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1、刀具的几何特征对声发射强度的影响刀具的几何特征对声发射强度的影响摘要摘要刀具与切屑结合面的几何形状发生变化是刀具磨损的一个必然结果。因此，任何能够对刀刃几何特征的变化做出反应的传感器都是一个潜在的在线刀具磨损监测器。在这项研究中，产生于各种各样的金属切削过程中的声发射的平均能量与切削功率和切削力一起被监测到。结果显示平均的声发射能量是一个与刀具前角和金属切除率有关的函数。1.简介简介大部分的物理现象，不管是微观还是宏观的，只要是与金属切削刀具的磨损过程有关都会产生声发射信号。理论上来说，这些声发射事件中的大部分都应该能发出可监测的信号。然而，就目前来说还不具备从整个切削过程中产生的复杂的噪声信
2、号中把来自于一个特别微小的事件中的这种特殊信号分离出来的技术。因此，通过追踪来自于各种微小磨损事件中产生的信号的方式来实施监测刀具的磨损过程是不可能的。一个可行的方案是及时的搜集那些容易探测的信号，这些信号是许多微小的磨损事件积累的结果。刀刃和刀具与切屑接触表面几何形状的变化是刀具磨损的一个必然结果。因此，任何对刀刃的几何形状变化敏感的传感器都是一个在线刀具磨损监测器的候选者。在这项研究中，来自于合金的车削过程中的平均声发射能量是靠一个与切削功率和切削力相结合的中间频率监测到的。目标是观测刀刃的几何形状变化和其引起的刀具与切屑还有刀具与工件的表面状态变动对整个声发射的影响。试验变量包括不同的工
3、件跟切削刀具材料。对于不同的机床进行了有限次的实验。而且在正交加工条件下完成了一些可控试验并且做了一些尝试努力来识别这些在观测到的声发射信号中的特殊信号，这些观测结果与已监测到的物理事件是通过一个高速录像系统联系起来的。这项研究的目的是观测在广范围的工作条件下信号的变化从而确定一个能够用于刀刃状态在线监测的一般模型。2.实验实验2.1 设备与步骤试验中要用到一个这样的数控机床，它配有一个主轴功率监测器，一个三轴测力仪，一个共振频率大约是 70kHz 的振动传感器。这个振动信号在 30kHz的时候被高通滤波器给过滤掉了。从时间域中声发射信号能量的变化来看，来自于传感器的信号是被一个带有 500H
4、z 低通滤波器的检波器处理过的。详细的实验步骤已经在先前的出版物中有过介绍。这个正交加工设备是一台允许低速（4/min）运行的改进后的卧式铣床。工件板安装在工作台上，而一个可动的刀架安装在机架的一个固定位置。为了调整前角角度刀架被连接在一个旋转支架上。一个安装在工件下面的三轴压电测功仪监测力。在系统上还安装了两个声发射传感器，一个装在刀架上，另一个装在工件上。而且两个具有适当的带通滤波器的低频振动传感器被装在刀架上，一个带宽从 150Hz 到 20KHz。另一个带宽从 20KHz 到 100KHz。在记录之前，这个声发射信号从一个 100KHz 的高通滤波器中通过。此外，一个带有两台相机的每秒
5、 2000 帧的高速录像系统被用来记录切屑横断面的状况跟整个切削过程。来自于录像系统的信号脉冲与力和振动信号一起被记录在磁带上，这个录像系统能把每一帧的图片都记录下来。因此，这个系统能够识别不同频率范围内的力成分和振动信号的变化，并且能够把这些变化与在录像系统中观测到的相应的特定切削事件联系起来。对于试验中的快速筛选信号来说，要用到双通道的信号分析仪和数字示波器。因为信号分析仪的截止频率是 100KHz，所以慢速回放磁带是用于检查更高频率的信号。为了详细分析，一个带有模拟抗锯齿过滤器精度的过滤器的普林斯顿 A/D 转换器被用于数字化录音信号和一台用于进一步处理信号的 3210 型微机。由克兰菲
