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力作用而產(chǎn)生變形斷裂時，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以及切削加工時間t之間的對應關系
   圖3 聲發(fā)射信號的振鈴計數(shù)
   圖1是正常切削時AE信號的功率譜。由圖可以看出，正常切削時AE信號主要分布在50～120kHz和180～220kHz兩個頻段。50～120kHz頻段范圍內的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受到前刀面的摩擦與擠壓使切屑進一步產(chǎn)生滑移變形等引起。圖1b為崩碎切屑時AE信號的功率譜，此時出現(xiàn)在180～220kHz范圍內的信號是由切屑折斷產(chǎn)生的。大量實驗表明，切屑折斷、刀具內部裂紋的產(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范圍內的AE信號與刀具磨損狀態(tài)有著密切關系。
2. 特征信息的選擇
   1. AE信號的均方根值AE_RMS
      AE信號的均方根AE_RMS是反映AE信號能量大小的一個特征參量。設有信號AE(t)，對該信號進行連續(xù)采樣得到AE₁、AE₂、AE₃…AE_i(i=1，2，3…n)n個樣本點，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硬質合金刀片加工調質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AE_RMS和刀具后面磨損量VB與切削時間t之間的對應關系曲線。
      
      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信號的振鈴計數(shù)
      振鈴計數(shù)實際上也是一個反映信號能量大小的特征參量。如圖3所示，聲發(fā)射信號的振鈴計數(shù)就是對超過事先規(guī)定閾值(V_T)的聲發(fā)射信號進行計數(shù)。采樣時間內(取1024個采樣點)AE信號超過閾值的振鈴次數(shù)稱為該采樣時間內的振鈴計數(shù)。
      切削加工時間t
      (mm)初始切削36915后刀面磨損量00.130.190.220.30振鈴計數(shù)068253459467

      刀具磨損與AE信號振鈴計數(shù)之間的關系

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      附表給出了切削加工時間t，刀具后面磨損量VB以及振鈴計數(shù)之間的對應關系。可以看出，隨著刀具磨損的加劇，采樣時間內超過事先預定閾值的AE信號振鈴計數(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，有時甚至使AE_RMS值超過閾值，但由于其峰值信號持續(xù)時間很短，對振鈴計數(shù)的影響較小。因此，使用振鈴計數(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，判斷振鈴計數(shù)是否也達到預先設置的閾值，只有當兩者都超過各自的閾值時，才認為刀具已磨損，否則，認為是干擾信號使AE_RMS超過閾值。

2 實驗及討論