基于聲發(fā)射信號(hào)的金屬銑削過程研究

劉 婷，吳燕瑞，張 堃

（中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山 528400）

0 引言

作為一種典型的去除加工工藝，銑削加工在各行各業(yè)都有廣泛的應(yīng)用，它是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)零件的必要過程，在加工制造業(yè)中占有重要的地位。在金屬銑削加工的過程中，通過銑削刀具切削掉工件多余的材料，從而能夠獲取預(yù)設(shè)的形狀。然而，在銑削加工中，由于銑削過程中刀具、車床的振動(dòng)、加工的工件的切削以及切屑的產(chǎn)生等原因，往往使得整個(gè)銑床加工系統(tǒng)時(shí)刻處于一個(gè)非平穩(wěn)的狀態(tài)，這樣極容易導(dǎo)致加劇刀具磨損，極大地影響了銑床銑削的加工精度，不僅會(huì)導(dǎo)致工件的加工表面質(zhì)量降低，而且會(huì)導(dǎo)致銑床使用壽命降低，嚴(yán)重的甚至還可能直接導(dǎo)致銑床發(fā)生損壞。因此，對(duì)銑削過程的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)銑刀進(jìn)行損傷檢測(cè)是銑床加工系統(tǒng)所面臨的一大難題[1]。基于此，本研究擬對(duì)整個(gè)銑削過程進(jìn)行研究，以期對(duì)銑削的穩(wěn)定性研究提供一定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

在各種對(duì)銑削系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷檢測(cè)的手段中，比較常用的有放射線法、光學(xué)檢測(cè)法、力學(xué)信號(hào)檢測(cè)法、振動(dòng)檢測(cè)法、聲發(fā)射檢測(cè)法及超聲波檢測(cè)法等。其中，聲發(fā)射檢測(cè)法可以直接對(duì)加工過程中的聲發(fā)射信號(hào)及相關(guān)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行分析，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性和靈敏性的特點(diǎn)，不僅可以避免其他的一些無損檢測(cè)方法需要停機(jī)進(jìn)行檢測(cè)而導(dǎo)致產(chǎn)生誤差等問題，而且聲發(fā)射檢測(cè)法的高檢測(cè)精度也能夠及時(shí)預(yù)報(bào)故障，避免刀具發(fā)生突然損壞等情況發(fā)生[2-4]。齊云[5]等采用聲發(fā)射信號(hào)對(duì)不同加工參數(shù)下高速微銑削過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以聲發(fā)射信號(hào)的幅度、能量、中心頻率等特征值進(jìn)行處理后與加工參數(shù)進(jìn)行關(guān)系比較，結(jié)果表明，聲發(fā)射信號(hào)穩(wěn)定性與主軸轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)，與進(jìn)給速度、切深等參數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系；嚴(yán)浩[6]通過對(duì)微細(xì)銑削刀具磨損的聲發(fā)射特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著切削參數(shù)的增加，切削力和聲發(fā)射信號(hào)平均功率也呈遞增趨勢(shì)，并且聲發(fā)射信號(hào)的平均功率和振鈴計(jì)數(shù)值與刀具磨損狀態(tài)密切相關(guān)，提取了表征刀具磨損狀態(tài)的聲發(fā)射特征量；熊巍[7]等通過對(duì)銑削過程中的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行頻域分析，比較不同頻段的能量比預(yù)測(cè)加工后的表面粗糙度；李精忠[8]采用聲發(fā)射信號(hào)對(duì)金屬切削加工中的刀具狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析、處理，得出刀具磨損的故障頻率特征，開發(fā)了銑刀狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

基于此，從銑削加工中的聲發(fā)射現(xiàn)象入手，采集整個(gè)銑削過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，利用聲發(fā)射計(jì)數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到銑削過程中不同階段所對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射計(jì)數(shù)的變化規(guī)律，從而進(jìn)一步對(duì)整個(gè)銑削過程的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。旨在為實(shí)際銑削加工系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、刀具磨損預(yù)測(cè)等研究提供一些試驗(yàn)基礎(chǔ)，從而提高加工質(zhì)量及加工效率。

1 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)

