金剛石砂輪與氧化鋯磨削接觸的聲發射監測?

郭 力 郭君濤 霍可可

(湖南大學機械與運載工程學院，湖南長沙410082)

工程陶瓷以其優越的性能在國防、航空航天等領域得到了非常廣泛應用。然而工程陶瓷是硬脆難加工材料，為了保證其延性域磨削，正確確定金剛石砂輪與陶瓷工件的磨削接觸非常重要。聲發射(acoustic emission，AE)技術是磨削加工監測最好的技術之一。

文獻[1］的研究表明，AE信號會在砂輪與工件相距5 μm以內時較空載時有明顯的升高，這可以作為砂輪由快進變為工進的標志信號；信號的幅值在砂輪與工件接觸時有一個更大的提高，可作為精密磨削加工對刀的信號。文獻[2］通過比較Cr12鋼粗修砂輪時信號AE的RMS值與特定閾值比較，判斷Cr12鋼與砂輪是否接觸。文獻[3］通過聲發射監測單顆磨粒磨削過程，發現AE信號對于輕微接觸和重度接觸很靈敏，可以用來監測加工中材料的去除過程。研究發現，激光照射試驗中的AE信號特征可以用于磨削燒傷的監測。發現工件的表面粗糙度值越小，磨削中采集的AE信號就越弱，可以用AE信號來監測加工中工件的表面質量。文獻[4］對磨削加工中的AE信號采用計數統計的方法對砂輪鈍化進行了識別。文獻[5］發現砂輪修整時，聲發射信號峰值主要是由金剛石砂輪中結合劑的斷裂變形引起的，并通過修整過程中AE信號的能量與接觸次數的關系監測修整過程。

目前磨削接觸的監測主要是依據砂輪和工件接觸后磨削區釋放大量變化程度明顯的聲發射信號。若信號變化程度超過一定閾值，則可以作為磨削接觸的報警信號。但是在材料去除量很小的精密磨削中，由機床運動和切削液等背景噪聲對采集的AE信號有很大的影響，使得聲發射信號的幅值在接觸前后差別可能不會太大，采用上述方法監測磨削接觸可能會造成識別不準確的問題。本文進行了金剛石砂輪精密磨削工程陶瓷部分穩定氧化鋯(PSZ)磨削監測的研究，在原始AE信號分析基礎上，基于深入的小波分析，從信號時域與頻域特征變化的角度提出了一種準確判斷砂輪與工程陶瓷精密磨削接觸的方法。

1 PSZ精密磨削AE實驗

在一臺MGS-250AH精密平面磨床上進行試驗，試驗中使用青銅結合劑金剛石砂輪，粒度為60＃、寬度為10 mm、直徑為150 mm。實驗中工作臺速度不變，砂輪轉速固定為1 600 r/min即線速度12 m/s，改變磨削切深。工程陶瓷部分穩定氧化鋯(partially stabilized zirconia，PSZ)磨削試件安裝在夾具中，夾具安裝在磨床電磁工作臺上。本試驗采用來自中國科學院上海硅酸鹽研究所公司生產的部分穩定氧化鋯PSZ磨削試件，如圖1所示，其燒結溫度1 550℃，是經粉體-干壓成型-預燒-燒結完成的。PSZ陶瓷具有很高的強度、斷裂韌性和耐磨性，目前是一種常用的陶瓷材料。PSZ試件尺寸為35 mm×15 mm×10 mm，磨削在試件35 mm×15 mm的平面內沿15 mm方向進行。PSZ材料密度為5.97 g/cm3；抗彎強度大于800 MPa；微觀硬度為12.5 GPa；斷裂韌性為7.5 MPa·m1/2；彈性模量為205 GPa。

