基于聲發(fā)射分析的磨料流光整加工在線檢測試驗研究*

杜璟琳，董志國*，姚新改，張 鵬

(1.太原理工大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024)

0 引 言

磨料流加工(AFM)是利用流體磨料中的磨粒對被加工工件表面進行微量切削的一種光整加工方法[1]。目前，由于在AFM加工中很難對孔類工件的表面粗糙度進行在線檢測，對于異形孔和直徑小于2 mm的小孔離線測量也非常困難，這不僅會造成工件“過拋”或“欠拋”的現(xiàn)象，而且費時費力，影響生產(chǎn)效率。

聲發(fā)射(AE)是指材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象[2]。因其受環(huán)境影響較小、靈敏度高、布置簡單方便、信號來源于工件本身等獨特優(yōu)勢，聲發(fā)射檢測技術(shù)目前已廣泛用于諸多工程領(lǐng)域[3-6]。FAN Yi-bo等人[7]基于材料的彈性粗糙接觸建立了滑動摩擦聲發(fā)射理論模型，發(fā)現(xiàn)了聲發(fā)射信號RMS值與接觸載荷、滑動速度的平方根成正比；馮超和何永勇[8]通過鉭表面劃痕試驗，發(fā)現(xiàn)了隨著劃痕速度和劃痕載荷的增加，AE信號強度增高，可表征劃痕過程。

本文將基于聲發(fā)射信號對AFM光整加工孔的表面粗糙度進行在線檢測，利用聲發(fā)射設(shè)備采集AFM加工中產(chǎn)生的AE信號，用AE信號特征值對AFM加工孔表面粗糙度進行在線評估，為磨料流光整加工孔類零件表面粗糙度的聲發(fā)射在線檢測提供必需的理論基礎(chǔ)。

1 磨料流光整加工的聲發(fā)射檢測原理

1.1 磨料流加工的壁滑特性

流體磨料為粘彈性流體，可用冪律流體的本構(gòu)方程描述，即：

(1)

(2)

式中：K—載體的粘稠度系數(shù)；n—非牛頓指數(shù)，為載體的特性參數(shù)；U(r)—半徑r處載體的流速。

根據(jù)文獻[9-10]中的流動模型特性有：

(3)

(4)

式中：P0—z=z0處的壓力；KT—切削系數(shù)；KN1—第一法向應(yīng)力差系數(shù)；R—圓柱形流道半徑。

得出的壁滑速度為：

(5)

式中：Q—流體的流量。

1.2 磨料流加工的AE檢測技術(shù)

AFM加工過程中，AE信號的采集原理如圖1所示。

圖1 AFM加工過程AE信號采集原理

在聲發(fā)射檢測時，聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波通過材料自身傳遞引起可用聲發(fā)射傳感器探測的表面位移，并被轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)前置放大器放大后傳輸?shù)铰暟l(fā)射信號采集儀，即可進行信號的采集、處理和記錄過程。

1.3 磨料流加工過程中的AE源

在磨料流加工過程中，流體磨料中的磨粒加工流動形態(tài)復(fù)雜，載體的流動是磨粒運動和切削工件的動力，在某一時刻起切削作用的是流體磨料中與被加工表面相互接觸的邊流層磨粒，其運動類型主要有滑擦、犁耕、翻滾等。

AE技術(shù)的聲發(fā)射源類型有塑性變形、錯位運動、摩擦、撞擊等[11-12]。在磨料流加工中，工件表面微觀凸起的斷裂脫落是主要聲發(fā)射源，能產(chǎn)生較高能量的AE信號，并隨著表面粗糙度的降低而減弱；載體和磨粒與工件的滑動摩檫以及載體和磨粒對工件表面的彈性沖擊屬于其他聲發(fā)射源，產(chǎn)生的AE信號較低，并存在于整個加工過程中，不隨表面粗糙度的變化而變化。

2 磨料流加工的AE檢測試驗

2.1 流體磨料及試件

磨料流光整加工中，流體磨料是用載體、磨粒和添加劑等混合而成的粘彈性流體。試驗所用試件為長40 mm，外徑26 mm，內(nèi)徑10 mm的空心圓管，材料為黃銅。

試驗所用流體磨料如圖2所示。

圖2 試驗用流體磨料

試驗所用流體磨料介質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗所用流體磨料介質(zhì)參數(shù)

2.2 試驗裝置及方案

本次試驗主要在小型單程磨料流機床上進行。AE傳感器采用磁吸附式固定方法，用聲發(fā)射專用耦合劑固定于試件的外表面，傳感器的后端被磁座壓緊，磁座中裝有彈簧以保證每次產(chǎn)生的正壓力相同。

磨料流加工時，電機轉(zhuǎn)動推動活塞向下擠壓料缸內(nèi)的磨料，磨料在活塞的推動下流經(jīng)試件內(nèi)表面，對試件內(nèi)表面進行微量切削。

試驗裝置如圖3所示。

試驗過程中，筆者在轉(zhuǎn)速850 r/min～1 750 r/min范圍內(nèi)對試件進行10次加工，轉(zhuǎn)速的增量為100 r/min，采集加工中的AE信號。

