朱歡歡，遲玉倫，聞?wù)?，張夢?/p>

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 200437；2.上海理工大學(xué)，上海 200093）

磨削去除單位體積所消耗的能量比車削要大得多，幾乎所有的能量轉(zhuǎn)化都在磨削區(qū)，轉(zhuǎn)化為磨削熱，使磨削區(qū)溫度急劇升高[1]。磨削區(qū)產(chǎn)生的高溫可能導(dǎo)致多種熱損傷形式，包括工件燒傷、工件金相轉(zhuǎn)變、工件表面二次淬火、表層的軟化、拉應(yīng)力、裂紋以及疲勞強(qiáng)度的降低等[2]。磨削燒傷可導(dǎo)致工件表面材料的再硬化和產(chǎn)生殘余應(yīng)力，會(huì)嚴(yán)重影響零部件的性能[3-4]。對于大批量高質(zhì)量生產(chǎn)的零件，如果出現(xiàn)磨削燒傷現(xiàn)象，對制造企業(yè)會(huì)是很大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，如何有效分析研究工件燒傷機(jī)理和及時(shí)在線監(jiān)測磨削燒傷現(xiàn)象，對提高企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭力具有重要意義[5-6]。

針對平面磨削接觸弧區(qū)的溫度場分布及其與加工工件燒傷的關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了很多研究。磨削傳熱分析通常用的是J. C. Jaeger 的移動(dòng)熱源基本傳熱模型[7-8]，即矩形熱源模型?？紤]到磨削區(qū)磨削厚度從薄到厚的變化，造成磨削區(qū)磨粒上所受的力由切入處向切出處逐漸變大，貝季瑤等[9]提出了三角形熱源分布假設(shè)。許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，三角形的熱源分布假設(shè)更接近實(shí)際情況。郭國強(qiáng)等[10]構(gòu)建了成形磨削溫度值計(jì)算模型，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。針對斷續(xù)磨削，徐鴻鈞等人[11-12]建立了周期變化的移動(dòng)熱源模型，引入了卷積的概念，并推導(dǎo)了工件表層非穩(wěn)態(tài)脈動(dòng)溫度場的理論公式來計(jì)算任意時(shí)刻的瞬態(tài)溫度分布。傅玉燦等[13]采用熱源法，推導(dǎo)出開槽砂輪緩進(jìn)給深切磨削時(shí)圓弧區(qū)工件表層溫度分布的理論解析式，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。高航等[14]根據(jù)已經(jīng)建立的斷續(xù)磨削溫度場數(shù)學(xué)模型及其積分解通式，用VC++編程語言模擬編制出了計(jì)算斷續(xù)磨削溫度場的通用軟件，為預(yù)測工件燒傷提供了一種快速有效的方法。GUO 等[4]建立了斷續(xù)磨削瞬態(tài)熱模型，表明了斷續(xù)磨削工件多次加工時(shí)，溫度會(huì)不斷上升，且在磨削工件邊緣時(shí)的溫度會(huì)比普通平面磨削時(shí)要高，并制定了提高去除率的工藝優(yōu)化策略。

