基于聲發(fā)射監(jiān)測的砂輪磨損實(shí)驗(yàn)

尹國強(qiáng)， 王 東， 關(guān)云勻， 王佳輝

(1. 東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819； 2. 中國科學(xué)院金屬研究所 沈陽材料科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽 110016)

近年來，難加工材料如高溫合金、復(fù)合材料等廣泛應(yīng)用到機(jī)械加工相關(guān)的領(lǐng)域中[1].其表現(xiàn)出的高硬度和高耐磨性使得磨削加工過程中砂輪的損耗速度變快，故精準(zhǔn)識別難加工材料磨削過程中砂輪的磨損程度顯得尤為重要，這對降低加工成本以及提高加工效率和工件表面質(zhì)量有著非常重要的意義[2-3].自20世紀(jì)80年代，聲發(fā)射(acoustic emission，AE)技術(shù)被引入到磨削加工領(lǐng)域并取得了令人滿意的結(jié)果[4].國內(nèi)外學(xué)者針對聲發(fā)射技術(shù)在磨削加工中的應(yīng)用做了一些研究工作，并且取得了重要的研究成果.Alexandre等[5]采用聲發(fā)射數(shù)字信號處理和模糊數(shù)學(xué)模型，對磨削過程中砂輪的表面規(guī)律和修整情況進(jìn)行了評價(jià).試驗(yàn)結(jié)果表明，該模糊模型對砂輪表面狀態(tài)的診斷是非常有效的.Krishnan等[6]建立了隱馬爾可夫模型(hidden Markov models，HMM)，通過算法建立了聲發(fā)射特征與刀具條件之間的相關(guān)性，利用磨削過程中采集的聲發(fā)射信號預(yù)測砂輪狀態(tài).結(jié)果表明，利用AE-RMS特征建立的HMM模型能夠較好地預(yù)測砂輪狀態(tài).Arun等[7]從實(shí)驗(yàn)采集到的聲發(fā)射信號時(shí)域波形中提取了聲發(fā)射信號的均方根值、幅值、振鈴計(jì)數(shù)、平均信號電平等特征，并與磨削后工件的表面粗糙度進(jìn)行了比較和關(guān)聯(lián).結(jié)果表明，聲發(fā)射信號的特征量與磨削后工件的表面粗糙度有很強(qiáng)的相關(guān)性.Doriana等[8]利用磨削過程中的聲發(fā)射信號來表征砂輪狀態(tài)，并通過對信號的特征提取，實(shí)現(xiàn)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知系統(tǒng).Wang等[9]采用視覺與聲音多傳感器融合的方法來監(jiān)測磨削過程中的材料去除率，在時(shí)域、頻域和時(shí)頻域?qū)δハ鬟^程中聲發(fā)射信號的特征進(jìn)行研究.試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可用于同一規(guī)格砂帶的單參數(shù)和多個(gè)參數(shù)的預(yù)測.葉小冬[10]通過試驗(yàn)研究了砂輪磨削工件過程中，法向力和切向力的變化歷程，提取砂輪磨損過程中的磨削力信號特征值.結(jié)果表明：磨削過程中磨削力和法向力與切向力的比值可以作為判斷砂輪磨損劇烈程度的特征值.

上述研究主要通過聲發(fā)射單一信號監(jiān)測砂輪磨損狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)砂輪表面形貌和經(jīng)驗(yàn)判斷砂輪磨損程度.本文采用聲發(fā)射信號時(shí)域波形、時(shí)域特征參數(shù)、頻域信號特征以及磨削力和磨削力比的變化情況，綜合判斷實(shí)驗(yàn)過程中砂輪的磨損狀態(tài)；此外，采用激光位移傳感器精確測量砂輪的輪廓精度，結(jié)合表面形貌，共同判斷砂輪磨損程度，保證監(jiān)測結(jié)果更準(zhǔn)確高效.本文的研究成果，為建立砂輪磨損狀態(tài)多信息融合識別模型提供了理論基礎(chǔ)，同時(shí)有利于實(shí)際生產(chǎn)中及時(shí)對砂輪進(jìn)行修整，有效降低加工成本，提高加工效率和工件表面質(zhì)量.

