謝劍峰

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200240)

銑削加工是一種高效率的加工方式，在實際生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用。然而，銑削是一個斷續(xù)切削的過程，由于頻繁地切入與切出，由此產(chǎn)生的沖擊對刀具壽命有嚴(yán)重的影響。研究表明，銑刀在切入或切出階段更容易發(fā)生破損［1-2］。因此，銑刀切入切出過程的研究對于有效監(jiān)測刀具狀態(tài)以及改善銑削加工具有十分重要的意義。

本文采用聲發(fā)射信號監(jiān)測銑刀的切削過程，聲發(fā)射信號避開了加工過程中振動和音頻信號污染嚴(yán)重的低頻區(qū)，具有靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，十分適用于刀具切削過程的監(jiān)測［3］。通過正交試驗，利用小波變換對信號進(jìn)行多層分解，研究了正常狀態(tài)下銑刀切入切出AE信號的特征，分析了切削速度、進(jìn)給速度和銑削深度對切入切出階段信號各頻段能量比的影響，為進(jìn)一步的刀具狀態(tài)監(jiān)控打下了基礎(chǔ)。

1 小波變換

小波變換是對非平穩(wěn)信號進(jìn)行時頻分析的一個有效工具［4］。設(shè)φ(t)∈L2(R)為平方可積函數(shù)，其傅里葉變換為(ω)。當(dāng)(ω)滿足允許條件

則稱φ(t)為小波基或母小波。對它的伸縮與平移可得到一個小波基函數(shù)集合{φa，b(t)}，即

式中:a為伸縮因子;b為平移因子。令a=a和b=b0，則得到離散小波函數(shù)

相應(yīng)地，離散小波變換定義為

小波系數(shù)cm，n被認(rèn)為是信號的時頻函數(shù)，經(jīng)多尺度分解后，可以根據(jù)各個尺度的小波系數(shù)對信號進(jìn)行重構(gòu)，從而得到各層的細(xì)節(jié)信號。

在具體的應(yīng)用中小波函數(shù)的選取可以不同。本文采用Db4小波，該小波基在時頻域均具有良好局部特性。

2 信號的特征提取

為了以較小的維數(shù)描述信號的特征，需要對信號進(jìn)行特征提取。設(shè)信號f(t)∈L2(R)經(jīng)過n層小波分解重建，則根據(jù)能量守恒原理，各頻段子信號與原始信號的能量之間有如下關(guān)系:

式中:En(f(t))為原信號的能量;En(An)為近似空間An上子信號的能量;En(Dm)為第m層細(xì)節(jié)空間Dm上子信號的能量。

為了在應(yīng)用上的統(tǒng)一性，對能量進(jìn)行歸一化處理，則第m頻段子信號的能量比為

式中:En(x)為原信號的總能量;Em(x)為第m頻段的能量。

3 試驗

為了對銑刀切入切出特征及其影響因素進(jìn)行分析，需要進(jìn)行一系列試驗，以采集不同切削條件下的聲發(fā)射信號。試驗系統(tǒng)組成的示意圖和實物圖如圖1所示。銑床型號F2-250;工件材料45號鋼，銑削寬度70 mm;采用可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片(YT5);單齒對稱逆銑，無冷卻液;壓電陶瓷AE傳感器安裝在工件底部，AE信號經(jīng)放大濾波后通過NI PXI6070E數(shù)據(jù)采集卡采集，送入基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與在線監(jiān)測平臺，采樣頻率為1 MHz，采樣時間1 s。

表1 試驗因素與水平

采用上述試驗系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)于切削速度、進(jìn)給速度和銑削深度的三因素四水平正交試驗，試驗條件如表1所列。選取L16(45)標(biāo)準(zhǔn)正交表的前3列［5］，進(jìn)行16次實驗，分別采集多組正常切削狀態(tài)下的信號。

4 試驗結(jié)果與分析

以切削用量為v=28.27 m/min，f=0.4 r/min，ap=1.125 mm時的AE信號為例，對信號S進(jìn)行9層小波分解［6］，得到A9和D9～D1共10 個頻段的子信號，則AE信號S=A9+Di，如圖2所示，其中Tc為切削信號。各層子信號的頻段范圍如表2所列。

為了分析銑刀切入切出階段的信號特征，將切削信號Tc分成切入、切出以及穩(wěn)定切削3個階段。其中，切入、切出階段分別取切削信號的首尾部分，長度為從開始切入到形成2倍切削深度的切屑長度的時間。

4．1 銑刀切入與切出階段AE信號特征

按上述的方法，對16次試驗數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，計算3個階段信號經(jīng)小波變換后的各頻段能量比，每個試驗取10組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并取平均值。3個階段信號的各頻段能量比，如圖3所示。從總體分布情況來看，正常切削時3個階段的信號能量主要分布在低頻段(A9～D5)。而與穩(wěn)定切削階段相比，切入切出階段在中高頻段(D5～D3)的能量比則均要大一些。進(jìn)一步地比較切入切出階段可以看出，在低頻段(D9～D7)切入比切出階段的能量大，而中高頻段(D6～D3)則正好相反。