圖3 試驗裝置圖

每加工完一次，用TR200表面粗糙度儀對試件表面粗糙度進行3組(1組6次)測量，并求其平均值。

聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)采用北京聲華興業(yè)科技有限公司的SAEU2S聲發(fā)射采集儀；傳感器為適用于金屬材料聲發(fā)射信號檢測的通用型SR150M諧振式窄帶傳感器，諧振頻率為150 kHz；數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)設(shè)置分別為采樣頻率2 MHz，門檻值為40 dB，前置放大增益40 dB。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 磨料流加工的聲發(fā)射信號

不同表面粗糙度時試件的聲發(fā)射能量如圖4所示。

圖4 不同表面粗糙度時試件的聲發(fā)射能量

由圖4可知：隨著表面粗糙度的增大，AE信號的能量平均值增大。這是因為表面粗糙度不同，微凸峰的尺寸不同，磨粒的粘附作用和犁耕效應(yīng)不同，應(yīng)力集中作用強度也不同，產(chǎn)生的AE信號強度就不同。

一般來說，試件的表面粗糙度值越大，其表面的微觀凸起峰值越大，在相同的加工條件下，產(chǎn)生的彈性變形和塑性變形也越嚴(yán)重，凸峰斷裂、變形及犁耕效應(yīng)增大，從而使AE信號能量強度增大。

由此可見，聲發(fā)射能量能較好地反映AFM加工過程中試件表面粗糙度的狀況。

不同表面粗糙度時試件的振鈴計數(shù)如圖5所示。

圖5 不同表面粗糙度時試件的振鈴計數(shù)

從圖(4,5)可以看出：在磨料流光整加工過程中，聲發(fā)射信號的能量和振鈴計數(shù)有著基本相同的變化趨勢，這一規(guī)律說明，聲發(fā)射信號的能量、振鈴計數(shù)均能反映AFM加工過程中試件表面粗糙度的狀況。

3.2 磨料流加工參數(shù)與聲發(fā)射信號的關(guān)系

由Preston方程可知：壓力和速度是影響磨料流加工的主要因素，通過改變電機轉(zhuǎn)速可以改變壓力和流體磨料的流量。

由式(5)可知：壁滑速度與壓力和流量相關(guān)，而存在壁面滑移是實現(xiàn)磨料流加工的前提條件，是邊界層磨粒產(chǎn)生切削作用的重要因素之一。

壁滑速度與AE信號能量的關(guān)系分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 壁滑速度與AE能量的關(guān)系

由圖6可知：隨著壁滑速度增大，AE信號能量降低，這與基于材料的彈性粗糙接觸建立的滑動摩擦聲發(fā)射理論模型中，聲發(fā)射信號能量和滑動速度的正比線性關(guān)系相反。因為AFM加工過程中主要是塑性材料去除，隨著微凸峰尺寸增大，加工產(chǎn)生的塑性變形越嚴(yán)重，聲發(fā)射信號強度增強。

試驗中，試件表面的粗糙度一直在降低，即使增大壁滑速度，微凸峰的變形、斷裂強度也降低，產(chǎn)生的AE信號能量也就降低；但壁滑速度的增加，會影響磨粒的切削效果，繼而影響AE能量的變化，故變化趨勢與線性降低存在誤差。

這也正好說明，粗糙度的變化是AE信號能量發(fā)生變化的主要原因，聲發(fā)射信號能量能較好地反映試件表面粗糙度的變化情況。

3.3 試件表面粗糙度與聲發(fā)射信號的關(guān)系

為了尋找AE信號能量和振鈴計數(shù)與試件表面粗糙度值之間的量化關(guān)系，筆者分別對不同表面粗糙度條件下的AFM加工過程中的AE能量、振鈴計數(shù)求平均值。

聲發(fā)射參數(shù)與表面粗糙度的關(guān)系如圖7所示。

圖7 聲發(fā)射參數(shù)與表面粗糙度的關(guān)系

由圖7可知：

在表面粗糙度1～1.7范圍內(nèi)，聲發(fā)射信號的能量和振鈴計數(shù)隨之增長較快，能量增幅約為2 000，振鈴計數(shù)增幅約為150；

在1.7～2.1范圍內(nèi)，能量和振鈴計數(shù)隨之增長緩慢，能量增幅約為270，振鈴計數(shù)增幅約為50；

在2.1～2.5范圍內(nèi)，能量和振鈴計數(shù)隨之增長趨勢較1.7～2.1時加快，能量增幅約為700，振鈴計數(shù)增幅約為170。

4 結(jié)束語

基于聲發(fā)射信號，本文對AFM光整加工孔的表面粗糙度進行了在線檢測，利用聲發(fā)射設(shè)備采集AFM加工中產(chǎn)生的AE信號，用AE信號特征值對AFM加工孔表面粗糙度進行了在線評估；通過研究AFM加工過程中聲發(fā)射信號的變化，得出如下結(jié)論：

(1)在AFM加工過程中，聲發(fā)射能量和振鈴計數(shù)有著相同的變化趨勢，與試件表面粗糙度有著良好的對應(yīng)關(guān)系，隨著試件表面粗糙度的增大而增大；

(2)隨著壁滑速度的增大，表面粗糙度的減小，聲發(fā)射信號能量降低，表面粗糙度的變化是聲發(fā)射信號強度發(fā)生變化的主要原因；

(3)聲發(fā)射技術(shù)可用于磨料流加工孔類工件表面粗糙度的在線檢測。

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