PSZ磨削過程產生的AE信號，傳播到放在平面磨床工作臺夾具上的美國物理聲學公司PAC生產的壓電AE傳感器，經過AE壓電連接器的前置放大，再到PAC生產的PCI-2聲發射信號采集卡采集，并輸入到計算機進行保存等待MATLAB軟件進行后續的處理，從而通過分析磨削AE信號來準確判斷金剛石砂輪與PSZ陶瓷試件的磨削接觸。為了不失真，AE信號采樣頻率為2 MHz，前置放大增益為40 dB。AE傳感器WSa通過聲發射耦合劑粘結在工作臺上，在靠近磨削工件的位置再用AE傳感器磁力夾具固定。由于PSZ等硬脆性材料的固有頻率一般在0～200 kHz，而且根據文獻[6］的研究，材料磨削中的高能量切削AE信號頻率低于100 kHz，滑擦AE信號頻率低于300 kHz，而材料磨削中耕犁和切削AE信號頻率范圍達800 kHz。因此實驗選用了WSa聲發射傳感器，該傳感器的工作頻率范圍是100～1 000 kHz，諧振頻率為125 kHz。磨削系統中有機械、電氣與液壓噪聲，取AE信號采集門檻為46 dB。PAC-2聲發射系統中，有使用AEwin系統來采集磨削實驗的AE原始信號的波形流文件，應用MATLAB軟件，可以對轉換為文本文件后的磨削AE信號波形流wsf文件在時域、頻域和時頻域進行離線分析，從而通過分析磨削AE信號來準確判斷金剛石砂輪與PSZ陶瓷試件的磨削接觸。圖2為磨削AE監測實驗臺。

2 PSZ精密磨削AE信號分析

圖3a為典型的氧化鋯PSZ精密磨削過程的AE信號，其磨削深度為5 μm。圖3b為PSZ磨削AE信號的快速傅里葉變換FFT頻譜分析，該頻譜的能量主要集中在0～120 kHz低頻段，高頻率的頻譜能量比較弱小，該頻譜的最大能量峰值一般在30 kHz左右。聲發射源主要來自于金剛石砂輪與PSZ的彈性接觸、滑擦、犁耕和切削去除PSZ材料時塑性變形，以及金剛石砂輪磨粒的微裂紋。如圖4所示，用基恩士超景深顯微鏡檢查磨削后的PSZ表面，發現表面形貌好，材料基本上為塑性去除。

根據文獻[6］的研究，采用1 ms的時間積分常數計算AE信號的均方根RMS值。圖5是不同磨削深度下PSZ磨削AE信號的有效值RMS，隨著切深增加磨削AE信號的有效值增大。

由表1可見，PSZ磨削AE信號最強頻譜能量集中在20～40 kHz，而0～120 kHz段能量占總能量百分比的99%以上。同時隨著磨削切深增加，PSZ磨削AE信號在20～40 kHz頻譜能量下降，AE信號能量逐漸向40～120 kHz轉移，也就是說增大切深AE信號向高頻率方向發展，這是隨著切深增加金剛石磨粒與PSZ滑擦、犁耕、切削作用加劇的結果。

表1 不同切深下AE頻譜能量分布百分比

3 砂輪與試件磨削接觸AE判別

金剛石砂輪與PSZ試件精密磨削接觸研究中，一般都采用磨削AE信號RMS峰值比背景噪聲AE信號的RMS峰值高的原理來判斷，通過對磨削接觸前的噪聲信號進行采樣，根據結果再設定合理的閾值，以AE信號有效值RMS幅值的變化來判斷磨削接觸。

以圖3a所示磨削AE信號為例，用背景噪聲的幅值、AE信號的RMS值以及小波重構AE信號的能量值判斷磨削接觸，并進行對比分析。

采用背景噪聲的最大值作為閾值判斷磨削接觸是最早也是最簡單的方法。本實驗中未磨削時，所測的AE背景噪聲如圖6所示。發現實驗中的背景噪聲是峰值峰谷周期性交替變化的，找到背景噪聲的最大值作為接觸判斷的閾值標準，當AE信號的幅值大于該閾值時，即可判斷砂輪與試件接觸，如圖7所示。在圖示AE信號中用背景噪聲閾值判斷接觸的時刻是4.485 ms。

實際正常情況下，當AE的噪聲信號發生明顯變化時，就認為磨削接觸已經發生。將AE信號在圖7判斷接觸的時刻拉伸，詳細查看AE信號的變化情況，如圖8所示。t＝2.493 ms時，在噪聲信號峰值間的峰谷的波動幅值已經有了很明顯的變化，認為此時磨削接觸已經發生。將該時刻作為磨削接觸評判的參考時刻，發現采用背景噪聲的閾值判斷接觸由于噪聲峰值峰谷的落差較大，對于磨削接觸的判斷有明顯的滯后發生。而且背景噪聲很容易受到環境的影響而發生變化，會出現較大的誤差或者出現誤判，這可能也是很少看到采用AE信號幅值判斷磨削接觸的原因。

