金属切削加工过程中的无损检测相关问题探讨

许亚丽　薛林涛

摘要：本文主要针对金属切削加工各种信号的无损检测相关问题进行探讨，重点分析了无损检测的多种方法，并且结合实际，最后提出了金属切削加工过程中的无损检测发展趋势和方向，希望对于金属切削加工发展具有一定帮助。

1 引言130

中国目前也是世界的制造中心，也是全世界第一制造大国，但是，并不能把中国认为是一个制造强国，在国际上的金砖五国中，中国和美、欧、日等国家还存在一定的差距，具体表现在技术先进性、、附加值、精度和加工效率等方面。对于制造业的重要组成部分的金属切削来说，其加工方法主要包括磨、刨、拉、镗、铣、车等。为了更好提高加工水平，在金属切削过程中，需要通过一定的无损检测手段来对于各种信号进行处理和分析。这对于新出现的新加工方法更为重要，比如相关的直接对硬度超过HRC50的材料进行单点切削的硬切削技术，这也是以切代磨的先进工艺的代表；一种绿色切削且不同切削液的干切削技术；高速磨削技术；高速切削技术等，这些都需要检测相应的刀具的破损和磨损方面，使得加工的精度和效率进一步提高，通过参数的合理设置来尽量避免危险的出现。另外，对于信号的相关合适的采集和处理技术也非常重要，因为不同的信号处理方法适用于不同的情况，诸如低频、高频、非平稳、平稳以及高噪音信号的情况。

2.金属切削加工各种信号的无损检测分析与思考

2.1切削温度测量分析

零件精度、刀具磨损、表面质量、薄壁件的变形都受到相应的切削温度的影响。间接测量法、非接触测量法和接触测量法则是常见的几种进行切削温度的测量方法。其中，定熔点金属粉末法和金相法属于间接测量法；图像法、红外和热辐射法则是属于非接触测量法；而在接触测量法中，则包括半人工热电偶法、人工热电偶法、自然热电偶法等几种。在上述方法中，都存在不同的优缺点，一般来说，切削温度能通过接触测量法而进行直接测量，具有最高的可靠性和准确性。另外，由于红外测温的具有比较困难的标定，设备安装也不容易，切屑流出还能够影响到测量结果，所以，往往仅用此方法来进行刀具表面温度的测量。温度测量在某些切削加工方式确实比较困难，比如，温度传感器在钻削这种封闭式切削过程中则存在比较难以安装的问题。另外，对于通电加热切削来说，由于大电流（100A-300A）会在工件和刀具间经过，这样就造成了温度不方便的测量。

2.2切削力、扭矩、功率的无损检测探讨

在加工过程中，零件加工精度、破损程度、刀具的磨损、稳定性、表面质量都受到相关的切削力、功率、扭矩的影响。其中，灵敏度高、响应快、采集力学信号比较容易则是这种便于在线测量的切削力监测法的主要特点，另外，其缺点则是具有较高成本，且变切削条件下设置监控阂值具有一定困难。最近，加工过程的扭矩测量可以通过非接触扭矩传感器得以实现，但是，其较大的系统惯性则在高速切削中存在一定的敏感性问题，还有待于进一步探讨。在功率监测法中，考虑到离切削点较远的电机的影响，同时再加上相应的滤波、滞后、惯性、干涉等作用，使得信号畸变容易在转化中出现，这样就造成了刀具破损的突发信号的不敏感性，这点在小功率切削中表现更加明显。应变片式或者压电传感器则用于对于力学信号的测量，用非晶态合金涡流传感器来测量扭矩，主轴电机的输出电流能够获得功率的大小。

2.3振动测量

刀具破损、磨损的重要信号能够通过振动反映，这也是加工过程稳定性表征的最直接指标，影响着相应的表面质量、零件精度问题，这点在细长轴、薄壁件中等低刚度零件较为明显。应该在加工过程中绝对避免出现颤振的情况。对于工件和刀具都很硬的硬切削来说，断续切削则是硬铣削的特点，这样对于振动则较为敏感，也容易造成一定的刀具破损。严格控制振动幅度在相应的干切削和高速切削中也应该得到充分重视，可以通过加速度计测量振动的大小。

