張立軍，張德瀟，韓 琳，李增輝，張軍偉，金永山，王旱祥，姜 浩，劉延鑫，張 辛

（中國石油大學（華東）機電工程學院，山東 青島 266580）

精密成型技術是指零件成型后，僅需少量加工或不再加工，就可以用作機械構(gòu)件的成型技術。它建立在新材料、新能源、信息技術等多學科高新技術成果的基礎上，通過改造傳統(tǒng)的毛坯成型技術，使之由粗糙成形變?yōu)閮?yōu)質(zhì)、高效、輕量化、高精度、低成本、無公害的成形[1]。該技術在機械專業(yè)開設的“現(xiàn)代制造技術”“機械加工概論”和“切削原理及刀具”等課程中均有涉及。這些課程對加深學生理解精密成型技術、開闊學生眼界以及掌握現(xiàn)代制造技術有重要意義。為此本文將精密成型技術和聲發(fā)射技術結(jié)合起來，開發(fā)了基于聲發(fā)射的棒料磨損監(jiān)測教學實驗平臺。

該實驗平臺主要采用聲發(fā)射技術實時監(jiān)測低應力下料過程中棒料表面的磨損狀況，通過對下料過程中的聲發(fā)射信號進行采集，得到幅度、能量、有效值（RMS）、平均信號電平（ASL）等聲發(fā)射參數(shù)，從而確定最佳磨損效果，使得下料過程的磨損狀態(tài)更加直觀。

1 低應力下料簡介

目前生產(chǎn)中的下料方法主要有帶鋸鋸斷、車刀車斷、砂輪截斷等[2-3]。實踐證明，這些傳統(tǒng)的下料方法不同程度地存在著材料浪費多、能量消耗大、刀具壽命短等不足。為了更好地滿足棒管材精密下料要求，一種基于斷裂設計的高效低應力下料應運而生[4-5]。低應力下料是將裂紋技術應用于下料過程，首先是人為地在棒材表面上預制一條環(huán)向近似裂紋，隨后對帶有環(huán)向裂紋的棒材一端施加一定外力，最終使棒材以低應力脆斷形式分離[5]。然而，下料中發(fā)現(xiàn)無潤滑油工況及基礎油工況下下料模具中圓形錘頭與棒料磨損嚴重，使得棒料接觸面出現(xiàn)環(huán)形磨損現(xiàn)象。同時劇烈的摩擦磨損還會導致溫度過高，進一步影響棒料表面質(zhì)量。因此改善下料過程中圓形錘頭-棒料摩擦副的潤滑效果十分重要。許多學者針對摩擦磨損過程進行了大量研究。沃恒洲等[6-7]研究了MoS2作為添加劑的減摩抗磨功效，提出MoS2能夠有效改善潤滑效果。許琳[8]研究了聲發(fā)射與摩擦磨損的關系，提出了聲發(fā)射能有效表示摩擦狀態(tài)。聲發(fā)射是物體或材料內(nèi)局部能量源迅速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種現(xiàn)象，其優(yōu)點在于測得的信號來源于試件本身，是一種動態(tài)的無損檢測技術[9]。邴龍雨[10]指出聲發(fā)射技術通過分析處理信號，能夠?qū)崟r監(jiān)控往復式摩擦磨損過程中的摩擦副變形磨損狀況。為此本文通過將聲發(fā)射技術與成型技術相結(jié)合。搭建了基于聲發(fā)射的棒料磨損監(jiān)測教學實驗平臺，通過聲發(fā)射技術對圓形錘頭-棒料摩擦副摩擦過程進行監(jiān)測，實時掌握二者間的磨損狀況，并且對聲發(fā)射信號參數(shù)進行單一變量分析，定量確定出最佳MoS2添加劑含量，在此基礎上探尋最佳磨損狀態(tài)，展現(xiàn)出良好的實驗效果。

