聲發(fā)射技術(shù)在修整工藝和磨削工藝參數(shù)選擇上的應(yīng)用

黃嵩原 房小艷 杜 雄

（上海機(jī)床廠有限公司 上海200093）

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

基于 AE（Acoustic Emission）傳感器采集修整和磨削加工過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)[1]，確定聲發(fā)射信號(hào)和磨削工件表面加工質(zhì)量與修整工藝參數(shù)、磨削加工工藝參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以求優(yōu)化出在一定工藝參數(shù)條件下最佳的修整工藝參數(shù)和磨削工藝參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及檢測(cè)裝置

進(jìn)行磨削加工的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為H369專(zhuān)用磨床，該機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)端面外圓磨頭的最高主軸轉(zhuǎn)速為1177 r/min，端面外圓砂輪的修整采用金剛筆形式，金剛筆固定安裝在頭架上，配置的砂輪為鉻鋼玉砂輪。磨削實(shí)驗(yàn)的工件材料為 45#鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的圓柱形棒料，硬度HB150。檢測(cè)傳感器是SBS公司的 SB-4260AE+聲發(fā)射傳感器，通過(guò)精確控制卡SB-5500控制器可以采集AE信號(hào)。

在利用AE傳感器監(jiān)測(cè)修整和磨削加工的過(guò)程中，一定要注意傳感器的安裝位置，盡量減少聲發(fā)射源到傳感器之間的傳播通道，減少傳播過(guò)程中的結(jié)合面損失。通過(guò)試驗(yàn)調(diào)整，在頭架頂面布置的AE+傳感器可用來(lái)有效檢測(cè)修整時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)，在尾架頂尖套筒上布置的 AE+傳感器可有效檢測(cè)磨削加工過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)，傳感器安裝的位置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)時(shí)AE傳感器在機(jī)床上的安裝

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 修整工藝參數(shù)單因素實(shí)驗(yàn)

一定的修整工藝參數(shù)可以將砂輪修整出合格的外形和鋒利度，確保良好的工件表面磨削加工質(zhì)量。影響修整效果的工藝參數(shù)主要有砂輪轉(zhuǎn)速ns、來(lái)回修整的運(yùn)動(dòng)速度vr以及修整量ad。以單因素法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，每次改變一個(gè)工藝參數(shù)檢測(cè)修整時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)，然后在相同的切削加工工藝進(jìn)行單次切入磨，這里采用的磨削工藝參數(shù)是進(jìn)刀量0.1 mm、砂輪轉(zhuǎn)速1177 rpm、工件轉(zhuǎn)速60 rpm、切入速度0.2 mm/min，通過(guò)表面粗糙度儀對(duì)磨削加工后的部位進(jìn)行測(cè)量。固定砂輪轉(zhuǎn)速ns、來(lái)回運(yùn)動(dòng)的修整速度vr和修整量ad三個(gè)修整工藝參數(shù)中的兩個(gè)參數(shù)，改變另外一個(gè)參數(shù)，獲得了表1～表3的試驗(yàn)結(jié)果。

表1 不同修整速度下磨削加工結(jié)果(ad=0.02 mm, ns=1177 rpm)

表2 不同修整量下磨削加工結(jié)果(ns=1177 rpm, vr=60 mm/min)

表3 不同砂輪轉(zhuǎn)速下磨削加工結(jié)果(ad=0.02 mm, vr=60 mm/min)

表4 修整工藝正交實(shí)驗(yàn)AE和粗糙度記錄分析表

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

(1)隨著修整速度vr的增加，AE聲發(fā)射的信號(hào)值隨著增加，而工件加工表面粗糙度質(zhì)量先是減小，隨后增加。

(2)隨著每次修整量ad的變化，AE聲發(fā)射的信號(hào)先是減小隨后再開(kāi)始往上升，這是由于砂輪表面輪廓復(fù)雜導(dǎo)致的，修整量太小不能將砂粒突出結(jié)合劑的部分修掉，而只會(huì)對(duì)砂粒表面造成損傷，導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)值增加；工件表面粗糙度加工質(zhì)量呈現(xiàn)復(fù)雜的變化規(guī)律。