目前，對于斷續(xù)磨削溫度場，主要是針對斷續(xù)砂輪開展研究，而很少研究針對工件自身呈斷續(xù)狀態(tài)的溫度場模型，特別是很多零件自身呈斷續(xù)狀態(tài)，很容易產(chǎn)生磨削燒傷現(xiàn)象。因此，建立工件斷續(xù)磨削狀態(tài)溫度場模型及磨削燒傷在線監(jiān)測技術(shù)，對避免產(chǎn)品磨削燒傷現(xiàn)象具有重要意義。聲發(fā)射（AE）信號(hào)檢測被認(rèn)為是磨削燒傷檢測的一種有效方法。早在20 世紀(jì)80 年代，H. Eda 等[15]根據(jù)磨削中采集的AE 信號(hào)頻譜的變化，將信號(hào)分為通過10 kHz 高通濾波器的信號(hào)B 和通過100～300 kHz 帶通濾波器的信號(hào)A 兩路，發(fā)現(xiàn)磨削燒傷程度與兩路信號(hào)A/B 的比率有對應(yīng)關(guān)系。郭力等[16]運(yùn)用短時(shí)傅里葉變換技術(shù)模擬的磨削燒傷溫度聲發(fā)射信號(hào)的頻率特征被成功提取出來，發(fā)現(xiàn)材料溫度改變越大，聲發(fā)射信號(hào)越強(qiáng)。Chen Xun等[17-18]用激光照射模擬方法加熱工件，將磨削中熱誘導(dǎo)的AE 信號(hào)與其他AE 信號(hào)區(qū)分開來，提取熱誘導(dǎo)AE 信號(hào)特征值，并通過單顆磨粒磨削等磨削機(jī)理的研究，發(fā)現(xiàn)了聲發(fā)射監(jiān)測磨削效率的理論依據(jù)，并解釋了磨削中的聲發(fā)射可以監(jiān)測磨削熱性能的原因，驗(yàn)證了聲發(fā)射信號(hào)在監(jiān)測磨削溫度方面的有效性。

由于斷續(xù)磨削加工的特殊性，斷續(xù)磨削工件的邊緣處比普通平面磨削更容易發(fā)生燒傷。為對斷續(xù)磨削燒傷機(jī)理及在線監(jiān)測進(jìn)行有效研究，本文基于磨削溫度場理論和鏡像熱源方法，建立了一種斷續(xù)磨削工件邊緣的溫度場模型。該模型可有效反映斷續(xù)磨削時(shí)工件邊緣處磨削區(qū)溫度場分布情況，并通過對聲發(fā)射信號(hào)的小波包能量求解，建立與磨削區(qū)溫度之間的關(guān)系，基于聲發(fā)射信號(hào)可對斷續(xù)磨削燒傷實(shí)施在線監(jiān)測。為驗(yàn)證上述模型和監(jiān)測方法的有效性，通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不同斷續(xù)磨削工況實(shí)驗(yàn)，證明了該模型對斷續(xù)磨削燒傷機(jī)理分析的有效性及利用聲發(fā)射信號(hào)對斷續(xù)磨削燒傷在線監(jiān)測的可行性。最后，針對某一轉(zhuǎn)向螺母產(chǎn)品實(shí)際斷續(xù)磨削加工燒傷進(jìn)行在線監(jiān)測應(yīng)用，取得了很好是實(shí)際應(yīng)用效果。該研究對實(shí)現(xiàn)磨削加工燒傷檢測自動(dòng)化和智能化具有重要意義。

1 磨削溫度場模型

1.1 平面磨削溫度場模型

平面磨削時(shí)，工件傳熱學(xué)模型可以近似看作一定持續(xù)發(fā)熱時(shí)間的無限大面熱源對半無限大導(dǎo)熱體的作用問題[19]。設(shè)在一無限大的導(dǎo)熱體內(nèi)有一個(gè)點(diǎn)熱源（如圖1 所示），在坐標(biāo)軸原點(diǎn)O處發(fā)出一股熱量Qd，隨后立即停止發(fā)熱。利用三維導(dǎo)熱方程，可求出任意時(shí)刻導(dǎo)熱體內(nèi)任意點(diǎn)的溫度，見式(1)—(3)。

圖1 瞬時(shí)點(diǎn)熱源示意Fig.1 Schematic diagram of instantaneous point heat source

式中：θ為溫度分布；α為熱擴(kuò)散率；τ為發(fā)熱時(shí)間；c為比熱容；ρ為密度；Qd為點(diǎn)熱源發(fā)熱強(qiáng)度。

由于磨削工件擋邊寬度窄，砂輪完全蓋過擋邊，為了簡便分析，利用三維點(diǎn)熱源溫度場模型建立瞬時(shí)無限長線熱源溫度場。將熱源假想為無限長線熱源，設(shè)該無限長方向?yàn)閥方向，磨削進(jìn)給方向?yàn)閤方向，磨削表面垂直方向?yàn)閦方向，如圖2 所示。在無限長線熱源上去微分dyi，M點(diǎn)受dyi微分段熱源影響而產(chǎn)生的溫升可根據(jù)式(6)計(jì)算，得：

