基于AE 信號的切入式磨削模型及工藝試驗

林文鑫

（200093 上海市 上海理工大學 機械工程學院）

0 引言

磨削在線監測技術[1]是利用安裝在磨削設備上的傳感器以及相應的數據采集與分析軟硬件實現對加工狀態實時監控的信息化、現代化先進技術。根據監測系統反饋的磨削狀態數據，可以對工件的尺寸精度、表面質量等重要指標做出評估，以便及時發現并完善存在缺陷的技術環節，在很大程度上降低了產品的廢品率以及企業的制造成本。

聲發射（Acoustic emission，AE）是材料內部受到外力加載所產生的應變能快速釋放而產生的應力波，其與被加工材料、磨削工藝參數、砂輪材質等均有密切聯系。在基于AE 信號的磨削狀態監測研究方面：Liu[2]等人利用激光作為模擬材料熱膨脹的熱源，并通過小波變換提取熱力聲發射信號的識別特征，將聲發射技術應用于磨削燒傷的監測中；K?nig[3]等人通過一系列磨削實驗，發現了加工表面質量與主要磨削工藝參數的關系，并建立了基于聲發射信號的切入式外圓磨削加工工件表面質量預測模型，通過自適應控制獲取良好的表面質量；Sutowski[4]等人提出一種利用聲發射信號結合圖像處理分析的方法，對磨削過程中砂輪的磨損進行實時監測，并能評估砂輪磨損對表面粗糙程度的影響；郭力[5]等人在對鎳基合金和陶瓷材料熱擴散的聲發射信號特征的研究中，利用激光照射工件模擬磨削過程中工件的磨削熱效應，成功提取到磨削燒傷溫度下聲發射信號的頻率特征；林峰[6]等人建立了基于貝葉斯網絡的平面磨削智能檢測模型，通過實時采集加工過程中的聲發射信號，分析信號峭度，實現對工件粗糙度的預測和對砂輪鈍化狀態的識別。

為了進一步豐富與完善聲發射技術在磨削在線監測領域的應用，本文提出一種利用AE 信號實現對磨削加工狀態的在線監測方法。根據AE信號強度與磨削力之間的聯系以及傳統磨削力理論模型，推導出基于AE 信號的切入式磨削均方根曲線模型，并通過磨削試驗驗證了模型對實際磨削加工過程預測的準確性，為切入式外圓磨削狀態在線監測提供一種新手段。

1 AE 均方根曲線模型

Chen[7]等人的研究表明，切入式磨削法向磨削力Fn與磨削系統彈性形變δ成正比，因此切入式磨削加工過程中工件所受法向力可表示為

在切入式磨削力的研究中，通常假設線性磨削力模型中法向磨削力與瞬時磨削深度成正比

式中：Kc——磨削系數，用于描述法向磨削力與瞬時磨削深度的關聯性。

在切入式磨削加工過程中，由于工件、砂輪的彈性變形以及機床的剛度導致數控指令進給速度u'與實際進給速度r'之間存在差異，其關系可表示為

式中：實際進給速度r'與砂輪瞬時切入深度a 和工件角速度ωw相關

將式（1）、式（2）、式（4）代入式（3），可得切入式磨削系統控制式

式中：τ——時間常數，可表示為

時間常數τ與磨削系數Kc、磨削系統剛度等效系數Ke以及工件轉速nw相關。時間常數可用于描述磨削加工過程中磨削系統的動態剛度性能，對于評價加工設備性能的優劣有重要的指示作用。

對式（5）進行非齊次線性微分方程求解得

將式（2）、式（6）代入式（7），所得等式將時變的磨削法向力Fn與數控指令進給速度u'、工件角速度ωw、磨削性能K 以及時間常數τ之間建立起聯系

Tawakoli[8]在關于磨削過程監測和結果評估的相關實驗研究中發現，聲發射均方根值與磨削法向力存在近似線性關系，由此得到磨削加工聲發射信號與磨削力的關系式：

式中：VAE_RMS（t）——磨削加工過程中砂輪與工件作用產生的實時聲發射信號均方根值；Ft（t）——工件受到的實時法向磨削力；KAE——聲發射信號均方根與法向力的比例系數。