金屬材料或結(jié)構(gòu)在遇到內(nèi)力、外力作用下而產(chǎn)生塑性變形、形成裂紋或破裂以及金相組織相變等都會(huì)伴有應(yīng)力波的釋放，也即產(chǎn)生了聲發(fā)射現(xiàn)象。其中，引發(fā)聲發(fā)射的材料變形與裂紋擴(kuò)展的物理源或AE 波的機(jī)制源則稱為聲發(fā)射源。在金屬銑削過程中，可將聲發(fā)射信號(hào)分為連續(xù)型及突發(fā)型兩種。由于聲發(fā)射信號(hào)能夠直接反映出金屬材料內(nèi)部晶格變化，所以在金屬切削過程中的聲發(fā)射信號(hào)提供了大量豐富的關(guān)于刀具和工件狀態(tài)變化的相關(guān)信息，對(duì)刀具異常狀態(tài)具有良好的預(yù)報(bào)性能。

圖1 聲發(fā)射參數(shù)

在聲發(fā)射檢測(cè)的實(shí)際工程應(yīng)用中，與一般的分析方法相比，因?yàn)槁暟l(fā)射特征參數(shù)分析法是通過對(duì)直接采集到的AE 信號(hào)進(jìn)行波形參數(shù)特征分析和處理的方法，因而廣泛應(yīng)用于解決工程上的實(shí)際問題中。常用的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)有聲發(fā)射計(jì)數(shù)、幅度、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間、有效值電壓（RMS）等。其中，聲發(fā)射計(jì)數(shù)是一種用于表達(dá)超過門檻信號(hào)的震蕩次數(shù)的參數(shù)，對(duì)連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)和突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)都能夠適用。并且，聲發(fā)射計(jì)數(shù)能夠反映信號(hào)強(qiáng)度的頻度，廣泛應(yīng)用于聲發(fā)射活動(dòng)性評(píng)價(jià)。基于此，利用銑削過程中所采集的聲發(fā)射計(jì)數(shù)對(duì)金屬加工過程中的銑削狀態(tài)進(jìn)行分析[9-10]。

2 試驗(yàn)方案與裝置

本試驗(yàn)平臺(tái)采用的試驗(yàn)機(jī)床為大連機(jī)床廠生產(chǎn)的“VDL600A”加工中心，采用的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)為美國物理聲學(xué)公司PAC 的兩通道PCI-II 聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)。試件采用尺寸規(guī)格為75 mm × 75 mm × 75 mm，硬度為170-180HBS 的Rut400 正六面體蠕墨鑄鐵塊為加工對(duì)象進(jìn)行銑削試驗(yàn)，固定切削深度為1 mm，進(jìn)給速率設(shè)置為100 mm/min。一共進(jìn)行三組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)的主軸轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為1600 r/min，2400 r/min，3200 r/min。

由于銑削加工的特點(diǎn)是刀具安裝在主軸上，刀具只作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工件固定在機(jī)床工作臺(tái)的夾具上，沿導(dǎo)軌方向運(yùn)動(dòng)，因此采用AEwin 系統(tǒng)的NANO30 傳感器置于工件上，通過膠布固定，如圖2 所示，以直接測(cè)量工件上的聲發(fā)射信號(hào)，獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更具普遍性。試驗(yàn)中，聲發(fā)射系統(tǒng)設(shè)定采樣頻率為1 MHz。

圖2 試驗(yàn)裝置

具體試驗(yàn)操作步驟如下：

（1）準(zhǔn)備銑刀、試件以及聲發(fā)射檢測(cè)裝置等設(shè)備，并且將銑刀與試件在銑床上固定，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行安裝，盡量減小安裝誤差。

（2）銑床空轉(zhuǎn)，測(cè)量環(huán)境噪聲，調(diào)整參數(shù)設(shè)置。

（3）根據(jù)試驗(yàn)設(shè)置的切削條件，進(jìn)行三組金屬切削試驗(yàn)，用試驗(yàn)1、試驗(yàn)2、試驗(yàn)3 作為標(biāo)記，分別對(duì)應(yīng)對(duì)主軸轉(zhuǎn)速為1600 r/min、2400 r/min、3200 r/min 的試驗(yàn)，采集銑削過程中的聲發(fā)射信號(hào)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由于AEwin 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有自動(dòng)提取特征的功能，采用聲發(fā)射的常用統(tǒng)計(jì)量之一的聲發(fā)射計(jì)數(shù)來表征整個(gè)銑削狀態(tài)，得到各試驗(yàn)條件下每秒時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射計(jì)數(shù)的結(jié)果如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)結(jié)果

從3 組試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比中不難看出，銑刀主軸轉(zhuǎn)速與聲發(fā)射計(jì)數(shù)之間呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著主軸轉(zhuǎn)速設(shè)置的增大，相應(yīng)的各個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射計(jì)數(shù)值也發(fā)生增大，系統(tǒng)越不穩(wěn)定。說明聲發(fā)射計(jì)數(shù)的變化規(guī)律能夠很好地反映金屬銑削過程的穩(wěn)定性，這為后續(xù)研究分析奠定了基礎(chǔ)。