M點(diǎn)受yi=-∞到y(tǒng)i=+∞的影響，因此需對其進(jìn)行積分：

經(jīng)積分計(jì)算可得：

現(xiàn)需要建立持續(xù)發(fā)熱狀態(tài)下熱源移動(dòng)時(shí)的溫度場。設(shè)熱源以速度v沿著x軸平移，熱源發(fā)熱時(shí)間為t，則可以將τi= 0到τi=t的整個(gè)過程分解為無數(shù)瞬間，取其中在τi時(shí)刻的一瞬間dτi進(jìn)行分析。

近幾十年來，各國學(xué)者對于磨削區(qū)傳熱問題進(jìn)行了大量的研究。對于普通磨削方式，磨削傳熱分析經(jīng)常用到的是J. C. Jaeger 的移動(dòng)熱源基本傳熱模型[20]。在該模型中，假設(shè)熱源沿一個(gè)半無限大物體的表面以工件速度vw移動(dòng)，即忽略磨削深度的影響，認(rèn)為已加工表面和未加工表面重合，熱源所在表面與其運(yùn)動(dòng)方向平行。工件內(nèi)某一點(diǎn)的溫升可由式（16）求出：

上述模型中，熱源被假設(shè)為矩形分布，但多數(shù)學(xué)者認(rèn)為三角形熱源分布假設(shè)更接近實(shí)際的磨削熱流分布。貝季瑤[9]提出了三角形熱源分布假設(shè)：

結(jié)合式(16)和(17)，可以得出平面磨削溫度場模型公式：

利用式(18)可計(jì)算出平面無限大連續(xù)磨削區(qū)任何位置的溫度，但是對于斷續(xù)磨削的邊緣處溫度的復(fù)雜情況，上述模型無法進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，所以需要建立適用于斷續(xù)磨削邊緣處的溫度場模型公式。

1.2 斷續(xù)磨削溫度場模型

在實(shí)際斷續(xù)磨削加工中，工件邊緣處間斷接觸砂輪而形成斷續(xù)磨削。陳清華等學(xué)者[21]在測定石棉板熱物性時(shí)，采用了鏡像熱源法消除絕熱邊界造成的熱積聚效應(yīng)的影響，取得了良好的效果。對于斷續(xù)磨削區(qū)溫度，本文提出利用鏡像熱源法建立斷續(xù)磨削溫度場模型。首先，將靜止空氣中的金屬物體表面近似地看作絕熱面，即熱量在金屬內(nèi)部傳導(dǎo)，到此處時(shí)，不再向外傳出，該面上的法向溫度梯度為0。然后，對于工件邊緣處絕熱面，在絕熱面的另一側(cè)鏡像位置增加鏡像熱源，使該絕熱面上的法向溫度梯度為0，如圖3 所示。

圖3 鏡像熱源示意Fig.3 Schematic diagram of mirror heat source

在工件邊緣的絕熱面上，可以假想在加工時(shí)有兩個(gè)熱源產(chǎn)生，如圖4 所示。一個(gè)是實(shí)際熱源A，一個(gè)是鏡像熱源A′。在兩個(gè)熱源同時(shí)作用下，熱量傳遞在絕熱面處會(huì)產(chǎn)生疊加。由于水平方向的梯度為0，因此水平方向溫升相互抵消，而垂直方向的溫升會(huì)疊加，在絕熱面上的溫升要高于普通平面磨削的單熱源情況。由于絕熱面一般存在于工件的邊緣處，所以在理論上，工件邊緣處容易產(chǎn)生熱量堆積，且越是靠近工件邊緣，理論溫度應(yīng)當(dāng)越高。

