基于聲發(fā)射技術(shù)的刀具磨損研究

基于聲發(fā)射技術(shù)的刀具磨損研究

1刀具磨損狀態(tài)檢測方法長期以來，刀磨損一直是人們關(guān)注和研究的問題。有很多因素會導(dǎo)致刀磨損、損壞和影響刀磨損，不同的刀間磨損和損壞的形式也不同。人們普遍認為切削速度是影響刀具磨損的最主要因素,隨著切削速度提高,刀具磨損也會加劇。然而這種觀點成立的前提要針對特定磨損形式而言,如磨粒磨損和氧化磨損,而對有些磨損,如黏結(jié)磨損,當(dāng)切削速度超出一定范圍之后,刀具磨損反而下降,因此研究刀具磨損時應(yīng)針對不同磨損形式具體分析。刀具磨損、破損的研究方法很多,最簡單直接的方法是通過觀察刀具后刀面或其他部位磨損量判斷刀具的磨損狀態(tài),該方法簡單直接,無需復(fù)雜設(shè)備,但無法實現(xiàn)在線動態(tài)監(jiān)測,每次觀測均要停下機床,反復(fù)裝卸刀具,耗時費力。近年來,隨著在線監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展,刀具磨損監(jiān)測方法越來越多,如以切削力、扭矩為指標(biāo)的在線監(jiān)測技術(shù),模糊識別技術(shù)等。本文采用近年來發(fā)展起來的聲發(fā)射技術(shù)對切削過程中刀具磨損狀態(tài)進行研究。聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)是利用聲發(fā)射傳感器接收材料中的應(yīng)力集中源瞬間釋放的彈性波來判斷刀具磨損、破損狀態(tài)。聲發(fā)射技術(shù)作為一種無損檢測方法,具有很多優(yōu)點,如不受材料限制,幾乎所有的金屬和非金屬材料在一定條件下均有聲發(fā)射現(xiàn)象;聲發(fā)射設(shè)備簡單,只需一個傳感器;適用于動態(tài)在線檢測。聲發(fā)射檢測刀具磨損裝置如圖1所示。AE傳感器安裝在TC4工件材料上,采集到的信號經(jīng)放大器放大后由采集卡傳入計算機,經(jīng)計算機處理后顯示出波形,試驗采集到的聲發(fā)射信號波形如圖2所示。對聲發(fā)射信號進行后續(xù)處理,如小波包分析,將原始信號分解到不同頻段,濾除噪聲后就能清晰觀察刀具在不同磨損階段的聲發(fā)射情況,從而判斷分析刀具磨損狀態(tài)。本文采用振鈴分析法對聲發(fā)射信號進行時域振鈴分析。2試驗計劃2.1聲發(fā)射信號檢測刀具磨損程度的中小企業(yè)設(shè)計實際加工過程中影響聲發(fā)射信號的因素很多,包括刀具本身的幾何參數(shù)及磨損情況、工件裝夾及材料性能、切削用量和機床等。相對于其他因素而言,刀具磨損是可變因素,針對不同的要求,切削用量也可變化調(diào)整。因此,對于聲發(fā)射信號而言,必須找出以上因素的變化對聲發(fā)射信號的影響程度,才能為聲發(fā)射監(jiān)測刀具磨損提供有力的證據(jù)。為此,本文設(shè)計了正交試驗,考察主軸轉(zhuǎn)速、進給量、孔深和主切削刃后刀面磨損量對聲發(fā)射信號的影響大小。刀具規(guī)格:?8硬質(zhì)合金涂層麻花鉆;?5硬質(zhì)合金涂層銑刀。工件材料:TC4鈦合金。機床與檢測設(shè)備:機床為DEEKELMAHODMU50evolinear五軸加工中心,主軸功率24kW;刀具磨損檢測設(shè)備為JerryDJCLY92B檢測儀;AE傳感器;PXPAAE放大器;ADLINK數(shù)據(jù)采集卡。冷卻方式:乳化液外冷。2.2試驗內(nèi)容和方法(1)刀具磨損正交試驗設(shè)計本次試驗?zāi)康脑谟隍炞C在影響聲發(fā)射信號的眾因素之中主切削刃后刀面磨損量對其影響的顯著性,從而驗證聲發(fā)射技術(shù)檢測刀具磨損的可行性。試驗采用正交設(shè)計,考察四個因素,每個因素三個水平,選擇表1所示的L9(34)因素水平表。