許亞麗　薛林濤

摘要：本文主要針對(duì)金屬切削加工各種信號(hào)的無(wú)損檢測(cè)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討，重點(diǎn)分析了無(wú)損檢測(cè)的多種方法，并且結(jié)合實(shí)際，最后提出了金屬切削加工過(guò)程中的無(wú)損檢測(cè)發(fā)展趨勢(shì)和方向，希望對(duì)于金屬切削加工發(fā)展具有一定幫助。

1 引言130

中國(guó)目前也是世界的制造中心，也是全世界第一制造大國(guó)，但是，并不能把中國(guó)認(rèn)為是一個(gè)制造強(qiáng)國(guó)，在國(guó)際上的金磚五國(guó)中，中國(guó)和美、歐、日等國(guó)家還存在一定的差距，具體表現(xiàn)在技術(shù)先進(jìn)性、、附加值、精度和加工效率等方面。對(duì)于制造業(yè)的重要組成部分的金屬切削來(lái)說(shuō)，其加工方法主要包括磨、刨、拉、鏜、銑、車(chē)等。為了更好提高加工水平，在金屬切削過(guò)程中，需要通過(guò)一定的無(wú)損檢測(cè)手段來(lái)對(duì)于各種信號(hào)進(jìn)行處理和分析。這對(duì)于新出現(xiàn)的新加工方法更為重要，比如相關(guān)的直接對(duì)硬度超過(guò)HRC50的材料進(jìn)行單點(diǎn)切削的硬切削技術(shù)，這也是以切代磨的先進(jìn)工藝的代表；一種綠色切削且不同切削液的干切削技術(shù)；高速磨削技術(shù)；高速切削技術(shù)等，這些都需要檢測(cè)相應(yīng)的刀具的破損和磨損方面，使得加工的精度和效率進(jìn)一步提高，通過(guò)參數(shù)的合理設(shè)置來(lái)盡量避免危險(xiǎn)的出現(xiàn)。另外，對(duì)于信號(hào)的相關(guān)合適的采集和處理技術(shù)也非常重要，因?yàn)椴煌男盘?hào)處理方法適用于不同的情況，諸如低頻、高頻、非平穩(wěn)、平穩(wěn)以及高噪音信號(hào)的情況。

2.金屬切削加工各種信號(hào)的無(wú)損檢測(cè)分析與思考

2.1切削溫度測(cè)量分析

零件精度、刀具磨損、表面質(zhì)量、薄壁件的變形都受到相應(yīng)的切削溫度的影響。間接測(cè)量法、非接觸測(cè)量法和接觸測(cè)量法則是常見(jiàn)的幾種進(jìn)行切削溫度的測(cè)量方法。其中，定熔點(diǎn)金屬粉末法和金相法屬于間接測(cè)量法；圖像法、紅外和熱輻射法則是屬于非接觸測(cè)量法；而在接觸測(cè)量法中，則包括半人工熱電偶法、人工熱電偶法、自然熱電偶法等幾種。在上述方法中，都存在不同的優(yōu)缺點(diǎn)，一般來(lái)說(shuō)，切削溫度能通過(guò)接觸測(cè)量法而進(jìn)行直接測(cè)量，具有最高的可靠性和準(zhǔn)確性。另外，由于紅外測(cè)溫的具有比較困難的標(biāo)定，設(shè)備安裝也不容易，切屑流出還能夠影響到測(cè)量結(jié)果，所以，往往僅用此方法來(lái)進(jìn)行刀具表面溫度的測(cè)量。溫度測(cè)量在某些切削加工方式確實(shí)比較困難，比如，溫度傳感器在鉆削這種封閉式切削過(guò)程中則存在比較難以安裝的問(wèn)題。另外，對(duì)于通電加熱切削來(lái)說(shuō)，由于大電流（100A-300A）會(huì)在工件和刀具間經(jīng)過(guò)，這樣就造成了溫度不方便的測(cè)量。