(3)隨著砂輪轉(zhuǎn)速ns的增加，AE聲發(fā)射的信號(hào)值隨著增加，工件表面粗糙度隨著減小，磨削加工質(zhì)量變得越來(lái)越好；實(shí)際修整時(shí)一般希望砂輪保持轉(zhuǎn)速和實(shí)際磨削加工的轉(zhuǎn)速相同，這一點(diǎn)也說(shuō)明選擇實(shí)際的砂輪轉(zhuǎn)速效果最好。

每次修整量要選擇適中，過(guò)低修整量不能完全將砂輪輪廓修出，不利于磨削；如果修整量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致砂輪損耗嚴(yán)重，降低砂輪使用壽命，增加加工成本。雖然較低的修整速度能保證工件表面的加工質(zhì)量較好，但它占用機(jī)床實(shí)際加工時(shí)間，無(wú)疑降低機(jī)床的使用率，從而提高機(jī)床加工成本，因此需要在保證加工質(zhì)量的前提下盡量提高修整速度。

3.2 修整工藝參數(shù)多因素正交法實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步探究修整工藝參數(shù)和工件加工表面磨削質(zhì)量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)一組三因素三水平的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。將來(lái)回運(yùn)動(dòng)的修整速度vr的三水平設(shè)定為20 mm/min、40 mm/min和60 mm/min，將每次修整量ad的三水平設(shè)定為 0.01、0.015和 0.02 mm，將修整時(shí)砂輪的轉(zhuǎn)速ns的三水平設(shè)定為 900 rpm、1000 rpm和1177 rpm。根據(jù)L9（34）正交表[2]形成如表4所示的工藝試驗(yàn)記錄分析表。

接上表

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

(1）可以看出對(duì)AE值影響程度最大的修整參數(shù)是每次修整量，其次是砂輪轉(zhuǎn)速，最小的是修整速度。

(2）可以看出對(duì)工件表面加工質(zhì)量影響程度最大的修整參數(shù)是修整速度，砂輪轉(zhuǎn)速的影響最?。划?dāng)修整速度vr=20 mm/min，每次修整量ad=0.01mm，砂輪轉(zhuǎn)速 ns=1177 rpm時(shí)修整出的砂輪獲得最佳表面，加工出工件表面質(zhì)量最好，這和單因素法得出的結(jié)果一致。

在實(shí)際磨削加工過(guò)程中，僅僅通過(guò)修整獲得更好的砂輪表面質(zhì)量是不夠的；砂輪表面質(zhì)量太好，磨削時(shí)磨削力很大，可能導(dǎo)致主軸電流過(guò)載，所以修整工藝參數(shù)要合理選擇，需要綜合考慮修整效率和砂輪使用壽命。

此外，修整工藝參數(shù)對(duì)工件表面加工質(zhì)量和AE值的影響趨勢(shì)不同，兩者之間沒(méi)有直接聯(lián)系。

3.3 砂輪磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)

在磨削加工過(guò)程中砂輪會(huì)產(chǎn)生磨損，甚至變鈍，這樣容易導(dǎo)致工件表面的加工質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致砂輪堵塞，造成工件表面磨削燒傷。在磨削過(guò)程中，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，在相同的磨削工藝參數(shù)下，根據(jù)砂輪切入磨削過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)的變化趨勢(shì)，依靠工件表面質(zhì)量變化來(lái)間接觀察砂輪是否磨損。

砂輪在運(yùn)動(dòng)速度200 mm/min、每次修整量0.02 mm和砂輪轉(zhuǎn)速1177 rpm的修整工藝參數(shù)修整后，一共進(jìn)行四十五次切入磨實(shí)驗(yàn)，每次的磨削加工工藝參數(shù)為：切入速度0.2 mm/min、砂輪轉(zhuǎn)速1177 rpm和工件轉(zhuǎn)速60 rpm。測(cè)量每工件段的粗糙度值，每段測(cè)五組數(shù)據(jù)，取平均值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到圖 2的試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 工件加工表面粗糙度質(zhì)量隨切削次數(shù)的變化趨勢(shì)

