基于聲發射技術的超精密切削狀態監測試驗研究*

許鐘尤,張 挺

(1.廣西安全工程職業技術學院 機械與電氣工程系,廣西 南寧 530023;2.北部灣大學 機械與船舶海洋工程學院,廣西 欽州 535011)

0 引 言

近年來,超精密加工技術變得越來越重要。超精密切削方法主要使用單晶金剛石刀具,能夠相對容易地制造出所需的精加工表面[1-3]。然而,為了達到所需的精度水平,還需確定切削刃的位置,并驗證刀具的輪廓形狀和磨損狀況[4,5]。

在接觸式測量中,如果刀刃很鋒利,則很容易崩刃。因此,在確定刀刃位置時,所有測量都使用非接觸式設備[6],如電荷耦合器件(charge-coupled device, CCD)相機。然而,由于切削刃和工件之間的間隙只能用肉眼來確認,它的確定十分依賴于資深技術人員的經驗和技能。為了消除這種依賴,BO W等人[7]嘗試使用光學技術來確定切削刃位置。然而,雖然此類方法可以獲得高精度的結果,但無法適用于精密加工以外的領域,限制了其實際推廣應用。另一方面,在切削狀態識別過程中,傳統方法通常使用切削力測力計進行測量。然而,這些儀器很容易受到諸如熱量等因素的影響。

近期,張學忱等人[8]提出了一種基于聲發射(AE)信號[9,10]的鉆削刀具磨損狀態監測試驗方法,解決了鉆削加工時難以直接觀察刀具磨損狀態的問題;但是該方法僅分析了AE均方根值與能量的變化,識別內容較為單一。何志堅[11]的研究結果表明,在高速端銑削過程中,利用與工件接觸時產生的AE信號可以檢測切削刃的狀態;但是其試驗裝置較為復雜,且沒有對接觸檢測的適用范圍進行具體分析。

雖然超精密切削加工所產生的信號強度較小,且難以識別,但AE技術具有高度敏感性,因此,將其用于識別微觀切削狀態被認為是可行的。

受到上述研究的啟發,本文將AE技術應用于超精密切削過程中,對金剛石刀具和旋轉工件進行接觸檢測的適用范圍進行研究;同時,還分析切削過程初始階段產生的AE信號與相應加工參數之間的關系。

1 試驗方法

1.1 采用AE技術的試驗裝置

為了能夠檢測切削刃與工件接觸時產生的彈性波,筆者提出了一種基于AE技術的試驗方法,其試驗裝置框圖如圖1所示。

圖1 試驗裝置框圖

圖1中,試驗是在一臺超精密車床上進行的,車床有兩個軸,X軸和Z軸;筆者使用了單晶金剛石刀具;工件由鋁(A1070)和無氧銅(C1020)組成;AE傳感器(AE-905S)安裝在金剛石刀具上。

根據前期試驗的經驗,筆者確定了AE傳感器的最佳安裝位置在靠近切削點的位置[12];所使用AE傳感器為諧振頻率1 MHz的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷傳感器[13]。

彈性波先被前置放大器(NF AE-912)放大,再由AE分析單元(NF AE9922)放大;接著,將信號送入AE測量裝置,通過100 kHz高通濾波器進行處理,以降低信號的背景噪聲;然后,將AE信號和AE平均值輸入一個采樣頻率為2 MHz的記錄儀。

試驗中發現,在切削過程中使用切削油會加重聲發射信號中的噪聲。因此,在切削過程開始之前,筆者使用了一定量的切削油;而在加工過程中,則不再使用切削油。

利用這種單一的試驗裝置,筆者進行了接觸檢測和切削狀態識別試驗。

1.2 確定切削刃位置的接觸檢測試驗

筆者利用上述試驗裝置,檢測刀具和工件接觸時產生的AE信號,并用于確定切削刃位置。

對于普通刀具而言,Z方向的坐標配置通常是通過工件端面沿Z方向的直接接觸來完成的,相應的位置被定義為切削刃位置。但是,對于金剛石刀具,切削刃很鋒利[14]。因此,如果沿Z方向直接接觸,可能難以評估且容易損壞工具。在實際加工過程中,沿著工件外部的Z方向進行微切削,并沿著X方向端面切削。

測量切削刃位置的接觸法如圖2所示。

圖2 測量切削刃位置的接觸法

筆者重復圖2中所示步驟,直到與刀具接觸為止;隨后,評估其表面形狀。

接觸檢測的試驗參數如表1所示。

表1 接觸檢測的試驗參數

為了消除切削刃安裝高度的影響,筆者在工件端面的中心開了一個直徑約為2 mm的孔。針對每個加工參數檢查了接觸初始階段是否存在AE信號。放大系數設置為總增益70 dB[15]。

1.3 切削狀態識別試驗

為了便于識別切削狀態,筆者在接觸檢測相同的參數條件下觀察AE信號。此外,筆者還要研究加工參數與AE信號之間的關系。

切削狀態識別的試驗參數如表2所示。

表2 切削狀態識別的試驗參數

2 接觸檢測實驗結果

2.1 AE在接觸檢測中的適用范圍

確定切削刃位置的接觸檢測中,筆者對于每個切削深度重復進行了5次試驗。

不同切削深度的檢測結果如表3所示。

表3 切削狀態識別的試驗參數

由表3可以確定,對于AE1070和C1020工件,可以使用AE技術檢測到它們與刀具的接觸(從外周向中心),切削深度為10 nm。對于10 nm切削深度,觀察到檢測頻率的變化。該變化被認為是由試驗中機器位置定義的精度水平引起的[16,17],該精度的最小分辨率為8.6 nm。