2.2切削力、扭矩、功率的無(wú)損檢測(cè)探討

在加工過(guò)程中，零件加工精度、破損程度、刀具的磨損、穩(wěn)定性、表面質(zhì)量都受到相關(guān)的切削力、功率、扭矩的影響。其中，靈敏度高、響應(yīng)快、采集力學(xué)信號(hào)比較容易則是這種便于在線(xiàn)測(cè)量的切削力監(jiān)測(cè)法的主要特點(diǎn)，另外，其缺點(diǎn)則是具有較高成本，且變切削條件下設(shè)置監(jiān)控閡值具有一定困難。最近，加工過(guò)程的扭矩測(cè)量可以通過(guò)非接觸扭矩傳感器得以實(shí)現(xiàn)，但是，其較大的系統(tǒng)慣性則在高速切削中存在一定的敏感性問(wèn)題，還有待于進(jìn)一步探討。在功率監(jiān)測(cè)法中，考慮到離切削點(diǎn)較遠(yuǎn)的電機(jī)的影響，同時(shí)再加上相應(yīng)的濾波、滯后、慣性、干涉等作用，使得信號(hào)畸變?nèi)菀自谵D(zhuǎn)化中出現(xiàn)，這樣就造成了刀具破損的突發(fā)信號(hào)的不敏感性，這點(diǎn)在小功率切削中表現(xiàn)更加明顯。應(yīng)變片式或者壓電傳感器則用于對(duì)于力學(xué)信號(hào)的測(cè)量，用非晶態(tài)合金渦流傳感器來(lái)測(cè)量扭矩，主軸電機(jī)的輸出電流能夠獲得功率的大小。

2.3振動(dòng)測(cè)量

刀具破損、磨損的重要信號(hào)能夠通過(guò)振動(dòng)反映，這也是加工過(guò)程穩(wěn)定性表征的最直接指標(biāo)，影響著相應(yīng)的表面質(zhì)量、零件精度問(wèn)題，這點(diǎn)在細(xì)長(zhǎng)軸、薄壁件中等低剛度零件較為明顯。應(yīng)該在加工過(guò)程中絕對(duì)避免出現(xiàn)顫振的情況。對(duì)于工件和刀具都很硬的硬切削來(lái)說(shuō)，斷續(xù)切削則是硬銑削的特點(diǎn)，這樣對(duì)于振動(dòng)則較為敏感，也容易造成一定的刀具破損。嚴(yán)格控制振動(dòng)幅度在相應(yīng)的干切削和高速切削中也應(yīng)該得到充分重視，可以通過(guò)加速度計(jì)測(cè)量振動(dòng)的大小。

2.4刀具的偏斜變形分析

在切削力和本身剛度小的細(xì)長(zhǎng)軸刀具中，包括相關(guān)的細(xì)長(zhǎng)的鏜刀桿、鉆頭、內(nèi)圓磨桿、銑刀等，垂直于刀具軸線(xiàn)方向上則比較容易出現(xiàn)一定的偏斜變形，也就是相應(yīng)的繞度在主軸徑向方向出現(xiàn)。這樣，一方面使得系統(tǒng)振動(dòng)而出現(xiàn)的顫振情況，能夠嚴(yán)重影響加工效果，另外一方面，也使得切削效率有所降低，使得切削刃的實(shí)際切削角度有所改變。這樣的情況下，刀具的偏斜變形往往采用電渦流的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量，尤其是在刀具作高速旋轉(zhuǎn)的情況下適用。

2.5聲發(fā)射（hE）分析

在利用聲發(fā)射過(guò)程中，在一定外力的作用下，由于金屬材料的晶格所產(chǎn)生的破裂和錯(cuò)位情況，其這樣產(chǎn)生的聲波在金屬內(nèi)部傳遞，傳感器布置在其表面就可以檢測(cè)到。在切削加工中就廣泛應(yīng)用到聲發(fā)射分析，比如，頻率范圍廣、敏感性高則是檢測(cè)刀具的磨損和破損過(guò)程中的特點(diǎn)，另外，還容易受到其他因素干擾，存在比較復(fù)雜的信號(hào)去噪過(guò)程。在小尺寸刀具破損的檢測(cè)方面，聲發(fā)射方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是如果處理其他的比較大的切削量變化時(shí)，則就需要結(jié)合其他監(jiān)控方法進(jìn)行。