2 低應力下料及聲發(fā)射檢測機理

2.1 低應力下料機理

基于液壓補償?shù)牡蛻ο铝蠙C（見圖1(a)）充分利用應力集中效應、液壓補償技術和離心作用對棒管料進行精密下料，主要由變頻電機、液壓傳動系統(tǒng)、雙滑塊機構(gòu)、下料模具、可移動夾持機構(gòu)和機架等六部分組成。在下料過程中，將開有V 型槽的棒料一端放入下料模具中的圓形錘頭內(nèi)，另一端則使用夾具進行固定。隨后三相交流電機通過主軸帶動圓形錘頭高速旋轉(zhuǎn)，由于圓形錘頭轉(zhuǎn)速較高，其較小的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)半徑產(chǎn)生一種較大的離心力，使得滑塊在離心力作用下進行偏心滑動。同時液壓系統(tǒng)對液壓缸供油，使得圓形軸頭滑塊部分在徑向槽內(nèi)滑動，從而對離心力進行補償。在離心力和液壓補償力的共同作用下，棒料V 型槽尖端萌生裂紋。依據(jù)現(xiàn)有斷裂理論知識，V型槽尖端裂紋萌生后，會迅速沿著徑面進行擴展，最終完全斷裂，實現(xiàn)下料[11]。在下料過程中，下料模具部分由于與棒料接觸，是下料機中主要磨損部件，很大程度上決定了下料機的使用壽命和棒料質(zhì)量。如圖1(b)所示。下料模具部分主要包括軸頭、滑塊和圓形錘頭等。下料過程中棒料與圓形錘頭直接接觸，如圖1(c)所示。因此二者之間的摩擦性能直接影響著棒料的表面質(zhì)量以及圓形錘頭的使用壽命。為直觀展現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速時圓形錘頭-棒料摩擦副的磨損和潤滑狀態(tài)，本文在基于聲發(fā)射的棒料磨損監(jiān)測教學實驗平臺上通過改變下料過程中圓形錘頭轉(zhuǎn)速的大小與施加在圓形錘頭-棒料摩擦副中的潤滑油中MoS2添加劑質(zhì)量分數(shù)，采用聲發(fā)射技術實時監(jiān)測對摩表面的磨損狀態(tài)，對聲發(fā)射信號特征參數(shù)如RMS、ASL、幅度等進行分析，以定量確定在不同轉(zhuǎn)速下最佳納米MoS2添加劑質(zhì)量分數(shù)。

圖1 低應力下料機的工作原理圖

2.2 聲發(fā)射檢測機理

2.2.1 聲發(fā)射技術基本原理

機械零件或材料受力時，在其微觀結(jié)構(gòu)上將產(chǎn)生位錯、滑移、變形等情況，并在這些部位積蓄一定的能量，當這些位錯、滑移、變形發(fā)展到一定程度時，零件或材料將發(fā)生損傷，此時以彈性波的形式釋放出積蓄的能量，從而產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象[12]。大多數(shù)材料變形和斷裂時都有聲發(fā)射發(fā)生，如果釋放的應變能足夠大，就產(chǎn)生可以聽見的聲音。但許多材料的聲發(fā)射信號強度很弱，人耳不能直接聽見，需要借助靈敏的電子儀器或設備才能檢測出來。用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號并利用聲發(fā)射信號來推斷聲發(fā)射源的技術稱為聲發(fā)射技術[13]。圖2 為常見聲發(fā)射系統(tǒng)的原理圖，其工作過程首先是傳感器將采集到的機械振動信號轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可識別的電信號，隨后經(jīng)前置放大器放大、濾波器濾波以及主放大器放大后，將此電信號傳入計算機進行數(shù)據(jù)處理及分析。

