潘智鵬，陳 鵬，曹傳亮，張祥林

（華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074）

精沖生產(chǎn)線上的模具沖頭發(fā)生崩刃是其常見(jiàn)的損壞形式之一［1］，其在線檢測(cè)一直以來(lái)都是阻礙精沖生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步自動(dòng)化的難題。筆者提出利用聲發(fā)射信號(hào)分析原理來(lái)完成對(duì)模具崩刃的在線檢測(cè)方法。沖頭崩刃的主要原因是模具在沖壓過(guò)程中沖頭受力情況較差，作用在其邊緣的載荷大而集中，沖頭工作時(shí)其受壓應(yīng)力，卸件時(shí)受拉應(yīng)力，在交變應(yīng)力的反復(fù)作用下，沖頭很容易發(fā)生崩刃［1］。在沖壓的過(guò)程中，金屬板材內(nèi)部發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂和組織破壞，在這個(gè)過(guò)程中晶格需要釋放應(yīng)變能，一部分應(yīng)變能將以彈性波的形式釋放出去，從而產(chǎn)生了聲發(fā)射現(xiàn)象（AE）。考慮到模具沖壓是一個(gè)不斷重復(fù)的過(guò)程，如果模具不發(fā)生崩刃，那么理論上在整個(gè)過(guò)程中的金屬板材的聲發(fā)射參數(shù)會(huì)呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。如果能獲取主要參數(shù)，并弄清楚各參數(shù)的變化規(guī)律，便可以以此為依據(jù)捕捉?jīng)_頭崩刃的異常聲發(fā)射信號(hào)，進(jìn)而完成對(duì)模具沖頭崩刃的檢測(cè)，為此提出了基于聲發(fā)射的模具崩刃在線檢測(cè)方法。

以下利用聲發(fā)射采集裝置對(duì)實(shí)際精沖模具生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，在崩刃檢測(cè)方面做了些嘗試和探索，為日后專家檢測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)提供參考。

1 金屬板材沖壓斷裂過(guò)程中的AE產(chǎn)生理論

1.1 金屬板材AE信號(hào)的板波理論

以常用的沖壓金屬板材為例，其厚度方向尺寸遠(yuǎn)小于其它兩個(gè)方向，相應(yīng)于一定的激勵(lì)條件，其中主要形成的是板波［2］。直觀上講，板波是由相對(duì)于z軸斜向運(yùn)行的P波和SV波兩個(gè)分量組成，如圖1所示。

圖1 板波形成原理示意圖

設(shè)板波沿x方向傳播，板厚方向?yàn)閦軸（z＝d和z＝－d），并設(shè)標(biāo)量勢(shì)為Φ，矢量勢(shì)為Ψ＝Ψ（x，z）（y方向的矢量），則其滿足以下方程：

式中kL，kT分別為相應(yīng)于縱波和切變波的波矢量。板中任意一點(diǎn)的位移矢量為V＝gradΦ＋rotΨ。在簡(jiǎn)諧振動(dòng)的條件下，求解得到對(duì)應(yīng)于板中對(duì)稱波和反對(duì)稱波的波速［2］分別為：

式中E為楊氏模量；σ為泊松比；ρ為密度；d為半板厚；w為角頻率。

很容易看出cd的速度是一個(gè)定值，無(wú)頻散效應(yīng)；ci是一種彎曲波，其傳播速度與角頻率的平方根成正比，有頻散效應(yīng)。金屬板材沖壓斷裂過(guò)程中，板材自身就是強(qiáng)聲發(fā)射源，受到模具沖頭的剪切力作用，因此主要產(chǎn)生彎曲類型的板波。而模具本身的損傷是多種應(yīng)力波的組合，因此可以通過(guò)檢測(cè)板材沖壓斷裂過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射板波來(lái)識(shí)別由于模具崩刃而產(chǎn)生的異常信號(hào)。