6、尔德数据系统开发的信号处理和制图软件对于详细分析信号很有用。用于正交切削试验的刀具主要是钢切削等级的硬质合金可转位刀片。其中的一些刀具是由气相沉积工艺涂上了一些 TiC，TiN 和 AL2O3。工件是 SAE 1045钢，304 不锈钢和球墨铸铁。在每一个工件板上都加工了一个高度小于 5mm 的薄凸缘（1.5mm）用以确保光可以以合理的侧向刚度减少。在 4m/min 的速度下大多数的削减是 15 厘米，进给量是 0.25 到 0.4mm。在车床车削测试中用到的几种类型的陶瓷工具取决于特定的工件材料。在车削试验中用到的工件材料包括国际镍合金 718，钛 64,304 不锈钢，球墨铸铁，低碳钢和冷
7、激铸铁。2.2 结论2.2.1 车削试验因为在基于切削条件或者工件材料变化而估计声发射信号能量的期望值方面还没有可参考的东西，所以就设计出来一些试验来建立各种加工条件下声发射能量幅度变化的相对关系。前四个具有显著不同的工艺特点的工件材料被在一个车床上加工，这个车床在 1.25mm2的地方上装有一个有-5 度后倾角，-5 度侧前角和 15 度的侧切削刃角的刀架。本系列测试的目的是要识别材料的性质或者综合特性，而这个能够作为声发射信号强度期望值的近似指示器。如表 1 所示，选择的这四种材料有一个相当宽的硬度范围，并且对于加工来说有着明显不同的特定的功率要求。材料的特定加工功率可以由加工数据手册查出
8、且在切削条件上完全独立。试验用到的切削速度是 92m/min，每转的切削深度跟进给量分别是 2.54mm 和 0.2mm。表中列出的声发射能量是对每一种材料多次试验后的平均值。然而需要注意的是，如同前面那样在几个步骤中处理声发射信号时，列出的声发射能量的数值仅仅适用于与表中列出的结果做相对的比较。结果显示高硬度的材料要想产生高能量级的声发射需要特定的高功率。结果还显示了通常材料形成多分段的碎片时倾向于产生一个更活跃的声发射源。表表 1 平均声发射能量和特定的切削功率平均声发射能量和特定的切削功率工具：工具：1.27cm，15侧切削刃角侧切削刃角 速度：速度：91m/min 切削深度：切削深度：
9、2.54mm 每转进给量：每转进给量：2mm工件材料的物理特性对切削中声发射活动有很大的影响并且特定的切削参数下声发射运动的可靠程度也与工件的性质有关。例如，切削中产生高强度声发射的材料似乎与切削力跟声发射的强度有很大的关系。如图 1 所示，随着切削深度的增加产生于加工国际镍铬合金 718 的平均声发射增长的很迅速，但是加工 1045 钢时产生的平均声发射在相同切削深度范围内增加的相对较慢。图 1中所列的所有试验都是在装有相同刀架的正方形衬垫上做的，并且切削速度是183m/min。使用 clamp-type 芯片断路器增加平均声发射强度的级别有所不同，如图所示。在相同的加工条件下，侧切削刃角度
10、的变化对平均声发射强度的影响非常大。如图 2 所示，一个有 45 度侧切削刃角度的正方形刀具比一个有 15 度侧切削刃角度的刀具产生更高的平均声发射能量。对于一个直角切削刃，增加侧切削刃的角度能够增加切削刃的长度和碎片的宽度。随着切削深度的增加这种差异大小也跟着增大。在加工中用圆弧刀具所产生的声发射能量比等切削深度的直角边切削所产生的声发射能量低的多，尽管对于相同的切削深度用于切削的圆弧刀具的实际长度比在整个切削深度范围研究中用的直角刀具的实际产度要长。在一个正常的切削状态中，如果在特定的切削条件下出现一些动态变化，那么平均声发射强度和平均切削功率的大小都将以相同的一般方式变化。然而，当切削刃
11、开始突然变钝时，声发射强度和切削功率之间的关系就变得不可预知了。图 3 所示为在立式六角车床上加工 IN 718 合金时实时记录下的平均声发射输出和相应的切削功率之间关系的带状图。大约在记录的损伤的中点处，切削刃开始逐渐被一些小碎片解体，但这一过程一直持续到计划损伤的最后。如图所示，切削刃的逐渐解体引起了平均声发射不稳定但逐渐降低的事实，而在同一时刻切削功率却不知为何增加了。功率曲线变得平缓是由于逐渐增加电机速度的原因，这是为了在减少工件直径时保持恒定的速度。引起声发射强度降低的一个可能的原因是由于部分刀刃崩裂引起的前角的有效降低。这个结果能够使切削功率增加的情况下降低平均声发射能量，这是由先