2.6其它參數(shù)方面分析

檢測(cè)切削加工狀態(tài)過(guò)程中，也還需要對(duì)于其他參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。比如，刀具的磨損則是通過(guò)主軸電機(jī)輸入功率的微分來(lái)進(jìn)行，加工過(guò)程中刀具的破損則是通過(guò)一定的超聲振動(dòng)來(lái)進(jìn)行，監(jiān)測(cè)刀具則是通過(guò)切削振動(dòng)的噪聲來(lái)進(jìn)行等等。其中，S.R.Hayashi等人在美國(guó)通用電氣公司研發(fā)了相應(yīng)的超聲振動(dòng)監(jiān)測(cè)刀具破損技術(shù)，能夠適用于車(chē)、銑、鉆等切削加工的多級(jí)識(shí)別過(guò)程。

2.7多參數(shù)的信息融合

在單一的參數(shù)的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，或多或少存在一定的局限性，應(yīng)該利用多參數(shù)測(cè)量進(jìn)行各自缺陷的補(bǔ)償，這樣才能較為準(zhǔn)確和全面地反映加工過(guò)程，一種重要的發(fā)展趨勢(shì)就是多參數(shù)信號(hào)的信息融合。相應(yīng)的信息融合有多種形式，主要有聚類(lèi)分析、專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

3.信號(hào)去噪處理

很多噪聲干擾源必然會(huì)在切削加工過(guò)程中出現(xiàn)，比如，其它機(jī)床的噪聲干擾，高速旋轉(zhuǎn)的刀具或工件引起的噪聲，信號(hào)傳輸過(guò)程中的噪聲，數(shù)據(jù)采集裝置噪聲等，這其中的關(guān)鍵步驟就是需要進(jìn)行信號(hào)去噪。目前，時(shí)頻域、頻域、時(shí)域則是三種常見(jiàn)的信號(hào)去噪的處理方法。信號(hào)去噪的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)則是時(shí)頻方法，切削加工過(guò)程中非平穩(wěn)信號(hào)可以通過(guò)時(shí)頻方法處理，包括刀具破損、顫振等。平穩(wěn)信號(hào)往往利用頻域和時(shí)域方法進(jìn)行。利用傅立葉變換的各種功率譜估計(jì)方法則就是頻域方法，主要包括維格那時(shí)頻分布、小波變換、短時(shí)傅立葉變換等。在時(shí)域方法中，主要有Atria模型（AutoRegressive and Moving Average Model）、相關(guān)檢測(cè)、數(shù)字平均、取樣積分等。

4.結(jié)語(yǔ)

無(wú)損檢測(cè)在金屬切削加工過(guò)程的發(fā)展主要包括以下幾個(gè)方面：一是，高速切削、硬切削、干切削等新的切削加工方法，通過(guò)利用無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，避免出現(xiàn)刀具磨損破損的危險(xiǎn)，使得加工品質(zhì)的提高；二是，為了盡量避免單一傳感器的缺陷，應(yīng)該多傳感器的信息融合應(yīng)該在檢測(cè)加工中采用；三是，新的傳感、測(cè)試技術(shù)以及新的信號(hào)處理方法正在快速發(fā)展，在切削加工過(guò)程中必將會(huì)應(yīng)用越來(lái)越多的電渦流檢測(cè)、CCD檢測(cè)及其圖像處理方法、提升小波變換等相關(guān)技術(shù)。

5.參考文獻(xiàn)

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[2]鄧勇剛，田鵬，吳傳軍，等.基于金屬磁記憶效應(yīng)的鉆機(jī)起升滑輪無(wú)損檢測(cè)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（4）.