從圖2可以看出，隨著加工次數(shù)的增加，開(kāi)始時(shí)工件的表面粗糙度較好，之后表面質(zhì)量的數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，最后工件表面粗糙度越來(lái)越大，表明砂輪表面的磨損已達(dá)一定程度，砂輪形貌質(zhì)量已開(kāi)始惡化。

定義工件表面粗糙度變化超過(guò)第一次工件加工后表面粗糙度的百分之十作為砂輪磨損而引起工件表面加工質(zhì)量變壞不合格。根據(jù)圖2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)處理得到砂輪在第二十三次切入磨削后，砂輪表面形貌質(zhì)量已達(dá)上述人為規(guī)定的磨損量，砂輪產(chǎn)生了較大的磨損，應(yīng)該進(jìn)行再修整。

3.4 磨削工藝參數(shù)多因素正交實(shí)驗(yàn)

工件表面加工質(zhì)量受磨削力影響較大，J.Webster[3]，Tawakoli[4]等人實(shí)驗(yàn)研究表明，AE值和磨削力存在一定比例關(guān)系，當(dāng)切削力增大時(shí) AE值也增大。

和切入磨削直接相關(guān)的有磨削切入速度vr、工件轉(zhuǎn)速nw和砂輪轉(zhuǎn)速ns三個(gè)加工工藝參數(shù)。設(shè)計(jì)三因素三變量正交實(shí)驗(yàn)來(lái)研究磨削工藝參數(shù)和表面粗糙度以及聲發(fā)射信號(hào)之間的聯(lián)系。表5是按正交表規(guī)則設(shè)計(jì)的磨削工藝參數(shù)正交實(shí)驗(yàn)AE和粗糙度記錄分析表。為避免修整砂輪后對(duì)聲發(fā)射信號(hào)帶來(lái)的影響，切入前砂輪先進(jìn)行修整，砂輪修整完后再切入兩刀，第三刀進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

表5 磨削工藝正交實(shí)驗(yàn)AE和粗糙度記錄分析表

由表5可以看出：

（1）對(duì)加工表面粗糙度質(zhì)量和AE信號(hào)值影響最大的磨削工藝參數(shù)是切入速度，影響最小的是工件轉(zhuǎn)速。

（2）隨著砂輪轉(zhuǎn)速的升高，工件的表面加工表面質(zhì)量隨之變好，同時(shí)AE信號(hào)值也按相同規(guī)律增大；隨著切入速度的增大，工件表面加工質(zhì)量隨之變差，而此時(shí)AE信號(hào)值變化不大；這表明磨削加工工藝參數(shù)、AE信號(hào)值和工件表面加工質(zhì)量三者之間沒(méi)有直接的聯(lián)系，很難直接通過(guò)AE信號(hào)值來(lái)判斷工件表面加工質(zhì)量的好壞。

（3）在正交實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，獲得最好加工表面質(zhì)量的加工工藝參數(shù)為砂輪轉(zhuǎn)速1 177 rpm，工件轉(zhuǎn)速40 rpm，切入速度0.2 mm/min。

4 結(jié)語(yǔ)

在修整工藝和磨削工藝實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在磨床上布置AE傳感器檢測(cè)聲發(fā)射值，通過(guò)修整工藝參數(shù)單因素試驗(yàn)和多因素正交實(shí)驗(yàn)、砂輪磨損狀態(tài)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)、磨削工藝參數(shù)多因素正交實(shí)驗(yàn)，分析AE聲發(fā)射值與修整工藝參數(shù)、磨削工藝參數(shù)之間的關(guān)系，以工件表面粗糙度質(zhì)量?jī)?yōu)選得到較優(yōu)的修整工藝參數(shù)和磨削工藝參數(shù)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為聲發(fā)射技術(shù)在磨削工藝研究具有一定的指導(dǎo)意義。