12、辈们设计的一个来自于加工中的定量的声发射模型确定的。虽然这个模型是建立在一个简单的直角加工场合下的 ，但是对于更复杂的切削结构下为何没出现相同的趋势并没有一个清晰的物理解释。在实验室中为了证实前角对声发射强度的影响，设计进行了几个系列性质的试验。通常来说前角是由使用的具体的刀架决定的。因为只有有限的前角角度范围用于商业实践中。在这项研究中有两种试验方法用于产生一系列的前角角度。在第一种方法中，一个商业刀架的底部接地来产生-10的侧前角。支架也有-5的原始后倾角。因此，纯粹的前角角度与在刀架旁边测得角度的稍有不同。一些楔块被增加了 5，这是为了产生合适的侧前角而垫在刀架下的。第二种方法是用研磨垫
13、块前面的方式来生成想要的前角角度。但是用这种方法来产生精确的前角角度是极其困难的。所以该方法进行了改进，用一套 1.27cm 直径的圆陶瓷衬垫磨成圆柱状来形成一个截锥面形的前面。所有衬垫都有从-5到-30间隔的负前角角度。用倾斜的刀架做了一系列的车削试验来建立很大的负前角对大量的声发射信号的影响。测得的平均声发射幅度与总的切削功率跟图 4 中名义上的前角是相反的。虽然看上去随着前角角度的降低声发射能量一般也降低，但是想准确的知道试验中产生的声发射信号的确切变化趋势还是非常困难的。然而，切削功率确实是随着前角角度的降低而一直增加。这几个系列的试验有两个相关联的弊病。插入刀架下边的楔块改变了声发射
14、信号通过夹具的传播特性，使得它难以复制一致的实验结果。带有有限螺纹升角的支架轴线周围的简单倾斜刀架也去除了位于工价中心线下的部分切屑刃，但是它对声发射活动有什么影响还不为人所知。为避免测试中移动刀架的问题，试验中用到了一套装在固定刀架上的可再生的刀具。工件是国际镍合金 718，刀具材料是氧化铝，切削速度是213m/min。每转的切削深度和进给量分别是 1.8mm 和 0.18mm。图 5 所示为各种前角下的平均声发射和相应得平均切削功率。如图所示，在-10的相同的试验加工条件下观测到的声发射强度有显著的变化。然而通常的结果都是比那些一直用低于-15前角的倾斜刀架要更能重复使用。这个图有趣的特征
15、是切削刃从-5到-10的变化过程中声发射的幅度跟切削功率都发生了剧烈的转变。切削刃从-5到-10的变化过程中声发射的幅度显著的增加了，但是切削功率却减少了。切削刃从-10到-20之间是，声发射幅度看上去降低的不是很明显，然而切削功率上升了。-20之后，声发射幅度跟切削功率都随着前角角度的进一步降低而增加。2.2.2 正交加工实验除了影响声发射信号连续部分的平均能量，磨损的切削刃还常常增加声发射信号中脉冲事件的密度。但是，对于随机产生声发射脉冲的来源还知之甚少。把一台高速录像记录系统和声发射信号检测系统结合起来做了一系列的实验来识别这些带有可以视觉识别的物理事件的声发射脉冲。在这个实验中遇到的一
16、个问题是脉冲信号有宽范围的能量级别，这就使得同时充分记录高能量脉冲事件和低能量的连续声发射信号变得极其困难。因此，调整后的信号放大器只记录理想的有用信号，用它跟其它等效情况作比较。为确定每个传感器测得的声发射信号所需的理想放大等级做了一些筛选实验。在这些实验中，检测信号的放大输出是由一个示波器追踪的，为了记录示波器的屏幕还专门安装了一台录像系统的相机。通过调整示波器去触发信号接收，切削过程可以在录像系统的屏幕上看到，同时示波器追踪到的声发射信号会投影到同一个屏幕的小窗口上。用一个较低精度的传感系统进行电子检测只能获得高能量的脉冲事件。检查录像带后发现高能声发射脉冲并不伴有任何可见的物理事件。在设置有低精度的信号放大器时，许多清晰可见的离散切削事件，如切屑断裂和切屑刀具碰撞，都不会伴有足够的可检测声发射信号的能量。这些高能声发射脉冲可能源自机床部件的移动或者损坏，为了消除这种可能性，在机器上安装了一个高分子板且在这个板的边缘上用装在刀架上的一个小高分子板开了槽，模拟与光加工条件相似的运动和力的波动。在这个试验中没有检测到高能声发射脉冲，这表明先前观测到
