xù)的表面是它的一個優(yōu)點，因為這樣就提供了一個安全切割環(huán)境，同時能夠避免產生切割錯誤的發(fā)生。所有以上材料的切割絲均能在 300℃的溫度下工作并表現(xiàn)出良 好的切割性能。 像聚苯乙烯這樣的柔性材料的表面形態(tài)能夠用 設置 20 個檢測點的條件下確定。最好的連續(xù)表面形態(tài)能夠用鎳鉻鐵彈簧絲切割工件達到，其次是英科耐爾合金材料 (割絲。最適合的切割條件是在 200℃溫度下，用 200mm/給進速度。如之前提到的，沒有現(xiàn)行的研究來制造用于切割泡沫材料工件的快速成型機。這項研究的第一步就是在不同的溫度和給進速度條件下，被不同材料的切割絲切割后再通過 定聚苯乙烯的表面形態(tài)。根據(jù)實驗第一步的結果，切割聚苯乙烯快速成型機應該用鎳鉻鐵彈簧絲作 為刀具。 附錄 2 of as a of in in of of to in in be or of of of it is to of to is an to a of is to of of a of at he be in as as in 1]. be as 1. is 2. is or 3. be to 4. is of to is by of to in as on in be is by to by to is is of is or in a 2]. 2 it is to of a as a in of A of a to on a is to a . to a as a . or a on on is to s of of is , Y to s is to of A is a of a on a It be a a or a A a to to It be to or on a of a as MM in is 1a)by a or an to to of in 4.0 in in a in As is a or 1b). A on of in to c d). 3 t is or of to do to at is be in By of of be （ d） 1 (a) MM in (b) of as a (c) of (d) in t is to is a le of a on as or on is be 3]. is as an or on 4]. to to or of If to a a to is S 1134, 1961. is in to is 287, —1st 1984, 12–15. on a le by a a of 287 on SO be by in in d’4 of of as or A of is by be on in of as to at by is MM MM of a to be in of as 2. MM 5 n a is to in a of to a is a in to at a to of it A is to to a of of in 00, 200 00 8C of is to of of a of is by of 0000mm 0be as 5]. to to to 6, 7]. as it is of at 00 00mm/of MM 0 A to on of 0 00 of in to 0 00 in 0 6 he of of 0mm MM 0 on of a at a 00℃ a 00mm/a be 00℃ 00mm/be up to a 00mm/At a to 3 4 at a 00℃ of of of in at a 00 8C. at a 00 8C a 00mm/to at up 00mm/at of at a 00 8C. At to up to a 00mm/at a 00mm/a of .0 at 7 s to to at 00, 200 00 8C. as it is a a of of of in a to a = ———— 8 = = d =n =of =ts is of or by to 8]. 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