由于AE信號實質(zhì)上是一種應(yīng)力波，和刀具切削過程中的應(yīng)力變化狀況密切相關(guān)，故其信號的平穩(wěn)性也反映了切削過程的平穩(wěn)性。所以AE信號高頻能量越大，信號變化越劇烈，則切削平穩(wěn)性越差?？梢姡姷肚腥肭谐鲭A段的切削平穩(wěn)性比穩(wěn)定切削階段差，這可能是導(dǎo)致銑刀在切入切出時更容易發(fā)生破損的一個原因。而切出階段的高頻能量大可以反映出切出時的切削平穩(wěn)性比切入時要差，這可能導(dǎo)致銑刀在切出時比切入時更容易發(fā)生磨破損。

表2 各頻段范圍

4．2 切削用量對切入與切出階段AE信號的影響

對正交試驗中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行正交統(tǒng)計分析，分別得到不同切削速度、進(jìn)給速度和銑削深度條件下切入切出階段各頻段能量的分布對比情況。

不同切削速度條件下銑刀切入與切出階段各頻段的能量比，如圖4所示?？梢钥闯?，切削速度對銑刀切入和切出階段的影響基本一致且十分顯著。隨著切削速度的提高，低頻段(D9～D8)能量比迅速減小，而中高頻段(D7～D3)能量比則快速增大。說明當(dāng)切削速度提高，銑刀切入切出信號的低頻能量比減小，能量向中高頻部分分散，相應(yīng)地切削平穩(wěn)性降低，可能會導(dǎo)致較快的磨損或破損。

進(jìn)給速度對銑刀切入與切出階段信號影響不明顯，如圖5。在前3個進(jìn)給速度下，各頻段的能量比分布相差不大，但是在進(jìn)給速度增大到0.56 mm/r時，中高頻段能量比有相對明顯的增大趨勢，尤其切出時，增大尤為明顯。

同樣，銑削深度對銑刀切入切出信號的影響也不明顯，如圖6所示。在不同的銑削深度下，各頻段的能量比分布大致一致。但是在切出階段，隨著銑削深度的提高，中高頻段(D5～D3)的能量比有輕微減小的趨勢(圖6b)。

另外，由于刀具磨破損的特征頻段一般在100 kHz以上［7］，而綜合圖4～6，切削用量對于高頻段(D4～D1)的影響很小，可見高頻段能量比對于切削用量的敏感度較低。而在實際生產(chǎn)中，一臺機(jī)床上往往需要加工不同的產(chǎn)品，切削用量總是不斷變化的。因此，采用D4～D1頻段的能量比作為特征量，可以減少因切削用量變化所造成的誤判，有效監(jiān)測刀具狀態(tài)的變化，改善銑削加工。

5 結(jié)語

本文對銑刀切入切出時聲發(fā)射信號的特征進(jìn)行了研究，在正交試驗的基礎(chǔ)上，利用小波變換對不同切削條件下的切入切出信號進(jìn)行分析，結(jié)論如下:

(1)正常銑削時切入切出階段AE信號的高頻段能量比穩(wěn)定切削階段大，切削平穩(wěn)性較差。切出階段比切入階段AE信號的高頻能量大一些，相應(yīng)地切削平穩(wěn)性差一些。這可能是因為銑刀切入切出時應(yīng)力變化較穩(wěn)定切削時劇烈，而切出時的應(yīng)力狀況比切入時更為惡劣，從而導(dǎo)致作為應(yīng)力狀況表現(xiàn)的AE信號變化更為劇烈。

(2)切削速度對銑刀切入切出階段AE信號各頻段能量分布的影響最大，而進(jìn)給速度和銑削深度的影響較小。在低頻段，能量比與隨切削速度的增大而減小，而中高頻段則相反，且對切出信號的影響稍大。這可能是由于切削速度的提高導(dǎo)致刀具的應(yīng)力狀況惡化所造成的。

(3)利用高頻段的能量比作為刀具狀態(tài)變化的特征量，可以減小對切削用量的敏感度。

［1］Ghahramani B，Wang Z Y，Sahay C，et al.Analysis of initial contact and tool fracture in the milling process［J］.Machining Science and Technology，1999，3(1):9-23.

［2］Iulian Marinescu，Dragos A Axinte.A critical analysis of effectiveness of acoustic emission signals to detect tool and workpiece malfunctions in milling operations［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2008(48):1148-1160.

［3］胡秋.CIMS環(huán)境下刀具狀態(tài)監(jiān)測研究回顧與展望［J］.機(jī)床與液壓，2003(6):17-19.

［4］Stephane Mallat.信號處理的小波導(dǎo)引［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版杜，2002.

［5］王萬中.試驗的設(shè)計與分析［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［6］桂林，等.MATLAB小波分析高級技術(shù)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

［7］劉曉明，楊平.加工中心刀具破損實時監(jiān)控技術(shù)的研究［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2005(4):71-73.