金属切削刀具状态声发射监测

金属切削刀具研究意义

高温合金零部件是航空航天发动机、燃气轮机等装备的核心零部件。一套中型高温合金零部件单价高达几十万人民币。高温合金因自身强度高（在600-1200℃高温下不软、不变形）是典型的难加工材料，在精加工阶段刀具磨损或刀具破损甚至会导致零件报废。造成大量经济与应用上的损失。

声发射技术在线监测

据相关数据统计刀具磨损造成的机床停机时间占所有停机时间的20%。因此如何准确的监测刀具损伤情况，是保证机床与工件质量的前提。由于磨损过程中存在缓变性，所以需要利用声发射在线监测技术，对刀具切削状态进行准确、及时、可靠的评估。以下内容为北京采声利用声发射TCS-MAE对不同材质的金属材料切削时产生的损伤进行监测

声发射系统、传感器、切削刀具与试样

采用铝合金刀具切割不同的棒材（碳钢、钨合金、不锈钢），通过不同的进刀量和走到速度的调整，使得刀具产生损伤、破裂、崩落等过程，在该过程中持续进行声发射监测，通过监测得到损伤的声发射数据，通过数据分析得到损伤的识别特征。

（1）传感器安装：

将传感器固定在刀架上，传感器与刀架上涂抹耦合剂，采用电工胶带将传感器绑扎，将刀架固定在切削台上。

声发射传感器安装到刀架上，整体固定在夹持台

（2）灵敏度校准：

采用自动铅笔在传感器安装的部位折断，折断的信号达到95dB以上，确定耦合良好，同时在静态过程中，没有大量的电磁干扰噪音出现。

灵敏度测试信号图

（3）噪音测试：

通过调整门槛，测试现场静态环境下的信号的幅度，根据幅度值测试，初步设定门槛;开始进行切削动作，观察信号的幅度水平，修改门槛，滤除掉大量摩擦噪音信号。

动态切削过程的信号图

实际切削过程中，实时采集信号。

铝合金刀具-不锈钢棒材切削图

铝合金刀具-钨合金棒材切削图

铝合金刀具-钨合金棒材切削图

刀具损伤（尖端破损）警告、报警实时显示

（1）声发射具有快速安装，长期监测的作用，实时显示切削过程的信息

（2）声发射的多个特征参数（能量、RMS、绝对能量、频率质心）可以表征刀具破损的时刻

（3）刀具出现磨损导致切削面的变化，反映在声发射特征参数（能量、RMS、绝对能量、频率质心、峰值频率）的变化

（4）刀具在切削不同金属材料的过程中，随着刀具的磨损，产生的声发射信号具有趋势变化过程特征。

（5）基于以上因素，声发射具有有效监测刀具的损伤变化的过程信息，同时可以实时监测、预警、报警功能。

（6）针对不同材料的试棒，刀具的磨损、刀具尖端的破损具有不同的警告与报警过程。

将超声探头（或工件）浸入水中，探头主动向被检测工件发射超声波；当超声波遇到工件内部的缺陷（如裂纹、气孔、夹杂）或界面时，会产生反射波，通过接收并分析反射波的 “传播时间、幅度、波形”，反向推断缺陷的位置、大小、性质。