主切削刃后刀面磨損量各水平值為區(qū)間值。(2)聲音發(fā)射檢測磨損試驗，刀片磨損試驗本次試驗?zāi)康脑谟谕ㄟ^聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測銑刀在銑削過程中的磨損狀態(tài),刀具規(guī)格為?5硬質(zhì)合金涂層銑刀,試驗參數(shù)設(shè)置如表2所示。3試驗結(jié)果與分析3.1聲發(fā)射信號分析通過正交試驗得到表3所示的9組試驗樣本,AE信號為電壓值,取其均方根值作為試驗結(jié)果。經(jīng)方差分析可知:在考察的四個因素中,主切削刃后刀面磨損量對聲發(fā)射信號影響最大,進給量次之,主軸轉(zhuǎn)速和孔深影響最小。換言之,主切削刃后刀面磨損量的變化能夠最顯著地反映在聲發(fā)射信號的大小上。因此,用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測刀具在加工過程中的磨損狀態(tài)完全可行。3.2聲發(fā)射振鈴分析通過以上實驗分析可知,加工過程中聲發(fā)射信號的變化有效反映了刀具在不同階段的磨損狀態(tài),本次試驗正是基于以上結(jié)論進行試驗驗證,試驗共銑削TC4鈦合金37m。長期以來,信號處理的方法主要分為:時域分析法、頻域分析法、時頻分析法(JTFA),其中頻域分析主要通過傅里葉變換等方法對信號的功率譜、幅值或相位譜進行分析。時頻分析法(如小波分析)常用于分析時變非平穩(wěn)信號,它能同時提供頻域和時域的聯(lián)合分部信息。本文對聲發(fā)射信號采用振鈴分析法,即先對聲發(fā)射信號進行頻域分析,在頻域中找出不隨時間變化的頻率范圍,然后進行去噪處理,濾除信號中的奇異點和噪聲信號,最后對信號進行時域振鈴分析。所謂聲發(fā)射振鈴分析即在時域中給定一個閾值(門檻電壓),超過閾值的尖峰信號則記為一次振鈴。研究表明,聲發(fā)射振鈴數(shù)與信號的能量相關(guān),因此時域振鈴數(shù)和信號能量具有異曲同工之效,但前者方便、快捷、直觀,有其他方法無法替代的優(yōu)點。圖3即為銑削過程中聲發(fā)射信號振鈴柱狀圖,由圖可知:一方面隨著銑削長度(銑削時間)增加,聲發(fā)射振鈴數(shù)整體呈增大趨勢,這是因為刀具磨損隨銑削長度增大而加劇;另一方面刀具磨損具有明顯間歇性,銑削至1m-2m、10m-17m、22m-29m、35m-37m時聲發(fā)射信號最豐富,表明刀具磨損較快,其中在銑削35m-37m時振鈴數(shù)較之前明顯增多,可以判定此刻刀具進入急劇磨損狀態(tài)?？梢?由聲發(fā)射振鈴數(shù)能夠清晰地看出刀具在哪些時間點磨損較快、出現(xiàn)非正常磨損等,與傳統(tǒng)停下機床觀測刀具磨損值相比具有明顯的優(yōu)勢。如上所述,聲發(fā)射是材料局部破裂瞬間釋放的彈性波,因此單個聲發(fā)射振鈴數(shù)是對應(yīng)單一點(時刻)的刀具磨損,為了描述聲發(fā)射信號的連續(xù)性,引入累積振鈴數(shù)的概念,某一點的累積振鈴數(shù)即為前面所有點的振鈴數(shù)之和。這一概念類似于刀具磨損值,試驗過程中每次觀測到的某一時刻刀具的磨損值實則是前面不同時刻磨損值的累積。通過這一類比可知,聲發(fā)射累積振鈴曲線和刀具磨損曲線具有很大相似性,這樣就可以用累積振鈴曲線來近似代替刀具磨損曲線進行刀具磨損分析。圖4即為本次試驗聲發(fā)射累積振鈴曲線,可以看出刀具銑削35m后進入急劇磨損狀態(tài)。4聲發(fā)射檢測刀具磨損可行性分析本文主要研究分析了聲發(fā)射技術(shù)在刀具磨損監(jiān)測上的應(yīng)用,針對這一問題,文章采用理論分析和試驗驗證相結(jié)合的方法,首先通過正交試驗對聲發(fā)射在線監(jiān)測刀具磨損進行可行性分析,然后以硬質(zhì)合金銑刀銑削TC4鈦合金為例,對聲發(fā)射監(jiān)測刀具磨損進行試驗驗證。以上結(jié)果