1.2 精沖過(guò)程的AE信號(hào)特征與產(chǎn)生機(jī)理

在精沖模具沖壓過(guò)程中，由于上凸模的快速下壓，聲發(fā)射信號(hào)為突發(fā)型。圖2為突發(fā)型標(biāo)準(zhǔn)聲發(fā)射信號(hào)簡(jiǎn)化波形參數(shù)的定義，由這一模型可得到波擊（事件）計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)、能量、幅度、持續(xù)時(shí)間和上升時(shí)間等參數(shù)［3］。

圖2 聲發(fā)射信號(hào)簡(jiǎn)化波形參數(shù)定義圖

金屬板材沖壓過(guò)程中在上凸模急劇下壓的外力作用下，其內(nèi)部形成了應(yīng)力場(chǎng)，并產(chǎn)生相應(yīng)的形變。外力增大時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變也隨之變大，此時(shí)材料處于高能量不穩(wěn)定的狀態(tài)。范性變形和斷裂是材料在不同階段松弛應(yīng)力的兩種主要方式，其釋放的一部分能量以應(yīng)力波的形式進(jìn)行傳輸，形成聲發(fā)射信號(hào)。

1.2.1 45號(hào)鋼板沖壓中范性變形的AE特性

試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，晶體的范性變形是通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的［4］。穩(wěn)定的位錯(cuò)處于低能狀態(tài)，當(dāng)受到外切應(yīng)力τ作用時(shí)，點(diǎn)陣發(fā)生畸變，能量升高。位錯(cuò)從高能位向低能位運(yùn)動(dòng)時(shí)，釋放出多余的應(yīng)變能，其中一部分成為彈性振動(dòng)波。在實(shí)際檢測(cè)中，由于檢測(cè)儀器靈敏度的限制，不是材料內(nèi)部釋放的彈性波都能被儀器檢測(cè)到，因此，在材料中可動(dòng)位錯(cuò)的長(zhǎng)度和位錯(cuò)移動(dòng)的距離存在一個(gè)低限，低于這個(gè)下限值將不能檢測(cè)到聲發(fā)射。Carpenter等人認(rèn)為聲發(fā)射率與晶體內(nèi)可動(dòng)位錯(cuò)密度變化有關(guān)，并提出兩者之間的關(guān)系式為：

式中dN／dt為單位時(shí)間的聲發(fā)射計(jì)數(shù)；ρm為可動(dòng)位錯(cuò)密度。

因此，大多數(shù)金屬板材料在屈服點(diǎn)附近出現(xiàn)聲發(fā)射計(jì)數(shù)率高峰。進(jìn)入加工硬化階段后，聲發(fā)射計(jì)數(shù)率急劇減小。

1.2.2 45號(hào)鋼板沖壓斷裂的AE特性

材料在裂紋形成和擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程中釋放應(yīng)變能產(chǎn)生AE。由于不同材料的斷裂機(jī)制有很大的差異，由此產(chǎn)生的AE信號(hào)特性就有很大區(qū)別。試驗(yàn)所用材料為45號(hào)鋼，具有較好的韌性，往往是在平面應(yīng)力的條件下，以微孔集合形式發(fā)生金屬斷裂。裂紋尖端范性區(qū)的形成和裂紋的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展都會(huì)產(chǎn)生AE，但這些AE事件振幅都較小。精沖模沖頭的模具鋼中的非金屬涂層和合金成分對(duì)材料的AE特征有很大影響，界面的破壞和涂層的斷裂都能產(chǎn)生高于100dB的大振幅的AE事件。

2 精沖模具沖壓聲發(fā)射試驗(yàn)

采用北京聲華公司生產(chǎn)的SAEU2S兩通道USB聲發(fā)射儀對(duì)實(shí)際運(yùn)作的精沖過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。沖裁的板料為45號(hào)鋼，表面磨削加工，鋼板尺寸為500mm×80mm×15mm，表面粗糙度為20μm。由于試驗(yàn)材料為金屬型板材結(jié)構(gòu)，確定采用雙通道即兩個(gè)傳感器，分布在模具上模的前后兩側(cè)，按照?qǐng)D3所示布置傳感器?？紤]到聲發(fā)射信號(hào)在傳播過(guò)程中可能出現(xiàn)的變異性，在對(duì)傳感器安置前需要對(duì)傳感器的安裝部位進(jìn)行表面打磨以去除油漆、氧化皮或油垢等，在傳感器接觸面上涂抹適量耦合劑，按壓傳感器使之與被檢物體表面接觸，通過(guò)磁鐵安裝和固定。

