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、加工的工件的切削以及切屑的產(chǎn)生等原因，往往使得整個銑床加工系統(tǒng)時刻處于一個非平穩(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，不僅會導(dǎo)致工件的加工表面質(zhì)量降低，而且會導(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，對銑削過程的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對銑刀進(jìn)行損傷檢測是銑床加工系統(tǒng)所面臨的一大難題[1]。基于此，本研究擬對整個銑削過程進(jìn)行研究，以期對銑削的穩(wěn)定性研究提供一定的理論和實驗基礎(chǔ)。

在各種對銑削系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷檢測的手段中，比較常用的有放射線法、光學(xué)檢測法、力學(xué)信號檢測法、振動檢測法、聲發(fā)射檢測法及超聲波檢測法等。其中，聲發(fā)射檢測法可以直接對加工過程中的聲發(fā)射信號及相關(guān)參數(shù)對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行分析，具有實時監(jiān)測性和靈敏性的特點，不僅可以避免其他的一些無損檢測方法需要停機進(jìn)行檢測而導(dǎo)致產(chǎn)生誤差等問題，而且聲發(fā)射檢測法的高檢測精度也能夠及時預(yù)報故障，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)射信號對不同加工參數(shù)下高速微銑削過程進(jìn)行監(jiān)測，以聲發(fā)射信號的幅度、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)射信號平均功率也呈遞增趨勢，并且聲發(fā)射信號的平均功率和振鈴計數(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]等通過對銑削過程中的聲發(fā)射信號進(jìn)行頻域分析，比較不同頻段的能量比預(yù)測加工后的表面粗糙度；李精忠[8]采用聲發(fā)射信號對金屬切削加工中的刀具狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，通過對聲發(fā)射信號進(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，采集整個銑削過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，利用聲發(fā)射計數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到銑削過程中不同階段所對應(yīng)的聲發(fā)射計數(shù)的變化規(guī)律，從而進(jìn)一步對整個銑削過程的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。旨在為實際銑削加工系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、刀具磨損預(yù)測等研究提供一些試驗基礎(chǔ)，從而提高加工質(zhì)量及加工效率。

1 聲發(fā)射檢測技術(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)射信號分為連續(xù)型及突發(fā)型兩種。由于聲發(fā)射信號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，對刀具異常狀態(tài)具有良好的預(yù)報性能。

圖1 聲發(fā)射參數(shù)

在聲發(fā)射檢測的實際工程應(yīng)用中，與一般的分析方法相比，因為聲發(fā)射特征參數(shù)分析法是通過對直接采集到的AE 信號進(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際問題中。常用的聲發(fā)射信號特征參數(shù)有聲發(fā)射計數(shù)、幅度、持續(xù)時間、上升時間、有效值電壓（RMS）等。其中，聲發(fā)射計數(shù)是一種用于表達(dá)超過門檻信號的震蕩次數(shù)的參數(shù)，對連續(xù)型聲發(fā)射信號和突發(fā)型聲發(fā)射信號都能夠適用。并且，聲發(fā)射計數(shù)能夠反映信號強度的頻度，廣泛應(yīng)用于聲發(fā)射活動性評價?；诖?，利用銑削過程中所采集的聲發(fā)射計數(shù)對金屬加工過程中的銑削狀態(tài)進(jìn)行分析[9-10]。

2 試驗方案與裝置

本試驗平臺采用的試驗機床為大連機床廠生產(chǎn)的“VDL600A”加工中心，采用的聲發(fā)射檢測系統(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象進(jìn)行銑削試驗，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，每組試驗的主軸轉(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是刀具安裝在主軸上，刀具只作旋轉(zhuǎn)運動，工件固定在機床工作臺的夾具上，沿導(dǎo)軌方向運動，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，以直接測量工件上的聲發(fā)射信號，獲得的試驗數(shù)據(jù)更具普遍性。試驗中，聲發(fā)射系統(tǒng)設(shè)定采樣頻率為1 MHz。

圖2 試驗裝置

具體試驗操作步驟如下：

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

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

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

3 試驗結(jié)果與分析

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

圖3 試驗結(jié)果

從3 組試驗結(jié)果的對比中不難看出，銑刀主軸轉(zhuǎn)速與聲發(fā)射計數(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)的各個時刻所對應(yīng)的聲發(fā)射計數(shù)值也發(fā)生增大，系統(tǒng)越不穩(wěn)定。說明聲發(fā)射計數(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 組試驗結(jié)果的宏觀統(tǒng)計特征相似，因此取一組試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以圖2（a）為例，試驗開始后，有效采集聲發(fā)射計數(shù)數(shù)據(jù)的0～ 3 s 為銑削開始階段，聲發(fā)射計數(shù)發(fā)生大幅度增長，由0 增大到2500上下，此時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)射計數(shù)瞬時增大，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)射計數(shù)數(shù)據(jù)的4～ 17 s 的時間內(nèi)，聲發(fā)射計數(shù)長時間保持在2500 的一個平穩(wěn)數(shù)值狀態(tài)，說明此時的銑削過程進(jìn)入一個比較平穩(wěn)的穩(wěn)定狀態(tài)。

在有效采集聲發(fā)射計數(shù)數(shù)據(jù)的18～ 27 s 時，此時刀具繼續(xù)銑削至接近試件中部位置，聲發(fā)射計數(shù)又開始不斷增加，并且在銑削到試件中部時聲發(fā)射計數(shù)到達(dá)峰值5000 后，聲發(fā)射計數(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，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，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)射計數(shù)達(dá)到峰值，聲發(fā)射信號的不穩(wěn)定程度也就增大。因此，試件中段可以作為后續(xù)銑削過程的檢測及刀具損傷狀態(tài)分析的重點，此時的銑削狀態(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)射計數(shù)數(shù)據(jù)的28 s到銑削結(jié)束，聲發(fā)射計數(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)射信號的聲發(fā)射計數(shù)參數(shù)的階段性特征明顯，說明聲發(fā)射計數(shù)的變化趨勢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)射檢測試驗平臺，獲取銑削過程中的聲發(fā)射信號，利用聲發(fā)射計數(shù)的變化趨勢對整個銑削過程進(jìn)行整體分析。試驗結(jié)果表明，聲發(fā)射信號可以用來評價金屬銑削的各階段，能夠很好地反映金屬銑削全過程的穩(wěn)定性。本試驗結(jié)果為后續(xù)利用聲發(fā)射檢測技術(shù)對金屬銑削過程進(jìn)行研究分析奠定了基礎(chǔ)。

（2）在本試驗過程中，當(dāng)銑刀切削進(jìn)行到金屬試件的中間位置時，聲發(fā)射計數(shù)值到達(dá)頂峰，說明此時在整個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，對銑削進(jìn)行到試件中部時需要進(jìn)行重點監(jiān)控聲發(fā)射計數(shù)，以避免此處發(fā)生損傷破壞。