圖4 鏡像點(diǎn)熱源熱量分布Fig.4 Heat distribution map of mirror point heat source

基于前面所述的理論基礎(chǔ)，建立一個(gè)假想的磨削模型，對一個(gè)半無限大的平面進(jìn)行分析，在工件中間的軸對稱處有一個(gè)假想絕熱面，用此絕熱面代替工件的邊緣?，F(xiàn)假設(shè)有2 個(gè)砂輪，一個(gè)是實(shí)際砂輪，一個(gè)是假想的鏡像砂輪，平面磨削時(shí)相向而行。在磨削時(shí)，砂輪與工件接觸處的磨削區(qū)會(huì)相向移動(dòng)，最終在假想絕熱面處重合，如圖5 所示。

圖5 工件邊緣假想磨削模型Fig.5 Hypothetical grinding model of workpiece edge

在兩個(gè)磨削區(qū)重合時(shí)，工件平面與假想絕熱面交點(diǎn)處的溫升可根據(jù)式(18)得到，該磨削區(qū)內(nèi)一個(gè)磨削弧長內(nèi)的溫升為：

由式(19)可以看出，在理想狀態(tài)下，磨削區(qū)內(nèi)的溫度變成了原先的2 倍。但實(shí)際工況比此理想情況要復(fù)雜：1）在工件的邊緣處，磨削接觸弧長會(huì)隨著磨削的進(jìn)行而變小，當(dāng)磨削接觸弧長變短時(shí)，溫度相應(yīng)地會(huì)降低；2）工件邊緣處的磨屑更容易被帶離磨削區(qū)，磨屑會(huì)帶走很多熱量，相應(yīng)地，進(jìn)入工件的熱量會(huì)變少；3）磨削邊緣處也會(huì)有少量熱量向空氣中傳遞。因此，實(shí)際的溫度模型曲線應(yīng)當(dāng)處于1 個(gè)磨削弧長的溫升與2 個(gè)磨削弧長的溫升之間?；诖耍梢蕴岢鲆粋€(gè)新的溫度模型：

再結(jié)合式(19)可以得到：

式(20)中：n為溫度增量與普通平面磨削溫度的比值，且0＜n＜1 。根據(jù)式(20)所示的溫度模型，如能確定n的范圍，便可通過該模型(20)和(21)確定斷續(xù)磨削邊緣處溫度值。

2 磨削實(shí)驗(yàn)設(shè)置

從20 世紀(jì)80 年代就已經(jīng)有學(xué)者采集AE 信號(hào)對磨削過程進(jìn)行監(jiān)測，AE 信號(hào)監(jiān)測被認(rèn)為是有效用于磨削過程監(jiān)測的技術(shù)[22-23]。為驗(yàn)證上述模型的有效性和聲發(fā)射信號(hào)在線監(jiān)測磨削燒傷的可行性，在型號(hào)為KP-48T 的平面磨床上進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)，如圖6 和圖7所示。砂輪材料為氧化鋁，AE 傳感器采用AE-1000，數(shù)據(jù)采集卡為NI 公司的USB-6363，采樣頻率設(shè)置為2 M，位移傳感器為米銥micro epsilon eddy NCDT 3010，量程為1 mm。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了如圖6 所示的實(shí)驗(yàn)工件，長為172 mm，厚度為5 mm，中間有一個(gè)凹槽，兩邊待加工面的長度為77 mm，材料為GCr15，該材料軸承鋼的磨削燒傷產(chǎn)生的溫度范圍是在回火溫度以上到臨界點(diǎn)A1c以內(nèi)（大約在200～740 ℃）[12]。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)工件上選取8 個(gè)采樣點(diǎn)，一次加工過程為砂輪從工件的8 號(hào)采樣點(diǎn)進(jìn)入磨削區(qū)，并從5 號(hào)采樣點(diǎn)離開磨削區(qū)，再從4 號(hào)采樣點(diǎn)進(jìn)入，并從1 號(hào)采樣點(diǎn)離開。本次實(shí)驗(yàn)主要通過這8 個(gè)采樣點(diǎn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖6 實(shí)驗(yàn)工件Fig.6 Test piece

