固體聲在砂輪磨削及修整中的應(yīng)用

鄒黎 黃遠(yuǎn)

摘 要：文章敘述了固體聲的工作原理及應(yīng)用。利用固體聲實時監(jiān)控檢測CBN砂輪磨削狀態(tài)，做到砂輪空行程、防碰撞、在線磨削質(zhì)量監(jiān)控。利用固體聲實現(xiàn)砂輪高效精密修整，并反饋修整質(zhì)量圖形。并結(jié)合生產(chǎn)，給出了常見質(zhì)量異常圖形，為持續(xù)高品質(zhì)及自動化生產(chǎn)提供了寶貴經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：固體聲；CBN砂輪；砂輪修整；砂輪磨削

中圖分類號：U466 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）12-121-03

Abstract： This paper describes the working principle and application of solid acoustic emission. The grinding state of CBN grindwheel is always monitored by solid acoustic emission， and it can realize the function of grindwheel air travel， collision prevention and online grinding quality. The solid acoustic emission is used to achieve high efficiency and precision dressing of grindwheel， and feedback the quality graphics. Combined with the production， the common quality abnormal graphics are given， which provides valuable experience for continuous high quality and automatic production.

Keywords： AE（solid acoustic emission）； CBN Wheel； Grindwheel Grinding； Grindwheel Dressing

CLC NO.： U466 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-121-03

1 固體聲定義及原理

1.1 簡述

機(jī)器在運(yùn)行中，各種載荷及外力都將激勵機(jī)器產(chǎn)生振動和噪聲，故振動和噪聲都是反映機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)的重要物理量。激勵源的信息是通過三種主要途徑傳遞， 即：振動、空氣中的輻射聲、構(gòu)件中的固體聲。從對人體的作用來說， 振動給人以身體的感受，而噪聲則是人耳聽力上的感受；從動力媒介上看， 振動是通過固體傳播的，而噪聲則是借助空氣傳播的。機(jī)械振動派生噪聲有幾種途徑：由振動著的機(jī)器本體、管路等直接對外放射噪聲，這是空氣噪聲的主要來源；機(jī)器的振動由聯(lián)接的基體、結(jié)構(gòu)等在固體中以彈性波形式傳播，并且由結(jié)構(gòu)表面向外輻射結(jié)構(gòu)噪聲，此即一次固體聲；空氣噪聲以壓力波形式再次激發(fā)結(jié)構(gòu)，使其振動，同時再由結(jié)構(gòu)表面向外輻射結(jié)構(gòu)噪聲，此乃二次固聲。一次固體聲與二次固體聲，也可統(tǒng)稱二次噪聲。

1.2 固體聲定義

我們常說的固體聲是一種聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡稱AE）現(xiàn)象，是指固體材料或構(gòu)件，在外力（或內(nèi)力）作用下，產(chǎn)生彈性和塑性變形、開裂、相變、及磁效應(yīng)等動態(tài)過程中，伴隨著以應(yīng)力波形式快速釋放能量的物理現(xiàn)象。所以也稱為應(yīng)力波發(fā)射（Stress Wave Emission）。聲發(fā)射技術(shù)作為一種新興的動態(tài)監(jiān)控手段，自20世紀(jì)六十年代中期在美國開始引入對火箭固體發(fā)動機(jī)殼體和原子能反應(yīng)堆管道的故障監(jiān)控以來，已表現(xiàn)出該項技術(shù)明顯的優(yōu)勢，引起了各國專家的極大興趣。

1.3 固體聲作用原理

聲是振動能量傳播，只要傳感器能感受聲波傳輸能量，就能拾得聲信息。目前，固體聲檢測原理有：壓強(qiáng)原理、壓差原理、壓強(qiáng)與壓差復(fù)合原理、多聲道干涉原理。

2 固體聲在砂輪磨削加工中的應(yīng)用

2.1 固體聲AE傳感器的選型與安裝

固體聲AE傳感器一般有4種安裝方式：

第一種為S型傳感器（如圖1），由單一部件組成，AE信號通過傳感器底部接收。該傳感器一般安裝在尾架靠近工件軸端、頭架靠近主軸端、砂輪架靠近砂輪端。

第二種為M型傳感器（如圖2），其由兩部分組成，一個安裝在主軸的表面或主軸內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)部分，另一個固定不動、用來接收AE信號但是不和旋轉(zhuǎn)部分接觸。