為建立起AE 信號與數控指令進給速度u'、工件角速度ωw、磨削性能Kc以及時間常數τ之間的聯系，將式（9）代入式（8）并經過變換得到切入式外圓磨削AE 信號均方根曲線模型：

式中：t1——磨削進給階段的終止時間。

2 試驗條件及方案

2.1 聲發射磨削監測平臺

本文所搭建的磨削監測平臺及其硬件連接方式如圖1 所示。AE 傳感器通過專用磁性夾具固定在機床表面，為防止傳感器與機床表面接觸不充分而導致的信號不完整，需要在聲發射傳感器與機床接觸表面涂上專用耦合劑。與AE 傳感器相連的前置放大器、前放供電分離信號器會將低至幾微伏的傳感器原始電信號放大后經過高頻同軸電纜傳輸給信號采集卡，數據采集卡將通過放大器傳來的模擬信號轉化為數字信號再輸出到計算機，計算機中的聲發射信號檢測專用虛擬儀器首先對磨削加工過程中采集到的聲發射信號進行數字濾波，再顯示信號曲線并進行存儲，以便開展對數據的相關分析研究

圖1 磨削監測平臺及硬件連接圖Fig.1 Grinding monitoring platform and hardware connection

2.2 試驗條件

分別采用45 鋼以及氧化鋁陶瓷兩種典型的塑性、脆性材料進行切入式磨削工藝試驗。為便于在試驗中對兩種材料試驗結果進行橫向比較，對兩種材質試件的尺寸進行統一規定。實驗材料尺寸及力學性能參數如表1 所示。

表1 試件尺寸及材料力學性能Tab.1 Size and mechanical properties of material

2.3 試驗方案

每組試驗前先修整砂輪，試驗過程控制試件材料去除量和砂輪轉速保持不變，檢測不同工裝、不同工藝參數、不同磨削材料對加工過程中的AE 信號曲線的影響規律。試驗采用的工藝參數如表2 所示。

表2 磨削試驗工藝參數Tab.2 Grinding test process parameters

3 結果與討論

3.1 裝夾方式對聲發射信號的影響

如圖2 所示為相同材料以及磨削條件下（控制砂輪轉速、砂輪進給速度、工件轉速以及進給時間一致）分別采用兩頂尖裝夾以及三爪卡盤單側裝夾方式下的磨削加工聲發射均方根曲線。

圖2 不同裝夾方式下的磨削AE RMS 曲線圖Fig.2 Grinding AE RMS curves under different clamping modes

相較2 種裝夾形式下的AE 信號，其在磨削加工進入穩定階段后的差異非常明顯。采用兩頂尖形式加工產生的AE 信號變化相對平緩，而采用三爪卡盤裝夾時所生成的AE 信號存在大幅度波動，這是由于工裝形式導致的加工剛度差異所致。在磨削過程中，三爪卡盤單側裝夾的工件由于兩側剛度不同，在磨削力作用下工件剛度弱側產生較大幅度的退讓，造成磨削的不連續即聲發射信號的大幅波動現象，而雙頂尖裝夾形式在很大程度上保證了工件整體加工剛度的統一性，因此其AE 信號的變化較為平緩。本文其余實驗均采取雙頂尖的裝夾形式。

3.2 加工位置對聲發射信號的影響

為考查不同加工位置對聲發射信號的影響，采用相同磨削參數對同一試件的3 個位置（靠近左側頂尖處、中間位置、靠近右側頂尖處）分別進行磨削實驗并觀察其AE 信號，如圖3 所示。

圖3 不同加工位置下的磨削AE RMS 曲線圖Fig.3 Grinding AE RMS curves at different machining positions

在對試件靠近頂尖兩側位置進行磨削時，所生成的AE 曲線變化規律類似，存在較大幅度的波動，而在對工件中間位置加工時所產生的AE曲線則相對平緩。同樣，從加工剛度角度分析，由于處于對稱位置，對試件中間位置進行磨削時加工剛性最佳，而越靠近頂尖的試件部分加工剛性會越強，從而導致磨削的不均勻，這種現象在工件圓度較差的粗磨階段尤為明顯。本文其余實驗均對試件中間位置進行加工。