圖2 聲發(fā)射系統(tǒng)原理圖

2.2.2 聲發(fā)射表征摩擦磨損機理

為深入探索摩擦過程中能量釋放與聲發(fā)射信號之間的對應關系，從能量角度表征摩擦磨損機理，一些學者通過實驗和理論分析給出了一些聲發(fā)射源模型，比如晶體位錯聲發(fā)射模型、裂紋形成聲發(fā)射模型等。Puliyakoye 等[14]、Fan 等[15]在GreenWood-Williamson接觸模型基礎上結(jié)合Hertzian 接觸理論建立了滑動過程中接觸面間微凸體彈性變形與聲發(fā)射信號之間的關系。該理論認為當粗糙度分別為Rq1和Rq2的兩平面處于摩擦狀態(tài)時，其磨損狀態(tài)與理想的剛性光滑表面和表面粗糙度均方根值為Rq=的平面磨損狀態(tài)相一致。通過模型簡化，將粗糙峰幾何形狀定義為球形，并假定球形粗糙峰半徑為R1，并且接觸情況可視為隨機分布的高低不平的球體。因此該模型表面輪廓高度Z 服從高斯分布，接觸的概率密度函數(shù)為f(z)，可以得到兩表面接觸的概率為：

式中，z為球形粗糙峰的表面輪廓高度，mm；d為剛性表面到參考系平面的距離，mm。

假設接觸面積為A，接觸面單元面積的峰點數(shù)為m，每個峰點所承受的載荷為w，可以得到所有接觸的峰點所儲存的彈性能為：

假設Ke為接觸峰的彈性能轉(zhuǎn)換為聲發(fā)射AE 信號的比率，Ks為聲發(fā)射測量系統(tǒng)中傳感器對聲發(fā)射信號的轉(zhuǎn)換率，通過計算接觸峰的平均脫離時間、彈性能的釋放率并與聲發(fā)射參數(shù)相結(jié)合得到聲發(fā)射信號特征參數(shù)Vrms為：

式中，N為兩摩擦副接觸面積之間接觸峰點的總數(shù)；v為對摩表面滑動速度，mm/s。

由式（3）可知：在兩接觸面處于摩擦狀態(tài)時，聲發(fā)射信號特征參數(shù)RMS 的數(shù)值主要與接觸面載荷、接觸面的相對滑動速度以及接觸面粗糙程度有關。因此在載荷和轉(zhuǎn)速不變的情況下，聲發(fā)射信號參數(shù)RMS能夠有效地表征接觸表面的摩擦磨損劇烈程度，因此使用聲發(fā)射參數(shù)可以衡量接觸面的摩擦磨損狀態(tài)。

3 基于聲發(fā)射的棒料磨損監(jiān)測教學實驗平臺

3.1 實驗平臺組成

本文開發(fā)的基于聲發(fā)射的棒料磨損監(jiān)測教學實驗平臺見圖3。該平臺主要包括低應力下料裝置、聲發(fā)射傳感器、顯示器、增益可調(diào)節(jié)放大器、聲發(fā)射主機、全信息聲發(fā)射信號分析儀。低應力下料裝置包括下料機控制箱和下料機主體。聲發(fā)射傳感器及圓形錘頭-棒料摩擦副工作位置如圖4 所示。聲發(fā)射傳感器布置在V 型槽切口附近，采用凡士林作為耦合劑，并采用固定裝置將聲發(fā)射傳感器固定在棒料上，輸出端連接增益大小為40 dB 的增益可調(diào)節(jié)放大器，將機械振動轉(zhuǎn)化為可識別的電信號，最終通過全信息聲發(fā)射信號分析儀將聲發(fā)射信號轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)并導入聲發(fā)射主機，進行聲發(fā)射參數(shù)的處理。本文使用0.000 1g 感量的FA1004 電子天平對下料過程中圓形錘頭-棒料摩擦副的磨損量進行稱量，通過磨損量進一步驗證最佳MoS2添加量的減摩抗磨效果。

