1 監(jiān)測原理

1. 聲發(fā)射(AE)信號的能量分布
   s聲發(fā)射是材料受外力或內(nèi)力作用而產(chǎn)生變形斷裂時(shí)，以彈性波的形式釋放能量的現(xiàn)象。切削加工中影響AE信號的因素很多，除了刀具磨損外，切屑纏繞、斷屑、刀具與工件表面的摩擦以及刀具斷裂或崩刃等都會引起AE信號的變化。AE信號具有較寬的頻率范圍(幾十千赫茲到幾兆赫茲)，不同的AE信號源產(chǎn)生的AE信號的頻率范圍不同。為了確定反映刀具磨損狀態(tài)的AE信號的頻率范圍，對切削加工過程中AE信號的功率譜進(jìn)行分析。
   
   (a)連續(xù)切屑
   (b)崩碎切屑圖1 正常切削AE信號的功率譜
   圖2 AE_RMS、VB以及切削加工時(shí)間t之間的對應(yīng)關(guān)系
   圖3 聲發(fā)射信號的振鈴計(jì)數(shù)
   圖1是正常切削時(shí)AE信號的功率譜。由圖可以看出，正常切削時(shí)AE信號主要分布在50～120kHz和180～220kHz兩個(gè)頻段。50～120kHz頻段范圍內(nèi)的AE信號主要由工件上第一剪切變形區(qū)的塑性變形，主(副)后刀面與工件之間的摩擦，以及切屑沿前刀面流出時(shí)受到前刀面的摩擦與擠壓使切屑進(jìn)一步產(chǎn)生滑移變形等引起。圖1b為崩碎切屑時(shí)AE信號的功率譜，此時(shí)出現(xiàn)在180～220kHz范圍內(nèi)的信號是由切屑折斷產(chǎn)生的。大量實(shí)驗(yàn)表明，切屑折斷、刀具內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展、刀具崩刃等所產(chǎn)生的AE信號主要為高頻信號，通常在100kHz以上。以上分析表明，50～120kHz范圍內(nèi)的AE信號與刀具磨損狀態(tài)有著密切關(guān)系。
2. 特征信息的選擇
   1. AE信號的均方根值A(chǔ)E_RMS
      AE信號的均方根AE_RMS是反映AE信號能量大小的一個(gè)特征參量。設(shè)有信號AE(t)，對該信號進(jìn)行連續(xù)采樣得到AE₁、AE₂、AE₃…AE_i(i=1，2，3…n)n個(gè)樣本點(diǎn)，則該信號的均方根值可由下式求得為
      圖2是在普通車床C6140上使用YT15硬質(zhì)合金刀片加工調(diào)質(zhì)45鋼(280～300HB)，切削參數(shù)V=172m/min，a_p=0.8mm，f=0.1mm/r條件下經(jīng)帶通濾波(50～120kHz)后得到的AE信號的均方根值A(chǔ)E_RMS和刀具后面磨損量VB與切削時(shí)間t之間的對應(yīng)關(guān)系曲線。
      
      由圖2可以看出，刀具后面磨損量VB與AE_RMS值具有相同的變化趨勢，說明隨著刀具磨損的加劇，AE信號的能量不斷增加。
   2. AE信號的振鈴計(jì)數(shù)
      振鈴計(jì)數(shù)實(shí)際上也是一個(gè)反映信號能量大小的特征參量。如圖3所示，聲發(fā)射信號的振鈴計(jì)數(shù)就是對超過事先規(guī)定閾值(V_T)的聲發(fā)射信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。采樣時(shí)間內(nèi)(取1024個(gè)采樣點(diǎn))AE信號超過閾值的振鈴次數(shù)稱為該采樣時(shí)間內(nèi)的振鈴計(jì)數(shù)。
      切削加工時(shí)間t
      (mm)初始切削36915后刀面磨損量00.130.190.220.30振鈴計(jì)數(shù)068253459467

      刀具磨損與AE信號振鈴計(jì)數(shù)之間的關(guān)系

      #p#分頁標(biāo)題#e#
      附表給出了切削加工時(shí)間t，刀具后面磨損量VB以及振鈴計(jì)數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。可以看出，隨著刀具磨損的加劇，采樣時(shí)間內(nèi)超過事先預(yù)定閾值的AE信號振鈴計(jì)數(shù)有不斷增加的趨勢。
      研究表明，斷屑，切屑纏繞，切屑撞擊傳感器等干擾所產(chǎn)生的高頻AE信號由于其局部峰值較高，通常會引起AE_RMS值的增加，有時(shí)甚至使AE_RMS值超過閾值，但由于其峰值信號持續(xù)時(shí)間很短，對振鈴計(jì)數(shù)的影響較小。因此，使用振鈴計(jì)數(shù)能很好地解決干擾信號的影響問題。
      
      圖4 系統(tǒng)監(jiān)測原理
3. 監(jiān)測方法
   由a分析已知，切削加工中AE信號的來源很多，通過帶通濾波(50～120kHz)能在很大程度上減少與刀具磨損狀態(tài)無關(guān)的AE信號的影響，但對一些頻帶范圍較寬的干擾(如切屑撞擊傳感器)則無法完全排除。為此，筆者使用雙閾值判斷法，圖4為這種監(jiān)測方法的原理。AE_RMS值大于閾值時(shí)，判斷振鈴計(jì)數(shù)是否也達(dá)到預(yù)先設(shè)置的閾值，只有當(dāng)兩者都超過各自的閾值時(shí)，才認(rèn)為刀具已磨損，否則，認(rèn)為是干擾信號使AE_RMS超過閾值。

2 實(shí)驗(yàn)及討論