金屬切削加工過程中的無損檢測相關問題探討

許亞麗　薛林濤

摘要：本文主要針對金屬切削加工各種信號的無損檢測相關問題進行探討，重點分析了無損檢測的多種方法，并且結合實際，最后提出了金屬切削加工過程中的無損檢測發展趨勢和方向，希望對于金屬切削加工發展具有一定幫助。

1 引言130

中國目前也是世界的制造中心，也是全世界第一制造大國，但是，并不能把中國認為是一個制造強國，在國際上的金磚五國中，中國和美、歐、日等國家還存在一定的差距，具體表現在技術先進性、、附加值、精度和加工效率等方面。對于制造業的重要組成部分的金屬切削來說，其加工方法主要包括磨、刨、拉、鏜、銑、車等。為了更好提高加工水平，在金屬切削過程中，需要通過一定的無損檢測手段來對于各種信號進行處理和分析。這對于新出現的新加工方法更為重要，比如相關的直接對硬度超過HRC50的材料進行單點切削的硬切削技術，這也是以切代磨的先進工藝的代表；一種綠色切削且不同切削液的干切削技術；高速磨削技術；高速切削技術等，這些都需要檢測相應的刀具的破損和磨損方面，使得加工的精度和效率進一步提高，通過參數的合理設置來盡量避免危險的出現。另外，對于信號的相關合適的采集和處理技術也非常重要，因為不同的信號處理方法適用于不同的情況，諸如低頻、高頻、非平穩、平穩以及高噪音信號的情況。

2.金屬切削加工各種信號的無損檢測分析與思考

2.1切削溫度測量分析

零件精度、刀具磨損、表面質量、薄壁件的變形都受到相應的切削溫度的影響。間接測量法、非接觸測量法和接觸測量法則是常見的幾種進行切削溫度的測量方法。其中，定熔點金屬粉末法和金相法屬于間接測量法；圖像法、紅外和熱輻射法則是屬于非接觸測量法；而在接觸測量法中，則包括半人工熱電偶法、人工熱電偶法、自然熱電偶法等幾種。在上述方法中，都存在不同的優缺點，一般來說，切削溫度能通過接觸測量法而進行直接測量，具有最高的可靠性和準確性。另外，由于紅外測溫的具有比較困難的標定，設備安裝也不容易，切屑流出還能夠影響到測量結果，所以，往往僅用此方法來進行刀具表面溫度的測量。溫度測量在某些切削加工方式確實比較困難，比如，溫度傳感器在鉆削這種封閉式切削過程中則存在比較難以安裝的問題。另外，對于通電加熱切削來說，由于大電流（100A-300A）會在工件和刀具間經過，這樣就造成了溫度不方便的測量。

2.2切削力、扭矩、功率的無損檢測探討

在加工過程中，零件加工精度、破損程度、刀具的磨損、穩定性、表面質量都受到相關的切削力、功率、扭矩的影響。其中，靈敏度高、響應快、采集力學信號比較容易則是這種便于在線測量的切削力監測法的主要特點，另外，其缺點則是具有較高成本，且變切削條件下設置監控閡值具有一定困難。最近，加工過程的扭矩測量可以通過非接觸扭矩傳感器得以實現，但是，其較大的系統慣性則在高速切削中存在一定的敏感性問題，還有待于進一步探討。在功率監測法中，考慮到離切削點較遠的電機的影響，同時再加上相應的濾波、滯后、慣性、干涉等作用，使得信號畸變容易在轉化中出現，這樣就造成了刀具破損的突發信號的不敏感性，這點在小功率切削中表現更加明顯。應變片式或者壓電傳感器則用于對于力學信號的測量，用非晶態合金渦流傳感器來測量扭矩，主軸電機的輸出電流能夠獲得功率的大小。

2.3振動測量

刀具破損、磨損的重要信號能夠通過振動反映，這也是加工過程穩定性表征的最直接指標，影響著相應的表面質量、零件精度問題，這點在細長軸、薄壁件中等低剛度零件較為明顯。應該在加工過程中絕對避免出現顫振的情況。對于工件和刀具都很硬的硬切削來說，斷續切削則是硬銑削的特點，這樣對于振動則較為敏感，也容易造成一定的刀具破損。嚴格控制振動幅度在相應的干切削和高速切削中也應該得到充分重視，可以通過加速度計測量振動的大小。