1 砂輪磨損實(shí)驗(yàn)條件

磨削實(shí)驗(yàn)在2M9120型工具磨床上進(jìn)行，工件夾持工具位置可調(diào)，工作臺在磨床液壓系統(tǒng)的作用下能夠?qū)崿F(xiàn)自動往復(fù)運(yùn)動.實(shí)驗(yàn)采用KEYENCE VHX-1000E超景深三維顯微系統(tǒng)對砂輪表面形貌進(jìn)行觀察，低倍顯微鏡的放大倍數(shù)在20～200倍之間，高倍顯微鏡的放大倍數(shù)在500～5 000倍之間，可實(shí)現(xiàn)光學(xué)顯微系統(tǒng)20倍以上的景深.通過Kistler力信號檢測系統(tǒng)檢測了磨削過程中的磨削力，其中所用測力儀為Kistler 9257B三向測力儀.采用KEYENCE LK-G5000系列激光位移傳感器檢測砂輪表面的輪廓精度，該傳感器具備高速、高精度的特點(diǎn)以及諸多卓越的檢測性能.實(shí)驗(yàn)所用的聲發(fā)射信號檢測系統(tǒng)中包括聲發(fā)射采集卡、AE144S諧振式高靈敏度聲發(fā)射傳感器、PXPA III低頻聲發(fā)射前置放大器以及PC計(jì)算機(jī)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)所用砂輪是新制備的陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，砂輪參數(shù)見表1.磨削的材料是GH4169高溫合金，磨削參數(shù)為：磨削深度ap=40 μm，砂輪線速度vs=25 m/s，進(jìn)給速度vw=0.75 m/min.

表1 CBN砂輪參數(shù)表Table 1 Parameters of CBN grinding wheels

整個(gè)磨削過程分為三個(gè)階段，每個(gè)階段材料被磨除的厚度約為3.6 mm，磨削寬度為5 mm，磨削長度為18 mm，每個(gè)階段的工件材料去除體積約為324 mm3，工件材料去除總體積約為972 mm3.在每一個(gè)磨削階段中，磨削厚度每達(dá)到1.2 mm左右時(shí)，就換同一個(gè)工件上的另一個(gè)位置繼續(xù)磨削，總磨削厚度達(dá)到3.6 mm左右時(shí)，一個(gè)磨削階段完成.每個(gè)階段共采集聲發(fā)射信號30組，磨削力信號30組，每個(gè)階段磨削完成后都用超景深顯微鏡觀察砂輪的表面形貌，并用激光位移傳感器檢測砂輪表面的輪廓精度，參考聲發(fā)射信號時(shí)域波形、時(shí)域特征參數(shù)、頻域信號特征以及磨削力和磨削力比的變化情況，綜合分析并判斷每個(gè)階段完成后砂輪的磨損狀態(tài).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同磨損狀態(tài)砂輪表面形貌和輪廓精度分析

磨削實(shí)驗(yàn)之前在砂輪的側(cè)面隨機(jī)標(biāo)記了3個(gè)區(qū)域，這主要是為了方便在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中對標(biāo)記的3個(gè)區(qū)域進(jìn)行跟蹤觀察，新砂輪表面形貌如圖2所示.第一到第三磨削階段的表面形貌分別對應(yīng)砂輪的輕度磨損狀態(tài)、中度磨損狀態(tài)和嚴(yán)重磨損狀態(tài)(見圖3～圖5).

圖2 新砂輪表面形貌

圖3a，4a，5a為第一個(gè)磨削階段完成后砂輪表面形貌，對應(yīng)砂輪的輕度磨損狀態(tài).在此階段中，新砂輪經(jīng)過一段時(shí)間的磨削，磨粒和材料之間的摩擦和擠壓作用使這些磨粒迅速發(fā)生微破碎，且部分磨粒頂部的磨損平面面積變大，故此磨削階段中的砂輪磨損較快，并且在此階段中，砂輪上磨粒的分布逐漸趨于穩(wěn)定.圖3b，4b，5b為第二個(gè)磨削階段完成后的砂輪表面形貌，對應(yīng)砂輪的中度磨損狀態(tài).在這個(gè)磨削階段中，磨粒頂部的磨損平面面積進(jìn)一步增大，少部分磨粒出現(xiàn)了破碎甚至脫落的現(xiàn)象，由于此階段砂輪上的磨粒相對比較穩(wěn)固，所以砂輪的磨損量相對較小.圖3c，4c，5c為第三個(gè)磨削階段完成后的砂輪表面形貌，對應(yīng)砂輪的嚴(yán)重磨損狀態(tài).在這個(gè)磨削階段中，一些磨粒頂部的磨損平面面積已經(jīng)變得非常大，導(dǎo)致磨削力急劇增大，磨削力的增大使大量的磨粒破碎甚至整體脫落，雖然CBN砂輪具有較強(qiáng)的自銳性，磨削過程中有少量新的磨粒突出結(jié)合劑外，但磨粒的大量破碎和整體脫落使砂輪的磨削能力嚴(yán)重下降，砂輪表面的輪廓精度被嚴(yán)重破壞，砂輪的磨損量急劇變大，此時(shí)的砂輪已經(jīng)不適合進(jìn)行正常的磨削，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修整.