第三種為R型傳感器（如圖3），由單一部件組成的環(huán)形傳感器，一般安裝在修整裝置的主軸或法蘭（尤其是用來監(jiān)控接觸修整時）、砂輪主軸、工件主軸。

第四種為ID傳感器（如圖4），即主軸內(nèi)部AE傳感器，由3部分組成：螺旋電纜、發(fā)射器、接收器。該種傳感器可根據(jù)客戶需求定制，安裝在主軸內(nèi)部，節(jié)約安裝空間，應(yīng)用最廣泛。

2.2 固體聲AE傳感器在砂輪磨削中的采樣頻率選擇

固體聲有較寬的分布頻域（從聲頻到數(shù)十兆赫），目前用于監(jiān)控的頻域主要在1O kHz至1 MHz之間，這就可排除生產(chǎn)現(xiàn)場很多噪聲的干擾，提高信號的信噪比。如圖5所示，不同信號濾波可得到不同的電壓包絡(luò)圖形。

按照試驗所得，砂輪磨削加工時可按以下頻率選擇：

Low：頻率范圍從35 kHz到50 kHz，例如在主軸箱（軸承會削弱高頻率AE信號）使用S型傳感器來完成AE測量；

Medium-low：頻率范圍從70 kHz到100 kHz，例如在主軸內(nèi)部使用ID型傳感器來完成AE測量；

Medium-high：頻率范圍從250 kHz到350 kHz，例如在主軸或法蘭上使用R型或M型傳感器來完成AE測量。

2.3 典型磨削圖形分析

固體聲AE傳感器可實時監(jiān)控磨削圖形，以電壓包絡(luò)圖形式反饋，我們可按照經(jīng)驗觀察分析圖形，有利于解決加工質(zhì)量（見圖6、圖7）及節(jié)拍問題（見圖8、圖9）。

3 固體聲在砂輪修整中的應(yīng)用

CBN砂輪是以CBN（立方氮化硼）磨料為原料，分別用金屬粉、樹脂粉、陶瓷和電鍍金屬作結(jié)合劑，制成各種形狀的制品，用于磨削、拋光、研磨等。CBN砂輪結(jié)構(gòu)一般由工作層、基體、過渡層三部分組成。工作層又稱CBN層，由磨料、結(jié)合劑和填料組成，是砂輪的工作部分。過渡層又稱非CBN層，由結(jié)合劑、金屬粉和填料組成，是將CBN層牢固地連接在基體上的部分?；w是由鋁、鋼或電木加工而成，起支承工作層和裝卡砂輪的作用。

如圖10所示，砂輪修整一般分為快速啟動、首次接觸循環(huán)、正常修整循環(huán)、最終修整循環(huán)四個階段：

①快速啟動：啟動砂輪修整程序后，砂輪會快速運(yùn)動到預(yù)先設(shè)定的安全修整位置（約0.2mm），若中途檢測到碰撞信號，則返回原位。

②首次接觸循環(huán)：機(jī)床會以每個循環(huán)進(jìn)給0.004mm的速度緩慢接近修整輪，直到檢測到首次接觸AE信號。

③正常修整循環(huán)：砂輪以0.004mm的進(jìn)給完成整個表面的修整，修整過程中可根據(jù)NC程序調(diào)整砂輪錐度、腰鼓度，AE信號全程監(jiān)控，確保不超過設(shè)定值。

④最終修整循環(huán)：機(jī)床按照每次修整總量完成砂輪修整，

終上所述，使用固體聲可以高效完美實時監(jiān)控砂輪修整過程，做到防碰撞監(jiān)控，修整質(zhì)量報警，提高修整效率，提高生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語

利用不同的固體聲傳感器類型，以及選擇不同的固體聲采樣頻率，可有效實現(xiàn)砂輪磨削及修整的在線監(jiān)控及故障報警，從而為高效自動化生產(chǎn)提供幫助。

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