圖3 基于聲發(fā)射的棒料磨損監(jiān)測教學實驗平臺

圖4 聲發(fā)射傳感器及圓形錘頭-棒料摩擦副工作位置

3.2 實驗參數(shù)及過程

本實驗平臺采用的棒料參數(shù)見表1。實驗所用的基礎油為 60N，選用上海潤立得公司生產(chǎn)的納米MoS2，并且潤滑油中MoS2添加劑的質(zhì)量分數(shù)分別設定為0%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%，將納米級的MoS2按照一定配比與基礎油混合并放在超聲波振蕩儀中振蕩30 min 使其分散均勻。由于下料機主軸轉(zhuǎn)速范圍較寬，為500～1 800 r/min，為保證實驗安全，選用中低轉(zhuǎn)速進行實驗，將下料機主軸轉(zhuǎn)速分別設定為500、800、1 100 r/min，并且載荷固定，每組下料實驗圓形錘頭-棒料摩擦副摩擦時間為15～20 s。為保證監(jiān)測系統(tǒng)所檢測到的聲發(fā)射信號主要為摩擦磨損信號，需要對聲發(fā)射參數(shù)進行合理設置，聲發(fā)射參數(shù)見表 2。由于棒料材料為 2a12 鋁，圓形錘頭材料為GCr15，因此聲發(fā)射門檻值設為35 dB?？紤]到電機及變頻器等產(chǎn)生的電磁干擾，實驗過程中采用導線將實驗臺與全信息聲發(fā)射信號分析儀相連接并接地，以達到消除一部分噪聲干擾的目的。

表1 棒料參數(shù)

表2 聲發(fā)射主要參數(shù)

本實驗平臺的工作流程如圖5 所示。首先對棒料進行稱量，得到棒料總質(zhì)量，打開聲發(fā)射儀及軟件并進行初始化。隨后進行斷鉛實驗，通過產(chǎn)生一個類階躍函數(shù)形式的信號檢測聲發(fā)射系統(tǒng)工作是否正常。待系統(tǒng)正常后對下料機進行初始化，首先通過液壓三爪卡盤對棒料進行夾持，并通過液壓系統(tǒng)推動棒料進入下料模具；其次通過調(diào)節(jié)變頻系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)得到合適加載力及實驗要求轉(zhuǎn)速，然后進行低應力下料。與此同時進行聲發(fā)射信號采集直至棒料斷裂。待棒料斷裂后將斷料放入丙酮超聲清洗試驗儀進行清洗，對斷料和剩料進行稱量并對聲發(fā)射信號進行處理，完成實驗數(shù)據(jù)的整理工作。

圖5 基于聲發(fā)射的棒料磨損監(jiān)測教學實驗平臺工作流程

4 實驗數(shù)據(jù)處理及分析

4.1 聲發(fā)射參數(shù)確定最佳納米添加劑含量

通過對實驗平臺采集到的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進行整理及分析，結(jié)果見圖6。由圖6 可知，聲發(fā)射特征參數(shù)RMS、ASL、幅度和能量均隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，這是由于隨著轉(zhuǎn)速增加，雖然形成的潤滑油膜使得微凸體接觸的概率降低，但是單位時間內(nèi)摩擦副摩擦行程變長，因此在單位時間內(nèi)微凸體的接觸數(shù)量并沒有減少。并且由于轉(zhuǎn)速的增加使得每個微凸體在接觸時釋放能量更大。二者綜合作用下使得聲發(fā)射信號在時域內(nèi)增強，因此聲發(fā)射信號會隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。