圖7 工件臺(tái)布置Fig.7 Work table layout

本實(shí)驗(yàn)分別選取距離1、4、5、8 號(hào)點(diǎn)2 mm 內(nèi)的工件表面（大概5 倍接觸弧長）作為斷續(xù)磨削工件斷口邊緣區(qū)域。為了更好地采集和分析溫度數(shù)據(jù)，驗(yàn)證上述理論模型的有效性，采用的磨削方式為干磨削，實(shí)驗(yàn)工件被固定在工件臺(tái)上，利用磁性座將AE傳感器吸附在距離磨削加工位置30 mm 處，用于監(jiān)測磨削聲發(fā)射信號(hào)。為避免機(jī)床環(huán)境噪聲對磨削聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生干擾，設(shè)定聲發(fā)射監(jiān)測頻率為50 kHz 以上，去除機(jī)床環(huán)境噪聲。為監(jiān)測實(shí)驗(yàn)工件在磨削過程中的溫度變化，利用紅外測溫儀（圖8）實(shí)時(shí)記錄工件磨削區(qū)的溫度，監(jiān)測畫面如圖9 所示。

圖8 紅外測溫儀Fig.8 Infrared Thermometer

圖9 測溫圖Fig.9 Thermogram

為了驗(yàn)證不同磨削工藝參數(shù)對磨削燒傷的影響，將改變砂輪線速度、進(jìn)給速率（工件進(jìn)給速度為25 000 mm/min）和磨削深度3 個(gè)影響因素。如果將這3 個(gè)因素進(jìn)行全面實(shí)驗(yàn)，需要進(jìn)行27 種組合的實(shí)驗(yàn)，且尚未考慮每一組合的重復(fù)數(shù)。若按L9(33)正交表安排實(shí)驗(yàn)，只需做9 次實(shí)驗(yàn)，可以大大減少工作量。實(shí)驗(yàn)中3 種因素的水平安排見表1，每次實(shí)驗(yàn)的具體安排見表2。通過該實(shí)驗(yàn)，測量計(jì)算磨削表面的溫度，以確定式(20)中n的取值范圍，分析AE 信號(hào)與磨削區(qū)溫度之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)AE 信號(hào)在線監(jiān)測磨削燒傷。

表1 各因素及水平Tab.1 Table of factors and levels

表2 正交實(shí)驗(yàn)表Tab.2 Orthogonal experiment table

3 結(jié)果及分析

3.1 斷續(xù)平面磨削溫度模型驗(yàn)證

根據(jù)熱成像儀測量溫度值驗(yàn)證所建立的斷續(xù)平面磨削溫度模型。選取工件上5 號(hào)和6 號(hào)采樣點(diǎn)分別作為平面溫度峰值和工件邊緣溫度峰值測點(diǎn)，通過熱成像儀實(shí)時(shí)記錄磨削一個(gè)加工過程的溫度分布情況。由于4 號(hào)和5 號(hào)點(diǎn)之間有一個(gè)空隙，所以當(dāng)砂輪接觸到5 號(hào)點(diǎn)時(shí)，將磨削溫度所達(dá)到的最大值作為5 號(hào)點(diǎn)溫度取值。然后，根據(jù)砂輪進(jìn)給速度和5 號(hào)與6 號(hào)點(diǎn)之間的距離來確定6 號(hào)點(diǎn)的溫度值。記錄下每次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)式(21)計(jì)算出n的值，見表3。

表3 各序號(hào)實(shí)驗(yàn)溫度記錄表Tab.3 Test temperature record table for each serial number

由表3 可以看出，由于工件邊緣處的導(dǎo)熱能力不如普通平面，熱量會(huì)在工件邊緣處堆積，因此工件邊緣處測得的溫度峰值會(huì)略大于普通平面磨削的溫度峰值，這與之前的理論分析相吻合。對n值求均值可得：navg=0.06128。因此，本次實(shí)驗(yàn)中GCr15 材料的邊緣磨削峰值溫度為Tn=1.061 28T。navg在一定程度上可以作為某一次砂輪工件組合的磨削邊緣溫度峰值評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以通過該指標(biāo)來判斷工件邊緣相對于普通平面磨削時(shí)的溫度范圍。