上述試驗結果證明,在用金剛石刀具進行微切削時檢測AE接觸信號的方法是可行的;即通過使用AE接觸信號,可以在試驗中檢測到沿Z方向的切削刃位置坐標。

上述結果還表明,當切削速度為60 m/min時,可以在切削深度約為10 nm的情況下,檢測到金剛石刀具與工件的接觸。

2.2 AE信號幅值與接觸面積之間的關系

在表1所列的試驗條件下,端面從外周向中心切削至10 nm的深度。

切削開始至大約10 ms時,兩個工件產生的AE信號波形如圖3所示。

圖3 兩個工件產生的AE信號波形

圖3中,開頭的信號為噪聲,大于噪聲的信號為刀具接觸工件的信號;在檢測到第一信號之后,觀察到AE信號的每個周期持續約40 ms;試驗過程中,主軸轉速保持在1 500 r/min,工件完成一圈所需時間為40 ms,與檢測到的AE信號周期完全匹配。

端面切削深度為2 μm時,A1070工件的AE信號波形如圖4所示。

圖4 端面切削深度為2 μm時,A1070工件的AE信號波形

圖4中,AE信號的采集時間(0.8 s)比圖3長。從圖4可看出:從切削開始至0.2 ms時在A點檢測到信號,并且A和B點之間的信號幅度不斷增加(大約在0.2 ms～0.7 ms之間)。B點(0.7 ms)以上,信號幅度幾乎保持不變。

在切削過程中,切削刃與工件接觸面積的變化情況如圖5所示。

圖5 切削刃與工件接觸面積的變化

圖5中,在A點和B點之間,當切削刃在A點與工件接觸時,接觸面積最小。隨后,可以看到接觸面積逐漸增加,直到B點,并且從那以后幾乎保持不變。

圖5中A點和B點之間的間隔有效地對應于圖4中A點和B點的間隔;

結果表明,隨著切削刃與工件接觸面積的增大,AE信號的幅值也隨之增大;AE信號幅值與接觸面積之間的關系可以用接觸弧長來描述,筆者將在后面進行解釋。

3 狀態識別實驗結果

3.1 切削速度與AE信號檢測的關系

當使用恒表面切削速度控制功能進行表面加工時,筆者發現刀具的切削速度根據待加工的位置而變化。在表2所示試驗條件下,以20 nm的切削深度從外周向中心加工A1070工件。

穩定和不穩定切削狀態下的AE平均值如圖6所示。

圖6 穩定和不穩定切削狀態下的AE平均值

在穩定的切削狀態下,AE平均值與切削速度呈正相關,且平穩增加。但是,不穩定切削狀態的曲線,在接近9 mm外徑處出現了突變波動;在其他幾次試驗中也觀察到了類似的波動。

工件表面和表面粗糙度如圖7所示。

圖7 工件表面和表面粗糙度

圖7中,穩定切削狀態的表面粗糙度Ra0.33 nm,Rt3.63 nm;不穩定切削狀態的表面粗糙度Ra0.49 nm,Rt5.77 nm。

因此,以上結果表明,利用所提出的AE技術可以識別表面加工過程中發生的微小變化。

3.2 AE總能量與接觸弧長之間的關系

由于進給速度的差異,刀具切削深度與接觸弧長之間的關系如圖8所示。

圖8 切削深度與接觸弧長之間的關系

(1)

不同切削速度下,AE總能量與接觸弧長度之間的關系如圖9所示。

圖9 不同切削速度下AE總能量與接觸弧長度之間的關系(A1070工件)

從圖9的AE總能量趨勢可以看出:隨著接觸弧長度的變大,相應的AE信號也變大;即切削刃的接觸弧長與產生的AE信號之間存在顯著關系。

為了驗證接觸弧長和AE之間的關系,筆者使用不同拐角半徑的刀具進行研究。不同拐角半徑下,接觸弧長和AE總能量之間的關系如圖10所示。

圖10 不同拐角半徑下接觸弧長和AE總能量之間的關系(A1070工件)

圖10中,無論拐角半徑如何,給定切削深度和進給速度時,接觸弧長和AE總能量之間的增長趨勢基本相同。這意味著檢測到的AE信號來自于切削刃和工件之間沿接觸弧長度的區域(即工件附近的斷裂和摩擦區)。因此,通過在線監測AE總能量與接觸弧長之間的關系可以有效識別出刀具磨損和損傷。

識別試驗結果表明:AE平均值與切削速度呈高度正相關,AE總能量與接觸弧長成正比;AE信號波形在穩定切削狀態下是連續的,在不穩定切削狀態下會轉變為突變波形。

由此可見,在超精密加工過程中,觀察切削信號波形,對于切削狀態的識別是十分有效的。

4 結束語

為了實現高精度的超精密切削加工,筆者利用AE技術對切削刃與工件接觸檢測的適用范圍進行了研究,并且對初始切削階段的切削狀態進行了識別。

研究結論如下：

(1)AE技術的使用有助于金剛石切削刃和工件之間的接觸檢測,切削深度可達10 nm,可有效確定切削刃位置;

(2)在恒表面切削速度控制條件下,AE信號與切削速度成正比例關系,AE平均值也會隨著加工狀況的變化而變化;此外,隨著工件加工狀況的變化,相應的AE信號會從連續波形變化為突變波形;

(3)切削刃與工件之間的接觸弧長由進給速度和切削深度確定,且接觸弧長與AE總能量呈強正相關。

在后續的研究中,筆者將針對信號噪聲的過濾開展進一步的研究。