圖3 試驗(yàn)裝置原理圖

聲發(fā)射系統(tǒng)的板卡主要參數(shù)設(shè)置為采樣頻率2500kHz，采樣長(zhǎng)度131070，參數(shù)間隔600μs，鎖閉時(shí)間1000μs，軟件鎖閉時(shí)間300μs。通道主要參數(shù)設(shè)置為波形門(mén)限40dB，主放增益40dB，濾波器為高通，聲速5100m／s，參數(shù)門(mén)限40dB。

在各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置好后，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靈敏度校正。傳感器靈敏度標(biāo)定通常采用直徑為0.5mm的國(guó)產(chǎn)HB鉛筆芯折斷信號(hào)，筆芯與構(gòu)件表面夾角為30°。設(shè)探頭1靈敏度為96dB，探頭2靈敏度為98dB。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

精沖的正常生產(chǎn)過(guò)程是個(gè)重復(fù)沖裁板料的過(guò)程，所測(cè)得的AE信號(hào)對(duì)應(yīng)每次沖裁呈現(xiàn)周期性，圖4所示為檢測(cè)結(jié)果中截取的一個(gè)完整沖裁過(guò)程的AE信號(hào)。該信號(hào)可作為正常沖裁的AE信號(hào)，用于對(duì)比崩刃的異常信號(hào)。鋼材沖壓斷裂過(guò)程中聲發(fā)射參數(shù)變化過(guò)程反映了材料的斷裂過(guò)程。金屬材料沖壓斷裂過(guò)程中的聲發(fā)射源是金屬材料內(nèi)部位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。彈性階段前期，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)少，表現(xiàn)為幾乎沒(méi)有聲發(fā)射信號(hào)，對(duì)應(yīng)為圖中前期的平整段。隨著載荷增加，位錯(cuò)被迅速發(fā)動(dòng)，聲發(fā)射撞擊和計(jì)數(shù)等參數(shù)增加，但位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)沒(méi)有明顯受阻，聲發(fā)射能量、幅度參數(shù)值沒(méi)有急劇增加，但AE信號(hào)波動(dòng)較為明顯，在圖中對(duì)應(yīng)起伏變化較大的階段。在塑性變形時(shí)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)量達(dá)到最大，滑移變形、孿晶變形等大位錯(cuò)現(xiàn)象開(kāi)始發(fā)生，應(yīng)力發(fā)生再分布，產(chǎn)生了高頻率的聲發(fā)射信號(hào)，計(jì)數(shù)、撞擊、能量和幅度達(dá)到峰值。強(qiáng)化階段時(shí)，隨著金屬板材變形的繼續(xù)增加，位錯(cuò)滑移受到阻礙，導(dǎo)致發(fā)生位錯(cuò)堵塞，需要更大載荷發(fā)動(dòng)堵塞的位錯(cuò)堆，聲發(fā)射信號(hào)也相對(duì)減少。斷裂階段，隨著載荷增加，大量位錯(cuò)堆積被拉動(dòng)，位錯(cuò)群急劇運(yùn)動(dòng)，聲發(fā)射信號(hào)急劇增加，材料瞬間發(fā)生斷裂，釋放出巨大能量，聲發(fā)射信號(hào)各參數(shù)達(dá)到極大值。

圖4 正常沖壓一個(gè)周期的AE信號(hào)

通過(guò)AE信號(hào)分析方法對(duì)圖4正常沖壓的一個(gè)周期內(nèi)的AE信號(hào)進(jìn)行分析處理，得到撞擊數(shù)、幅度、能量和振鈴計(jì)數(shù)四個(gè)參數(shù)在沖壓過(guò)程中隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)圖（圖5～8）。