3.2 AE 信號(hào)與磨削區(qū)溫度關(guān)系

小波包分解（WPT）是一類正交基函數(shù)，它能對信號(hào)的低頻和高頻部分進(jìn)行分解。相對于小波變換而言，WPT 是一種更加精細(xì)的信號(hào)時(shí)頻分析方法。Liu Qiang 等[24]曾使用小波包分解提取AE 信號(hào)的特征值，并成功用于磨削監(jiān)測中。為了研究AE 信號(hào)與磨削區(qū)溫度之間的關(guān)系，需對AE 信號(hào)進(jìn)行處理?，F(xiàn)選取序號(hào)5 實(shí)驗(yàn)加工的工件5 號(hào)采樣點(diǎn)處的AE 信號(hào)進(jìn)行小波包分解。將AE 信號(hào)分解為3 層，0～7 一共8個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)奈奎斯特采樣定理和小波包分解層數(shù)，則每個(gè)節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的頻段長度約為62 500 Hz，各個(gè)小波包節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的頻率見表4。

表4 小波包分解各頻段跨度分布Tab.4 Wavelet packet decomposition of each frequency band span distribution table

對小波包分解后各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量進(jìn)行計(jì)算可得，第三層第1 節(jié)點(diǎn)（62 500～125 000 Hz 頻段）和第三層第2 節(jié)點(diǎn)（125 000～187 500 Hz 頻段）所占的比例較高，這2 個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量占比也都超過40%，其能量譜特征如圖10 所示。通過對AE 信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），將信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域上進(jìn)行分析，在90～180 kHz 的能量占比較高，這與小波包分解后能量分布結(jié)果基本一致。

圖10 兩種能量分布Fig.10 Two energy distributions: a) wavelet packet decomposition energy spectrum; b) spectrum distribution after FFT transformation

針對上述9 次正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別提取圖6 中每次實(shí)驗(yàn)工件上5 號(hào)采樣點(diǎn)的AE 信號(hào)，通過小波包分解后，計(jì)算第三層每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量值，并進(jìn)行求和。將每次實(shí)驗(yàn)求得的能量與該點(diǎn)處測得的溫度值進(jìn)行比較，如圖11 所示?？梢钥闯?，溫度與能量的分布趨勢一致，溫度與AE 信號(hào)間具有較好的對應(yīng)關(guān)系。

圖11 9 次實(shí)驗(yàn)溫度與聲發(fā)射能量分布Fig.11 Distribution graph of temperature and acoustic emission energy for 9 experiments

在前面的研究中，已經(jīng)證實(shí)工件邊緣處的溫度比普通平面磨削要高，現(xiàn)研究斷續(xù)平面磨削時(shí)工件邊緣處AE 信號(hào)的特征。選取圖6 中5 號(hào)實(shí)驗(yàn)工件的1、2和5、6 采樣點(diǎn)處的AE 信號(hào)，進(jìn)行小波包分解后，對第三層每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖12 所示?？梢钥闯?，1、5 采樣點(diǎn)處的能量比2、6 采樣點(diǎn)處的能量要高，這與測量的工件邊緣溫度比工件普通磨削溫度要高的現(xiàn)象一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了工件邊緣處磨削區(qū)的溫度高于普通平面磨削區(qū)，即Tn>T。

圖12 第三層各節(jié)點(diǎn)能量占比對比圖Fig.12 Comparison of the energy ratio of each node in the third layer: a) the 1st and 2nd sampling points; b) the 5th and 6th sampling points