由圖6 還可知，當圓形錘頭的轉(zhuǎn)速不變時，RMS、ASL、幅度和能量這些聲發(fā)射特征參數(shù)隨著MoS2添加劑質(zhì)量分數(shù)的升高呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，并且質(zhì)量分數(shù)在0.5%時聲發(fā)射參數(shù)處于最低處。根據(jù)Fan 等[15]提出的微凸體彈性變形理論可知，聲發(fā)射參數(shù)的大小與工件表面的磨損狀態(tài)相關。當轉(zhuǎn)速與載荷一定時，聲發(fā)射參數(shù)的數(shù)值變化僅由摩擦副表面的接觸特性有關，即對摩表面在單一時間內(nèi)發(fā)生剪切的微凸體的數(shù)目越多，聲發(fā)射信號強度就會越強，RMS 等參數(shù)就會越大，而接觸點發(fā)生剪切作用的數(shù)量直接表征對摩表面的磨損狀況。當RMS 等參數(shù)數(shù)值處于相對低點時，此時磨損量較少，潤滑效果最佳。因此在不同轉(zhuǎn)速下，當MoS2添加劑的質(zhì)量分數(shù)為0.5%時，其潤滑效果最佳。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下MoS2 添加劑質(zhì)量分數(shù)與聲發(fā)射信號特征參數(shù)的關系

4.2 最佳納米添加劑含量與棒料磨損量之間關系

本文通過使用0.000 1 g 感量的FA1004 電子天平對下料過程中圓形錘頭-棒料摩擦副的磨損量進行稱量，首先在下料前先對棒料進行清理，隨后使用FA1004 電子天平稱量棒料的總質(zhì)量。在低應力下料結(jié)束后，將斷料放入丙酮超聲清洗試驗儀進行清洗，隨后對斷料和剩料進行稱量，下料前總質(zhì)量與下料后總質(zhì)量之差即為下料過程棒料的磨損量。隨后將磨損量與下料總時長相除，得到每秒不同轉(zhuǎn)速、不同添加劑含量下的棒料磨損量。實驗結(jié)果如圖7 所示，發(fā)現(xiàn)在相同轉(zhuǎn)速下隨著添加劑質(zhì)量分數(shù)的增加，磨損量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，并且當MoS2添加劑質(zhì)量分數(shù)為0.5%時磨損量最小。通過對比MoS2添加劑質(zhì)量分數(shù)為0.5%的磨損量與基礎油工況的磨損量發(fā)現(xiàn)當圓形錘頭轉(zhuǎn)速為500、800、1 100 r/min 時磨損量分別減少18.3%、10.8%、16.3%。因此當MoS2添加劑質(zhì)量分數(shù)為0.5%時較基礎油工況磨損量可以減少10%以上，有效改善潤滑效果。根據(jù)磨損量結(jié)果可以驗證聲發(fā)射信號對圓形錘頭-棒料摩擦副摩擦磨損狀態(tài)的衡量關系，并且使用聲發(fā)射信號可以對磨損狀態(tài)進行實時監(jiān)測，也能衡量同種工況下隨著磨損的深入時摩擦副的潤滑狀態(tài)。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下MoS2 添加劑質(zhì)量分數(shù)與磨損量的關系

5 結(jié)語

本文開發(fā)了基于聲發(fā)射的棒料磨損監(jiān)測教學實驗平臺，通過結(jié)合聲發(fā)射技術、傳感器技術對圓形錘頭-棒料摩擦副磨損狀態(tài)進行監(jiān)測，定量確定出不同轉(zhuǎn)速下MoS2添加劑質(zhì)量分數(shù)為0.5%時減摩抗磨效果最好，并且磨損量較基礎油工況時可以減少10%以上，有效改善潤滑效果。該實驗平臺可以直觀地衡量出棒料的磨損狀態(tài)，展現(xiàn)了下料技術以及無損檢測技術在摩擦學、精密成形中的應用。學生通過實驗可以掌握低應力下料機的使用方法，提高對現(xiàn)代加工技術的整體認知。對棒料的磨損狀態(tài)進行實時監(jiān)測，能使學生較好地熟悉聲發(fā)射技術、傳感器技術，掌握數(shù)據(jù)收集及處理方法，從不同角度學會摩擦磨損問題的衡量標準，開拓學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題方法的多樣性，增強學生發(fā)散思維的創(chuàng)新性。該實驗平臺豐富了學生對“現(xiàn)代制造技術”“摩擦學原理”“切削原理及刀具”“機電信息檢測與處理技術”等相關課程的整體認知和理解，達到了良好的實驗教學效果。