3.3 加工材料對聲發射信號的影響

為考查不同材料磨削過程中的AE 信號，采用相同磨削參數分別對45 試件以及氧化鋁陶瓷試件進行磨削試驗。圖4 所示為磨削過程中的AE 信號曲線。

圖4 不同材料下的磨削AE RMS 曲線圖Fig.4 Grinding AE RMS curves for different materials

比較塑性、脆性材料在磨削過程中的AE 信號曲線，對于磨削的初始階段以及終止階段，陶瓷材料的響應速度均快于45 鋼材料。而在磨削穩定階段，兩種材料生成的AE 曲線在總體趨勢上保持一致，總是先明顯下降，再在某一位置上下波動，最終升高，但是在波動頻率上氧化鋁材料明顯高于45 鋼材料。這些變化規律與聲發射產生機理以及塑性、脆性材料的材料特性相關。應力波的產生是外部因素作用下材料內局部形變所致，45 鋼（塑性材料）試件加工表面材料從塑性變形到徹底斷裂脫離工件，整個過程具有連續性，因此其聲發射信號曲線變化相對平緩且波動頻率較低，而氧化鋁陶瓷（脆性材料）不存在明顯的屈服階段，也沒有塑性變形的過程，材料的破壞在極短的時間內發生。此外，材料的斷裂強度很小，所以由彈性變形不經塑性變形而崩裂為切屑的頻率高于塑性材料，因此其AE 信號曲線的波動較為頻繁。

3.4 工藝參數與聲發射信號均方根穩定值的關系

為考察工藝參數對磨削過程中聲發射信號的影響規律，試驗采用不同砂輪進給速度、工件轉速進行工藝實驗。聲發射均方根穩定值與工藝參數的關系如圖5 所示。

圖5 磨削穩定階段AE RMS 值與工藝參數關系Fig.5 Relationship between AE RMS value and process parameters in grinding stability stage

在磨削過程中，AE 信號均方根穩定值的變化趨勢總體上是隨著砂輪進給速度的提高而提高，隨著工件轉速的提高而呈下降趨勢。觀察以上磨削過程中AE 信號隨著砂輪進給速度和工件轉速的變化規律可知，AE 信號可以實時反應材料磨削加工過程中工藝參數的變化，這為利用AE 信號進行切入式磨削在線監測的可行性提供了有效的依據。

3.5 理論曲線模型及其驗證

為獲理論曲線模型中的關鍵參量時間常數以及磨削穩定階段AE 均方根平均值，首先進行一次磨削試驗，通過對采集到的磨削過程AE 數據進行分析處理得到參量；然后以相同工藝參數進行磨削試驗，并將采集到的實際磨削過程AE均方根曲線與理論模型預測曲線進行對比。如圖6 所示。

圖6 磨削過程AE RMS 實測曲線與預測曲線對比圖Fig.6 Comparison between measured curve and predicted curve of AE RMS

預測曲線在磨削初期和穩定階段與實測曲線有加高的重合度，而在砂輪退刀階段相比實測曲線有一定程度的誤差，主要原因是退刀階段的時間常數τ的取值與進給階段相同，而實際磨削進給階段的時間常數要大于對刀階段，因此造成相應的滯后，影響最終預測結果。實驗值和預測值具有較高的一致性，說明該切入式磨削理論模型具有一定的可靠性

4 結論

（1）磨削工程中的AE 均方根曲線的特征可以反應工裝、加工位置等因素對磨削剛度的影響；

（2）磨削同種材料所生成的聲發射信號均方根曲線在磨削進入穩定階段前與結束磨削階段的變化趨勢接近，而不同種材料的變化趨勢不同，可以利用這一特點進行磨削材料的識別；

（3）試驗數據表明，隨著砂輪進給速度增加，加工穩定階段AE 信號RMS 均值有明顯上升趨勢，而隨著砂輪轉速增加，AE 信號RMS 均值呈下降趨勢；

（4）根據AE 信號RMS 值與磨削力近似線性的關系以及傳統磨削理論模型，建立了基于AE信號的切入式外圓磨削均方根曲線理論模型，預測加工曲線與實測曲線具有較好的一致性。