圖3 標(biāo)記區(qū)域1形貌

圖4 標(biāo)記區(qū)域2形貌

圖5 標(biāo)記區(qū)域3形貌

每個(gè)磨削階段完成后用激光位移傳感器對標(biāo)記的位置進(jìn)行檢測，新砂輪周向輪廓線的波動范圍約為47 μm，波動幅度相對較小，且相鄰的波峰和波谷之間的差值較大，如圖6a所示.隨著磨削的進(jìn)行，砂輪不斷磨損，其表面輪廓精度逐漸降低，3個(gè)磨損階段的周向輪廓曲線變化范圍分別為52，57，65 μm，曲線在砂輪徑向的波動幅度逐漸增大，如圖6b，6c，6d所示.說明隨著磨削的進(jìn)行，磨粒的大量破碎和整體脫落使砂輪表面的輪廓精度逐漸降低，砂輪表面回轉(zhuǎn)中心與機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)中心之間的偏差越來越大，導(dǎo)致砂輪磨削能力下降.

圖6 砂輪周向輪廓

2.2 不同砂輪磨損狀態(tài)的聲發(fā)射信號特征分析

三種磨損狀態(tài)的聲發(fā)射信號如圖7～圖9所示.對比圖7a，圖8a和圖9a可知，隨著砂輪磨損程度的增大，聲發(fā)射信號時(shí)域波形的幅值明顯增大.

對比圖7b，圖8b和圖9b可知，隨著砂輪磨損程度的增加，頻譜特征的變化更加明顯，120～140 kHz之間的幅值變化最為明顯，且在此頻段上，隨著砂輪磨損程度變大，頻譜幅值會逐漸增大，輕度磨損

圖7 砂輪輕度磨損時(shí)聲發(fā)射信號

圖8 砂輪中度磨損時(shí)聲發(fā)射信號

的最大幅值約為163 dB，中度磨損的最大幅值約為242 dB，嚴(yán)重磨損的最大幅值約為320 dB.相比于輕度磨損時(shí)的頻譜，中度磨損的頻譜在60，76，85，94 kHz附近出現(xiàn)了較高的波峰，而5 kHz和14 kHz附近的頻譜幅值相對有所下降，相比于前兩種，嚴(yán)重磨損的聲發(fā)射信號頻譜在5 kHz和14 kHz附近出現(xiàn)很高的波峰.因此，磨削過程中聲發(fā)射信號時(shí)域波形和頻譜的變化在一定程度上能夠反映砂輪的磨損狀態(tài).

圖9 砂輪嚴(yán)重磨損時(shí)聲發(fā)射信號

此外，聲發(fā)射信號有效值(VRMS)、振鈴計(jì)數(shù)值(ringing count value)與砂輪的磨損狀態(tài)也有著較好的對應(yīng)關(guān)系.本實(shí)驗(yàn)共采集了90組聲發(fā)射信號，取其中18組信號，分析得出其有效值、振鈴計(jì)數(shù)值隨工件材料去除體積的變化趨勢，如圖10所示.

從圖10a可以看出，隨著工件材料去除體積的增大，聲發(fā)射信號有效值的總體變化趨勢是逐漸增大的，當(dāng)工件材料去除體積在162 mm3以下時(shí)，聲發(fā)射信號有效值的變化比較明顯，而工件材料去除體積在162～594 mm3之間時(shí)，聲發(fā)射信號有效值的變化比較平緩，但總體呈逐漸增大的趨勢，當(dāng)工件材料去除體積在594 mm3以上時(shí)，聲發(fā)射信號有效值急劇增大，變化非常明顯，這主要是由于砂輪已經(jīng)到了嚴(yán)重磨損的狀態(tài)，砂輪表面的磨粒破碎和磨粒整體脫落的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，導(dǎo)致了聲發(fā)射信號有效值增大得非常明顯.從圖10b 可以看出，隨著工件材料去除體積的增大，聲發(fā)射信號振鈴計(jì)數(shù)的總體變化趨勢是逐漸增大的，與工件材料的去除體積有著較好的對應(yīng)關(guān)系.