由于3 組試驗(yàn)結(jié)果的宏觀統(tǒng)計(jì)特征相似，因此取一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以圖2（a）為例，試驗(yàn)開始后，有效采集聲發(fā)射計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的0～ 3 s 為銑削開始階段，聲發(fā)射計(jì)數(shù)發(fā)生大幅度增長(zhǎng)，由0 增大到2500上下，此時(shí)主要是由于銑削開始，工件材料開始發(fā)生剪切剝離，因此聲發(fā)射計(jì)數(shù)瞬時(shí)增大，呈階躍性變化。

隨著刀具繼續(xù)發(fā)生銑削，在有效采集聲發(fā)射計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的4～ 17 s 的時(shí)間內(nèi)，聲發(fā)射計(jì)數(shù)長(zhǎng)時(shí)間保持在2500 的一個(gè)平穩(wěn)數(shù)值狀態(tài)，說明此時(shí)的銑削過程進(jìn)入一個(gè)比較平穩(wěn)的穩(wěn)定狀態(tài)。

在有效采集聲發(fā)射計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的18～ 27 s 時(shí)，此時(shí)刀具繼續(xù)銑削至接近試件中部位置，聲發(fā)射計(jì)數(shù)又開始不斷增加，并且在銑削到試件中部時(shí)聲發(fā)射計(jì)數(shù)到達(dá)峰值5000 后，聲發(fā)射計(jì)數(shù)值下降回歸至平穩(wěn)階段。不難看出，銑削進(jìn)行到試件中部時(shí)，聲發(fā)射現(xiàn)象不斷增加，頻率最大。而在金屬切削過程中，聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生主要源于金屬材料發(fā)生變形及斷裂、刀具后刀面的摩擦、切屑以及剪切區(qū)塑性變形、前刀面的摩擦等[11-12]，不難分析，當(dāng)銑削到試件中部時(shí)，刀具磨料磨損以及工件材料的剝離為銑削過程引入了更多的頻率成分，例如刀具、銑床所受震顫不斷增大，使得聲發(fā)射計(jì)數(shù)達(dá)到峰值，聲發(fā)射信號(hào)的不穩(wěn)定程度也就增大。因此，試件中段可以作為后續(xù)銑削過程的檢測(cè)及刀具損傷狀態(tài)分析的重點(diǎn)，此時(shí)的銑削狀態(tài)最不平穩(wěn)，最容易發(fā)生失效。

銑削后期，從有效采集聲發(fā)射計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的28 s到銑削結(jié)束，聲發(fā)射計(jì)數(shù)繼續(xù)保持在平穩(wěn)值2500 上下，銑削狀態(tài)恢復(fù)至較為平穩(wěn)的狀態(tài)，直到隨著銑削的結(jié)束，聲發(fā)射計(jì)數(shù)值也隨之逐漸降低至0。

不難看出，在金屬工件銑削過程中，聲發(fā)射信號(hào)的聲發(fā)射計(jì)數(shù)參數(shù)的階段性特征明顯，說明聲發(fā)射計(jì)數(shù)的變化趨勢(shì)能夠很好地反映金屬工件在銑削過程中的穩(wěn)定性程度。

4 結(jié)論

（1）搭建金屬銑削過程的聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，獲取銑削過程中的聲發(fā)射信號(hào)，利用聲發(fā)射計(jì)數(shù)的變化趨勢(shì)對(duì)整個(gè)銑削過程進(jìn)行整體分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，聲發(fā)射信號(hào)可以用來評(píng)價(jià)金屬銑削的各階段，能夠很好地反映金屬銑削全過程的穩(wěn)定性。本試驗(yàn)結(jié)果為后續(xù)利用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)金屬銑削過程進(jìn)行研究分析奠定了基礎(chǔ)。

（2）在本試驗(yàn)過程中，當(dāng)銑刀切削進(jìn)行到金屬試件的中間位置時(shí)，聲發(fā)射計(jì)數(shù)值到達(dá)頂峰，說明此時(shí)在整個(gè)銑削過程中處于不穩(wěn)定階段，容易發(fā)生損傷、失效等情況。今后在銑削狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的研究中，對(duì)銑削進(jìn)行到試件中部時(shí)需要進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控聲發(fā)射計(jì)數(shù)，以避免此處發(fā)生損傷破壞。