通過以上研究可以得出，無論是在不同工藝參數(shù)情況，還是在同一工藝參數(shù)下的不同采樣點(diǎn)，其磨削區(qū)溫度與AE 信號(hào)都具有較好的對應(yīng)關(guān)系。因此，通過對聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行小波包分解計(jì)算的能量值可用于磨削區(qū)溫度的在線監(jiān)測。

3.3 基于AE 信號(hào)的磨削工件燒傷在線監(jiān)測

在磨削區(qū)中，工件表面層溫度和溫度梯度會(huì)對工件的表面質(zhì)量和使用性能造成影響。當(dāng)溫度超過某一臨界值時(shí)，就會(huì)引起工件表層金屬的金相組織發(fā)生變化，強(qiáng)度和硬度改變，產(chǎn)生殘余應(yīng)力和顯微裂紋等現(xiàn)象，這種情況就是磨削燒傷[25]。在產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)中，難以通過直接測量溫度來判斷工件是否發(fā)生燒傷，特別是對于斷續(xù)磨削加工，往往難以安裝相關(guān)溫度傳感器，而采用AE 信號(hào)監(jiān)測磨削加工過程，為解決磨削燒傷在線監(jiān)測提供了解決辦法。上述9 次實(shí)驗(yàn)中5、6 采樣點(diǎn)的AE 信號(hào)的能量分布如圖13 所示。

圖13 9 次實(shí)驗(yàn)5、6 號(hào)采樣點(diǎn)處能量分布Fig.13 Energy distribution at sampling points 5 and 6 of 9 experiments

為了建立AE 信號(hào)與磨削燒傷之間的關(guān)系，需要對工件表面進(jìn)行燒傷檢測，而傳統(tǒng)的酸洗檢測法存在污染環(huán)境、耗時(shí)長、無法量化和依賴經(jīng)驗(yàn)等缺點(diǎn)。本文采用巴克豪森噪聲檢測法，可實(shí)現(xiàn)快速檢測磨削工件表面燒傷，如圖14a 所示。為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)工件是否發(fā)生燒傷，每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，使用Rollscan350 巴克豪森噪聲分析儀對每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行檢測，4 號(hào)實(shí)驗(yàn)的檢測結(jié)果如圖14b 所示。圖中mp 值為無量綱值，橫坐標(biāo)為時(shí)間。從圖14b 中可以看出，所有工件邊緣處采樣點(diǎn)的mp 值明顯高于其他采樣點(diǎn)，且高于未磨削時(shí)的正常值。將所有實(shí)驗(yàn)工件的5 號(hào)和6 號(hào)采樣點(diǎn)處的檢測燒傷結(jié)果分布情況作圖，如圖14c 所示。在4號(hào)和9 號(hào)實(shí)驗(yàn)工件上，5 號(hào)采樣點(diǎn)處出現(xiàn)燒傷，而6號(hào)采樣點(diǎn)未出現(xiàn)燒傷，不同步比為22.2%。因此在斷續(xù)磨削時(shí)，工件邊緣處更容易發(fā)生磨削燒傷現(xiàn)象。

圖14 燒傷檢測圖Fig.14 Burn detection chart: a) Barkhausen noise analyzer and its probe; b) mp value at sampling points 1 to 8 of experiment 4(vs=22.4 m/s, vw=0.0083 m/s, ae=5 μm); c) burn distribution map of 9 experiments

從各點(diǎn)的磨削燒傷分布情況和AE 信號(hào)的能量對比可以看出，在5 號(hào)采樣點(diǎn)處，能量值高于80 000的均發(fā)生了燒傷現(xiàn)象。同理，在6 號(hào)采樣點(diǎn)處，能量值高于60 000 的均發(fā)生了燒傷現(xiàn)象。造成兩處燒傷的能量水平不同的原因是，在工件邊緣和非邊緣處的磨削工藝參數(shù)不同，其其他綜合因素影響造成的能量水平存在區(qū)別。由以上分析可看出，AE 信號(hào)可以用來監(jiān)測斷續(xù)磨削過程中的磨削燒傷現(xiàn)象，與傳統(tǒng)的檢測燒傷方法相比，該方法具有更高的效率和更好的實(shí)用性，為實(shí)現(xiàn)斷續(xù)磨削燒傷智能監(jiān)測提供了依據(jù)。

