刀具磨损状态在线监测技术
目前,机械制造行业正在向柔性化、无人化方向发展,迫切需要能对切削加工过程中刀具磨损状态进行实时在线监测。本文通过对声发射(AE)信号进行频谱分析,研究了声发射信号的频域特征,指出了声发射信号中与刀具磨损状态有关的成分频谱范围,提出了一种基于声发射信号的双阈值判断监测方法。
1监测原理
1.声发射(AE)信号的能量分布
s声发射是材料受外力或内力作用而产生变形断裂时,以弹性波的形式释放能量的现象。切削加工中影响AE信号的因素很多,除了刀具磨损外,切屑缠绕、断屑、刀具与工件表面的摩擦以及刀具断裂或崩刃等都会引起AE信号的变化。AE信号具有较宽的频率范围(几十千赫兹到几兆赫兹),不同的AE信号源产生的AE信号的频率范围不同。为了确定反映刀具磨损状态的AE信号的频率范围,对切削加工过程中AE信号的功率谱进行分析。
(a)连续切屑
(b)崩碎切屑
图1正常切削AE信号的功率谱
图2 AERMS、VB以及切削加工时间t之间的对应关系
图3 声发射信号的振铃计数
图1是正常切削时AE信号的功率谱。由图可以看出,正常切削时AE信号主要分布在50～120kHz和180～220kHz两个频段。50～120kHz频段范围内的AE信号主要由工件上第一剪切变形区的塑性变形,主(副)后刀面与工件之间的摩擦,以及切屑沿前刀面流出时受到前刀面的摩擦与挤压使切屑进一步产生滑移变形等引起。图1b为崩碎切屑时AE信号的功率谱,此时出现在180～220kHz范围内的信号是由切屑折断产生的。大量实验表明,切屑折断、刀具内部裂纹的产生与发展、刀具崩刃等所产生的AE信号主要为高频信号,通常在100kHz以上。以上分析表明,50～120kHz范围内的AE信号与刀具磨损状态有着密切关系。
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