2.4刀具的偏斜變形分析

在切削力和本身剛度小的細長軸刀具中，包括相關的細長的鏜刀桿、鉆頭、內圓磨桿、銑刀等，垂直于刀具軸線方向上則比較容易出現一定的偏斜變形，也就是相應的繞度在主軸徑向方向出現。這樣，一方面使得系統振動而出現的顫振情況，能夠嚴重影響加工效果，另外一方面，也使得切削效率有所降低，使得切削刃的實際切削角度有所改變。這樣的情況下，刀具的偏斜變形往往采用電渦流的方法來進行測量，尤其是在刀具作高速旋轉的情況下適用。

2.5聲發射（hE）分析

在利用聲發射過程中，在一定外力的作用下，由于金屬材料的晶格所產生的破裂和錯位情況，其這樣產生的聲波在金屬內部傳遞，傳感器布置在其表面就可以檢測到。在切削加工中就廣泛應用到聲發射分析，比如，頻率范圍廣、敏感性高則是檢測刀具的磨損和破損過程中的特點，另外，還容易受到其他因素干擾，存在比較復雜的信號去噪過程。在小尺寸刀具破損的檢測方面，聲發射方法具有明顯的優勢，但是如果處理其他的比較大的切削量變化時，則就需要結合其他監控方法進行。

2.6其它參數方面分析

檢測切削加工狀態過程中，也還需要對于其他參數進行檢測。比如，刀具的磨損則是通過主軸電機輸入功率的微分來進行，加工過程中刀具的破損則是通過一定的超聲振動來進行，監測刀具則是通過切削振動的噪聲來進行等等。其中，S.R.Hayashi等人在美國通用電氣公司研發了相應的超聲振動監測刀具破損技術，能夠適用于車、銑、鉆等切削加工的多級識別過程。

2.7多參數的信息融合

在單一的參數的監測過程中，或多或少存在一定的局限性，應該利用多參數測量進行各自缺陷的補償，這樣才能較為準確和全面地反映加工過程，一種重要的發展趨勢就是多參數信號的信息融合。相應的信息融合有多種形式，主要有聚類分析、專家系統、模糊理論、神經網絡等。

3.信號去噪處理

很多噪聲干擾源必然會在切削加工過程中出現，比如，其它機床的噪聲干擾，高速旋轉的刀具或工件引起的噪聲，信號傳輸過程中的噪聲，數據采集裝置噪聲等，這其中的關鍵步驟就是需要進行信號去噪。目前，時頻域、頻域、時域則是三種常見的信號去噪的處理方法。信號去噪的一個發展趨勢則是時頻方法，切削加工過程中非平穩信號可以通過時頻方法處理，包括刀具破損、顫振等。平穩信號往往利用頻域和時域方法進行。利用傅立葉變換的各種功率譜估計方法則就是頻域方法，主要包括維格那時頻分布、小波變換、短時傅立葉變換等。在時域方法中，主要有Atria模型（AutoRegressive and Moving Average Model）、相關檢測、數字平均、取樣積分等。

4.結語

無損檢測在金屬切削加工過程的發展主要包括以下幾個方面：一是，高速切削、硬切削、干切削等新的切削加工方法，通過利用無損檢測系統，避免出現刀具磨損破損的危險，使得加工品質的提高；二是，為了盡量避免單一傳感器的缺陷，應該多傳感器的信息融合應該在檢測加工中采用；三是，新的傳感、測試技術以及新的信號處理方法正在快速發展，在切削加工過程中必將會應用越來越多的電渦流檢測、CCD檢測及其圖像處理方法、提升小波變換等相關技術。

5.參考文獻

[1]王雯，傅衛平，余健明，等.x射線自動無損檢測系統的設計研究[J].組合機床與自動化加工技術，2005，（7）.

[2]鄧勇剛，田鵬，吳傳軍，等.基于金屬磁記憶效應的鉆機起升滑輪無損檢測[J].石油礦場機械，2011，40（4）.