同樣的AE信號采用RMS值判別接觸，考慮到噪聲峰值的產生周期大約是0.1 ms，所以采用了0.01 ms的時間積分常數計算AE信號的RMS值，如圖9所示，發現在從t＝2.66 ms開始AE信號開始發生變化，但是在2.66～4.42 ms時間段內AE信號的RMS的峰值沒有變化，因此采用該方法判斷的磨削接觸時刻為t＝4.42 ms。

AE信號小波分析是近年來廣泛應用的，在時域和頻域都能提供多分辨率分析，相較于傳統的傅里葉變換和短時傅里葉變換，它有更好的時頻窗口特性。小波變換作為一種可以在時域和頻域同時表達信號特征的分析方法，十分適合分析瞬態信號。磨削中的AE信號作為一種非周期性的、非平穩的信號，很適合通過小波變換分析其特征。連續小波變換的公式如下:

式中:a為小波變換的尺度參數；b是位移參數。

然而在實際運用中連續小波必須離散化。取a＝aj o，b＝kbo，k、j是整數，當ao、bo分別取 2、1 時可以得到二進制小波變換:

選取AE傳感器WSa采集的精密磨削PSZ時的AE信號，應用MATLAB軟件采用coif2小波基對其進行 5層小波分解，得到 a5、d5、d4、d3、d2、d1 共 6 個小波分解系數，其對應AE信號頻率范圍分別為0～31.25 kHz、31.25～62.5 kHz、62.5～125 kHz，125～250 kHz、250～500 kHz、500～1 000 kHz。 發現 d4 小波系數(頻率范圍62.5～125 kHz)AE信號噪聲的波動程度非常小而且接近為0，故選擇其重構AE信號，根據重構AE信號能量計算公式(3)進行計算(取時間常數0.5 ms，采樣頻率 2 MHz)。

式中:T為時間常數；fs為采樣頻率；n值從0取到(N/T)＋1，N為重構AE信號xr(i)的長度。

圖10a是由上述PSZ磨削AE原始信號計算得到其原始AE信號的d4小波分解系數重構AE信號及其能量圖。為了更加清晰地看到接觸時信號的變化，在圖9b中畫出了前4 ms的重構信號能量圖，可以看到在砂輪與PSZ試件接觸前AE信號能量非常小接近為0。例如具體AE信號分析表明接觸前最大AE信號能量數值為0.001，基本沒有了噪聲信號的影響；t＝2.249 ms開始磨削接觸后AE信號能量數值達0.001 8，這樣AE信號能量大幅度增加，可以及時準確地判斷磨削接觸。

采用上述方法分析不同切深下AE信號的接觸時刻，如表2所示。通過比較三種判別磨削接觸的方法，發現相較于磨削AE信號幅值判別和RMS值判別，磨削前后AE信號d4小波重構信號能量值判別的接觸時刻更早，可以更加及時地準確判斷金剛石砂輪與PSZ試件的磨削接觸。其原因是背景噪聲中機床運動件和磨削液AE信號頻率在低于10 kHz低頻率范圍內，而磨削AE信號d4小波分解系數重構AE信號頻率范圍在62.5～125 kHz高頻率區。這就相當于過濾掉了背景噪聲AE信號，從而消除了背景噪聲的影響，同時最大限度地保留了磨削加工過程信號，可以更加及時準確地判斷金剛石砂輪與PSZ試件的磨削接觸。

表2 三種方式AE磨削接觸時刻對比

4 結語

(1)采用磨削AE信號背景噪聲幅值判別和RMS值判別磨削接觸，在陶瓷精密磨削中受背景噪聲影響較大，判斷磨削接觸時刻滯后明顯，準確性不高。

(2)小波重構磨削AE信號能量判別法能有效消除噪聲信號干擾，提高信噪比，可以更加準確地判斷金剛石砂輪與陶瓷磨削接觸時刻。