2.4刀具的偏斜变形分析

在切削力和本身刚度小的细长轴刀具中，包括相关的细长的镗刀杆、钻头、内圆磨杆、铣刀等，垂直于刀具轴线方向上则比较容易出现一定的偏斜变形，也就是相应的绕度在主轴径向方向出现。这样，一方面使得系统振动而出现的颤振情况，能够严重影响加工效果，另外一方面，也使得切削效率有所降低，使得切削刃的实际切削角度有所改变。这样的情况下，刀具的偏斜变形往往采用电涡流的方法来进行测量，尤其是在刀具作高速旋转的情况下适用。

2.5声发射（hE）分析

在利用声发射过程中，在一定外力的作用下，由于金属材料的晶格所产生的破裂和错位情况，其这样产生的声波在金属内部传递，传感器布置在其表面就可以检测到。在切削加工中就广泛应用到声发射分析，比如，频率范围广、敏感性高则是检测刀具的磨损和破损过程中的特点，另外，还容易受到其他因素干扰，存在比较复杂的信号去噪过程。在小尺寸刀具破损的检测方面，声发射方法具有明显的优势，但是如果处理其他的比较大的切削量变化时，则就需要结合其他监控方法进行。

2.6其它参数方面分析

检测切削加工状态过程中，也还需要对于其他参数进行检测。比如，刀具的磨损则是通过主轴电机输入功率的微分来进行，加工过程中刀具的破损则是通过一定的超声振动来进行，监测刀具则是通过切削振动的噪声来进行等等。其中，S.R.Hayashi等人在美国通用电气公司研发了相应的超声振动监测刀具破损技术，能够适用于车、铣、钻等切削加工的多级识别过程。

2.7多参数的信息融合

在单一的参数的监测过程中，或多或少存在一定的局限性，应该利用多参数测量进行各自缺陷的补偿，这样才能较为准确和全面地反映加工过程，一种重要的发展趋势就是多参数信号的信息融合。相应的信息融合有多种形式，主要有聚类分析、专家系统、模糊理论、神经网络等。

3.信号去噪处理

很多噪声干扰源必然会在切削加工过程中出现，比如，其它机床的噪声干扰，高速旋转的刀具或工件引起的噪声，信号传输过程中的噪声，数据采集装置噪声等，这其中的关键步骤就是需要进行信号去噪。目前，时频域、频域、时域则是三种常见的信号去噪的处理方法。信号去噪的一个发展趋势则是时频方法，切削加工过程中非平稳信号可以通过时频方法处理，包括刀具破损、颤振等。平稳信号往往利用频域和时域方法进行。利用傅立叶变换的各种功率谱估计方法则就是频域方法，主要包括维格那时频分布、小波变换、短时傅立叶变换等。在时域方法中，主要有Atria模型（AutoRegressive and Moving Average Model）、相关检测、数字平均、取样积分等。

4.结语

无损检测在金属切削加工过程的发展主要包括以下几个方面：一是，高速切削、硬切削、干切削等新的切削加工方法，通过利用无损检测系统，避免出现刀具磨损破损的危险，使得加工品质的提高；二是，为了尽量避免单一传感器的缺陷，应该多传感器的信息融合应该在检测加工中采用；三是，新的传感、测试技术以及新的信号处理方法正在快速发展，在切削加工过程中必将会应用越来越多的电涡流检测、CCD检测及其图像处理方法、提升小波变换等相关技术。

5.参考文献

[1]王雯，傅卫平，余健明，等.x射线自动无损检测系统的设计研究[J].组合机床与自动化加工技术，2005，（7）.

[2]邓勇刚，田鹏，吴传军，等.基于金属磁记忆效应的钻机起升滑轮无损检测[J].石油矿场机械，2011，40（4）.