圖5 撞擊數(shù)－時(shí)間變化圖

從圖5中可以看出，板材在彈性階段初始沒(méi)有撞擊信號(hào)，隨后出現(xiàn)撞擊信號(hào)，且撞擊數(shù)量伴隨時(shí)間快速增加；屈服階段前后撞擊數(shù)量的信號(hào)急劇增加，撞擊數(shù)達(dá)到歷程圖中極大值；強(qiáng)化階段時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，信號(hào)撞擊數(shù)目初始較高，隨著時(shí)間增加逐漸減少，到斷裂前降至最低；斷裂階段撞擊信號(hào)突然急劇增加，但沒(méi)有屈服時(shí)撞擊數(shù)多，斷裂隨即發(fā)生，撞擊信號(hào)急劇下降。

從圖6可知，在彈性階段和屈服前后階段，大量信號(hào)幅度低于65dB，少量信號(hào)高于70dB；在強(qiáng)化階段，信號(hào)基本上也是以低幅度（70dB）為主，少量的信號(hào)幅度在80～90dB之間，個(gè)別信號(hào)幅度超過(guò)90dB，斷裂階段信號(hào)幅值突然增加，斷裂瞬間達(dá)到但未明顯超過(guò)100dB。

圖7顯示，沖壓過(guò)程中，在屈服階段能量出現(xiàn)極值；斷裂瞬間，能量快速釋放，出現(xiàn)極大值，其它各階段能量較小。能量分布表明沖壓過(guò)程中在屈服階段和斷裂階段是試樣能量釋放階段。

在圖8的振鈴計(jì)數(shù)圖中，彈性階段信號(hào)逐漸增加，在屈服階段聲發(fā)射計(jì)數(shù)急劇增加，達(dá)到一個(gè)極值，強(qiáng)化階段逐漸減少，計(jì)數(shù)仍保持較高值。斷裂階段前期計(jì)數(shù)值下降，后期計(jì)數(shù)信號(hào)急劇增加達(dá)到最高值，斷裂瞬間達(dá)到極大值。

比較分析各參數(shù)描述的材料斷裂過(guò)程，發(fā)現(xiàn)撞擊數(shù)更準(zhǔn)確地描述了沖壓過(guò)程中鋼材的斷裂過(guò)程，而且在整個(gè)精沖過(guò)程中表現(xiàn)出很強(qiáng)的規(guī)律性。根據(jù)金屬板材沖壓變形的彈性、屈服、強(qiáng)化和斷裂4個(gè)階段來(lái)劃分，選擇五個(gè)AE信號(hào)周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到表1。

表1 撞擊次數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表1可見(jiàn)，精沖模具正常工作時(shí)，撞擊數(shù)在沖壓整個(gè)過(guò)程體現(xiàn)明顯的規(guī)律性，而由金屬AE信號(hào)產(chǎn)生理論可知，當(dāng)模具崩刃時(shí)，沖壓過(guò)程的撞擊次數(shù)會(huì)有明顯的增加趨勢(shì)，因此通過(guò)建立起特定鋼板材在特定環(huán)境中的的沖壓斷裂過(guò)程中AE信號(hào)的撞擊次數(shù)模型，將檢測(cè)信號(hào)撞擊數(shù)變化與模型對(duì)比，即可對(duì)模具的崩刃進(jìn)行檢測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

提出利用聲發(fā)射理論對(duì)精沖生產(chǎn)線的沖壓過(guò)程實(shí)施聲發(fā)射在線檢測(cè)的方法。通過(guò)分析正常沖壓過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)，發(fā)現(xiàn)撞擊數(shù)呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律，建立起金屬板材沖壓過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)撞擊數(shù)的數(shù)學(xué)模型，從而可以利用此模型在線監(jiān)測(cè)精沖模具的沖壓過(guò)程，對(duì)模具壞損情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。但是由于實(shí)際精沖模具生產(chǎn)線條件的復(fù)雜性，對(duì)檢測(cè)過(guò)程造成干擾，因此如何排除實(shí)際生產(chǎn)線上的外界干擾，獲取有效的聲發(fā)信號(hào)將成為后續(xù)此項(xiàng)研究的重點(diǎn)。

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