圖10 工件材料去除體積對有效值和振鈴計(jì)數(shù)值的影響

2.3 不同砂輪磨損狀態(tài)的磨削力分析

磨削力和磨削力比的變化與砂輪的磨損狀態(tài)有著很好的對應(yīng)關(guān)系，本文共采集90組磨削力信號，取其中18組，經(jīng)處理后得到其法向磨削力Fn和切向磨削力Ft，發(fā)現(xiàn)在磨削過程中，隨著工件材料去除體積的增加，法向磨削力和切向磨削力都有著不同程度的變化，如圖11a所示.由圖11a可知，隨著工件材料去除體積的增加，法向磨削力的變化非常顯著，呈整體增加的趨勢，而切向磨削力的變化沒有法向磨削力的變化明顯，增加非常緩慢，有維持基本不變甚至下降的趨勢.當(dāng)工件材料去除體積在270 mm3以下時(shí)，砂輪處于輕度磨損狀態(tài)，法向磨削力快速增加，隨后當(dāng)工件材料去除體積在270～648 mm3時(shí)，砂輪處于中度磨損狀態(tài)，法向磨削力呈現(xiàn)緩慢增加的變化趨勢，當(dāng)工件材料去除體積進(jìn)一步增加，此時(shí)砂輪進(jìn)入嚴(yán)重磨損狀態(tài)，法向磨削力急劇增加.

圖11b為磨削力比隨工件材料去除體積的變化趨勢.由圖11b可知，砂輪處于輕度磨損狀態(tài)時(shí)，磨削力比大幅度增加，這是因?yàn)樯拜啽砻娴哪チ１容^鋒利，磨粒頂部的磨損平面面積很小，砂輪磨削能力較強(qiáng)，導(dǎo)致磨削時(shí)產(chǎn)生的磨削力較??；隨著工件材料去除體積的增加，比較鋒利的磨粒強(qiáng)度較弱，會很快發(fā)生微破碎，與結(jié)合劑結(jié)合強(qiáng)度較弱的磨粒會很快發(fā)生脫落并產(chǎn)生新的磨粒，砂輪表面磨粒的分布逐漸趨于穩(wěn)定，與工件磨削表面的實(shí)際接觸面積逐漸增大，導(dǎo)致法向磨削力呈現(xiàn)快速增加的趨勢；而切向磨削力呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，故磨削力比大幅度增加.砂輪處于中度磨損狀態(tài)時(shí)，砂輪表面的磨粒已經(jīng)變得相對比較穩(wěn)固，磨粒破碎和脫落減少，法向磨削力和切向磨削力的變化都比較平穩(wěn)，故磨削力比呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢.當(dāng)工件材料去除量增加到648 mm3以上時(shí)，磨削力比急劇增加，這是因?yàn)樯拜喴呀?jīng)進(jìn)入嚴(yán)重磨損狀態(tài)，磨粒頂部的磨損平面面積已經(jīng)變得很大，大量磨粒發(fā)生破碎或整體脫落，且砂輪表面出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，砂輪的磨削能力嚴(yán)重下降，導(dǎo)致砂輪表面與材料的擠壓和摩擦作用增強(qiáng)，法向磨削力迅速增加，而切向磨削力增加幅度較小，所以磨削力比在此砂輪磨損狀態(tài)下迅速變大.綜合來看，磨削力比與砂輪磨損狀態(tài)有著非常好的對應(yīng)關(guān)系，可以作為判別砂輪磨損狀態(tài)的重要依據(jù).

圖11 工件材料去除體積對磨削力和磨削力比的影響

3 結(jié) 論

1) 隨著磨削的進(jìn)行，磨粒的大量破碎和整體脫落使砂輪表面的輪廓精度逐漸降低，回轉(zhuǎn)時(shí)砂輪表面上各點(diǎn)形成的圓形軌跡的半徑值差距較大，軌跡曲線在砂輪徑向上的波動幅度逐漸增大，砂輪表面回轉(zhuǎn)中心與機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)中心之間的偏差越來越大，導(dǎo)致砂輪的磨削能力下降.

2) 隨著砂輪磨損程度的增大，聲發(fā)射信號時(shí)域波形的幅值明顯增大，嚴(yán)重磨損時(shí)聲發(fā)射信號時(shí)域波形的幅值最大；頻譜幅值也隨磨損程度的變大逐漸增大，120～140 kHz間頻譜幅值變化最為明顯.隨著工件材料去除體積的增大，從總體的變化趨勢來看，聲發(fā)射信號有效值和振鈴計(jì)數(shù)值逐漸增大.

3) 隨著工件材料去除體積的增加，法向磨削力變化顯著，呈整體增加的趨勢；切向磨削力增加非常緩慢，有維持基本不變甚至下降的趨勢.砂輪處于輕度磨損狀態(tài)時(shí)，磨削力比大幅度增加；砂輪處于中度磨損狀態(tài)時(shí)，磨削力比呈緩慢增加趨勢；砂輪進(jìn)入嚴(yán)重磨損狀態(tài)時(shí)，磨削力比急劇增加.

4) 聲發(fā)射信號的時(shí)域波形、頻譜、有效值、振鈴計(jì)數(shù)值以及磨削力、磨削力比都與砂輪的磨損程度具有一定的相關(guān)性，可以作為判別砂輪磨損狀態(tài)的重要依據(jù).