固体声在砂轮磨削及修整中的应用

邹黎 黄远

摘 要：文章叙述了固体声的工作原理及应用。利用固体声实时监控检测CBN砂轮磨削状态，做到砂轮空行程、防碰撞、在线磨削质量监控。利用固体声实现砂轮高效精密修整，并反馈修整质量图形。并结合生产，给出了常见质量异常图形，为持续高品质及自动化生产提供了宝贵经验。

关键词：固体声；CBN砂轮；砂轮修整；砂轮磨削

中图分类号：U466 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）12-121-03

Abstract： This paper describes the working principle and application of solid acoustic emission. The grinding state of CBN grindwheel is always monitored by solid acoustic emission， and it can realize the function of grindwheel air travel， collision prevention and online grinding quality. The solid acoustic emission is used to achieve high efficiency and precision dressing of grindwheel， and feedback the quality graphics. Combined with the production， the common quality abnormal graphics are given， which provides valuable experience for continuous high quality and automatic production.

Keywords： AE（solid acoustic emission）； CBN Wheel； Grindwheel Grinding； Grindwheel Dressing

CLC NO.： U466 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-121-03

1 固体声定义及原理

1.1 简述

机器在运行中，各种载荷及外力都将激励机器产生振动和噪声，故振动和噪声都是反映机器运行状态的重要物理量。激励源的信息是通过三种主要途径传递， 即：振动、空气中的辐射声、构件中的固体声。从对人体的作用来说， 振动给人以身体的感受，而噪声则是人耳听力上的感受；从动力媒介上看， 振动是通过固体传播的，而噪声则是借助空气传播的。机械振动派生噪声有几种途径：由振动着的机器本體、管路等直接对外放射噪声，这是空气噪声的主要来源；机器的振动由联接的基体、结构等在固体中以弹性波形式传播，并且由结构表面向外辐射结构噪声，此即一次固体声；空气噪声以压力波形式再次激发结构，使其振动，同时再由结构表面向外辐射结构噪声，此乃二次固声。一次固体声与二次固体声，也可统称二次噪声。

1.2 固体声定义

我们常说的固体声是一种声发射（Acoustic Emission，简称AE）现象，是指固体材料或构件，在外力（或内力）作用下，产生弹性和塑性变形、开裂、相变、及磁效应等动态过程中，伴随着以应力波形式快速释放能量的物理现象。所以也称为应力波发射（Stress Wave Emission）。声发射技术作为一种新兴的动态监控手段，自20世纪六十年代中期在美国开始引入对火箭固体发动机壳体和原子能反应堆管道的故障监控以来，已表现出该项技术明显的优势，引起了各国专家的极大兴趣。

1.3 固体声作用原理

声是振动能量传播，只要传感器能感受声波传输能量，就能拾得声信息。目前，固体声检测原理有：压强原理、压差原理、压强与压差复合原理、多声道干涉原理。

2 固体声在砂轮磨削加工中的应用

2.1 固体声AE传感器的选型与安装

固体声AE传感器一般有4种安装方式：

第一种为S型传感器（如图1），由单一部件组成，AE信号通过传感器底部接收。该传感器一般安装在尾架靠近工件轴端、头架靠近主轴端、砂轮架靠近砂轮端。

第二种为M型传感器（如图2），其由两部分组成，一个安装在主轴的表面或主轴内部的旋转部分，另一个固定不动、用来接收AE信号但是不和旋转部分接触。

第三种为R型传感器（如图3），由单一部件组成的环形传感器，一般安装在修整装置的主轴或法兰（尤其是用来监控接触修整时）、砂轮主轴、工件主轴。

第四种为ID传感器（如图4），即主轴内部AE传感器，由3部分组成：螺旋电缆、发射器、接收器。该种传感器可根据客户需求定制，安装在主轴内部，节约安装空间，应用最广泛。

2.2 固体声AE传感器在砂轮磨削中的采样频率选择

固体声有较宽的分布频域（从声频到数十兆赫），目前用于监控的频域主要在1O kHz至1 MHz之间，这就可排除生产现场很多噪声的干扰，提高信号的信噪比。如图5所示，不同信号滤波可得到不同的电压包络图形。

按照试验所得，砂轮磨削加工时可按以下频率选择：

Low：频率范围从35 kHz到50 kHz，例如在主轴箱（轴承会削弱高频率AE信号）使用S型传感器来完成AE测量；

Medium-low：频率范围从70 kHz到100 kHz，例如在主轴内部使用ID型传感器来完成AE测量；

Medium-high：频率范围从250 kHz到350 kHz，例如在主轴或法兰上使用R型或M型传感器来完成AE测量。

2.3 典型磨削图形分析

固体声AE传感器可实时监控磨削图形，以电压包络图形式反馈，我们可按照经验观察分析图形，有利于解决加工质量（见图6、图7）及节拍问题（见图8、图9）。

3 固体声在砂轮修整中的应用

CBN砂輪是以CBN（立方氮化硼）磨料为原料，分别用金属粉、树脂粉、陶瓷和电镀金属作结合剂，制成各种形状的制品，用于磨削、抛光、研磨等。CBN砂轮结构一般由工作层、基体、过渡层三部分组成。工作层又称CBN层，由磨料、结合剂和填料组成，是砂轮的工作部分。过渡层又称非CBN层，由结合剂、金属粉和填料组成，是将CBN层牢固地连接在基体上的部分。基体是由铝、钢或电木加工而成，起支承工作层和装卡砂轮的作用。

如图10所示，砂轮修整一般分为快速启动、首次接触循环、正常修整循环、最终修整循环四个阶段：

①快速启动：启动砂轮修整程序后，砂轮会快速运动到预先设定的安全修整位置（约0.2mm），若中途检测到碰撞信号，则返回原位。

②首次接触循环：机床会以每个循环进给0.004mm的速度缓慢接近修整轮，直到检测到首次接触AE信号。

③正常修整循环：砂轮以0.004mm的进给完成整个表面的修整，修整过程中可根据NC程序调整砂轮锥度、腰鼓度，AE信号全程监控，确保不超过设定值。

④最终修整循环：机床按照每次修整总量完成砂轮修整，

终上所述，使用固体声可以高效完美实时监控砂轮修整过程，做到防碰撞监控，修整质量报警，提高修整效率，提高生产效率。

4 结束语

利用不同的固体声传感器类型，以及选择不同的固体声采样频率，可有效实现砂轮磨削及修整的在线监控及故障报警，从而为高效自动化生产提供帮助。

参考文献

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