基于聲發(fā)射技術(shù)的KDP晶體表面波紋度在線監(jiān)測(cè)研究*

(①北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；②北京工研精機(jī)股份有限公司，北京 101312)

KDP(potassium dihydrogen phosphate，簡(jiǎn)稱KH2PO4)晶體是20世紀(jì)40年代發(fā)現(xiàn)的一種性能優(yōu)良的非線性光學(xué)材料。由于同時(shí)具有較大的非線性光學(xué)系數(shù)、較寬的透光波段、較高的激光損傷閾值、優(yōu)良的光學(xué)均勻性和易于生長(zhǎng)大尺寸單晶體的5大優(yōu)點(diǎn)，所以KDP晶體是唯一能被用作激光變頻器、電光調(diào)制器和光電快速開關(guān)等現(xiàn)代高科技領(lǐng)域元件的光學(xué)晶體材料[1-3]。

聲發(fā)射(acoustic emission，簡(jiǎn)稱AE)也稱應(yīng)力波發(fā)射，是指材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出的瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象[4]。借助聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)采集、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)并對(duì)聲發(fā)射源的性質(zhì)進(jìn)行評(píng)定的技術(shù)被稱為聲發(fā)射技術(shù)。聲發(fā)射技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線無損檢測(cè)，且具有較高的靈敏度。

本文利用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)KDP晶體表面波紋度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，分析研究KDP晶體飛刀切削加工時(shí)表面波紋度與聲發(fā)射信號(hào)特征之間的規(guī)律，建立KDP晶體表面波紋度與聲發(fā)射信號(hào)特征值之間的映射關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)KDP晶體飛刀切削時(shí)工件表面波紋度的在線準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

1 聲發(fā)射技術(shù)的原理

聲發(fā)射技術(shù)原理如圖1所示，外部條件的作用使聲發(fā)射源發(fā)射彈性波并傳播到達(dá)材料的表面，而材料表面安裝有高靈敏度的壓電傳感器，傳感器將這些彈性波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后再被放大、處理和記錄，通過對(duì)采集到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析與推斷，以實(shí)現(xiàn)材料的缺陷檢測(cè)和構(gòu)件的損傷分析等研究。

2 聲發(fā)射信號(hào)的采集實(shí)驗(yàn)

為了成功建立KDP晶體表面波紋度與AE信號(hào)特征之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)KDP晶體飛刀切削加工過程中表面波紋度的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，本文對(duì)KDP晶體飛刀切削過程中AE信號(hào)的采集進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)。通過不同工藝參數(shù)組合的設(shè)計(jì)獲得了大量與之對(duì)應(yīng)的不同AE信號(hào)和表面波紋度值，為最終實(shí)現(xiàn)表面波紋度在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)(狀態(tài)識(shí)別)提供了豐富而又具有代表性的數(shù)據(jù)樣本。

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)的切削參數(shù)組合為L(zhǎng)16(45)的正交試驗(yàn)，包括刀具圓弧半徑r、刀具前角γ、背吃刀量ap、進(jìn)給量f和主軸轉(zhuǎn)速n的五因素正交試驗(yàn)，根據(jù)前期試驗(yàn)效果，將5個(gè)因素分別分為4個(gè)水平來進(jìn)行試驗(yàn)探究。正交試驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

2.2 聲發(fā)射信號(hào)的后期處理

傳感器獲取并存儲(chǔ)的信號(hào)數(shù)量很大而有用的信息量卻很小，不能直接用來與KDP晶體表面波紋度建立映射關(guān)系。然而，通過對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行變換處理并提取出能夠反映KDP晶體表面波紋度值的特征信號(hào)，便可達(dá)到上述目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)KDP晶體表面波紋度的可靠監(jiān)測(cè)。為了獲取AE 信號(hào)的監(jiān)測(cè)特征，本文采用參數(shù)和波形兩種分析方法對(duì)所采集到的信號(hào)進(jìn)行處理與分析。按KDP晶體表面波紋度值由小到大的順序?qū)Ρ?進(jìn)行重新編排，并將表面波紋度指標(biāo)分為好、較好、較差和差4個(gè)等級(jí)，具體見表2。

表1 正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果

表2 KDP晶體切削試驗(yàn)安排及結(jié)果

在KDP晶體飛刀切削加工過程中，刀具圓弧半徑、進(jìn)給量、背吃刀量等工藝參數(shù)和飛刀切入切出KDP晶體等條件的變化都將導(dǎo)致傳感器接收信號(hào)發(fā)生變化，這些突變信號(hào)的某些突變參數(shù)如幅值就是所需要提取的信號(hào)特征值，而工藝參數(shù)的改變又將導(dǎo)致工件表面波紋度的變化，因此便于在工件表面波紋度值與聲發(fā)射信號(hào)特征值之間建立某種映射關(guān)系。圖2為單點(diǎn)銑刀切入KDP晶體時(shí)聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域波形。由圖可以看出，隨著單點(diǎn)銑刀的切入，聲發(fā)射信號(hào)的幅值明顯增大。

針對(duì)表2所安排的試驗(yàn)獲得16組聲發(fā)射信號(hào)，分析其均值、均方值、方差和能量等時(shí)域統(tǒng)計(jì)特征值，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 聲發(fā)射信號(hào)時(shí)域特征參數(shù)

圖3為KDP晶體飛刀切削加工時(shí)工件表面波紋度與聲發(fā)射信號(hào)特征量之間的映射關(guān)系。

3 結(jié)語

本文以KDP晶體材料為研究對(duì)象，搭建了聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)不同工藝參數(shù)下的KDP晶體飛刀切削實(shí)驗(yàn)進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)采集，并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，建立了KDP晶體表面波紋度與聲發(fā)射信號(hào)特征值之間的映射關(guān)系，得到以下結(jié)論：

(3)利用KDP晶體表面波紋度與聲發(fā)射信號(hào)特征值之間的映射關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)KDP晶體飛刀切削時(shí)工件表面波紋度的在線監(jiān)測(cè)。

[1]Du Xiangwan. Factors influencing key characteristic quantity of high energy laser system[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2010, 22(5): 945-947.

[2]謝英明, 李新政, 鄭濱，等. KDP(KH2PO4)晶體材料的研究進(jìn)展[J]. 河北工業(yè)科技， 2006, 23(6): 377-380.

[3]孫希威, 張飛虎, 董申. 單點(diǎn)金剛石銑削KDP晶體實(shí)驗(yàn)研究[J]. 航空精密制造技術(shù)， 2006, 42(4): 18-20.

[4]Lars Lading, Malcolm McGugan, Peder Sendrup, et al. Fundamentals for Remote Structural Health Monitoring of Wind Turbine Blades-a Preproject[R].Denmark: Forskningscenter, 2002.