4 轉(zhuǎn)向螺母端面實(shí)際磨削案例

某汽車轉(zhuǎn)向螺母端面擋邊磨削具有斷續(xù)、磨削接觸區(qū)長等特點(diǎn)，工廠實(shí)際磨削加工該螺母零件時(shí)，端面擋邊邊緣處容易發(fā)生燒傷現(xiàn)象，傳統(tǒng)方法只能在加工完后進(jìn)行燒傷檢測，無法滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，如圖15 所示?；谏鲜隼碚撃Ｐ秃捅O(jiān)測方法，對該產(chǎn)品磨削燒傷進(jìn)行在線監(jiān)測驗(yàn)證。該螺母磨削加工的數(shù)控外圓端面磨床型號(hào)為 OCD-3256B，砂輪直徑為455 mm，寬度為31 mm，主軸轉(zhuǎn)速為2200 r/min，工件主軸轉(zhuǎn)速為300 r/min，每轉(zhuǎn)進(jìn)給0.2 mm。磨削過程中，螺母上下料由機(jī)械臂自動(dòng)完成，保證裝夾精度，并可以減少磨削間隔時(shí)間，AE 傳感器固定在機(jī)床基座上。

圖15 螺母零件與加工現(xiàn)場Fig.15 Nut parts and processing site map: a) steering nut; b) nut processing site map

選取60 個(gè)螺母零件進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，10 個(gè)零件作為一組。每一組螺母加工完后，需對砂輪進(jìn)行重新修整，修整速度為500 μm/s。通過在線監(jiān)測AE 傳感器信號(hào)的能量值，當(dāng)出現(xiàn)過高情況時(shí)，記錄對應(yīng)的加工螺母零件，并使用巴克豪森噪聲檢測法檢測磨削表面是否燒傷，同時(shí)使用酸洗法進(jìn)行驗(yàn)證。

通過對每個(gè)零件加工過程中的AE 信號(hào)小波包分解能量進(jìn)行在線監(jiān)測，分別在第五組的10 號(hào)和第六組的10 號(hào)零件發(fā)現(xiàn)了能量較高的情況。經(jīng)分析得知，其能量高點(diǎn)處均出現(xiàn)在擋邊的間斷處。對這兩個(gè)零件擋邊邊緣處和中部兩個(gè)點(diǎn)分別使用巴克豪森噪聲檢測法檢測（如圖16 所示）。從實(shí)際檢測結(jié)果（如圖17所示）可以看出，螺母擋邊的邊緣處mp 值均較高，即出現(xiàn)了燒傷現(xiàn)象。對這兩個(gè)零件使用傳統(tǒng)的酸洗法進(jìn)行檢測驗(yàn)證，同樣檢測出了燒傷情況。

圖16 零件的測點(diǎn)Fig.16 Measuring point diagram of parts

圖17 兩組零件的mp 值（主軸轉(zhuǎn)速2200 r/min，工件主軸轉(zhuǎn)速300 r/min，每轉(zhuǎn)進(jìn)給0.2 mm）Fig.17 mp value of two sets of parts (wheel speed 2200 r/min,workpiece speed 300r/min, feed rate 0.2 mm/r): a) number 10 in the fifth group; b) number 10 in the sixth group

通過該螺母實(shí)際磨削加工案例，進(jìn)一步證明了上述斷續(xù)磨削理論模型和AE 信號(hào)在線監(jiān)測磨削燒傷的有效性和實(shí)用性。在實(shí)際應(yīng)用過程中，該方法的準(zhǔn)確性在一段時(shí)間和條件內(nèi)可以達(dá)到90%以上。該方法為實(shí)現(xiàn)磨削燒傷在線智能監(jiān)測和在線控制產(chǎn)品質(zhì)量提供了重要途徑。但是由于生產(chǎn)加工過程不確定影響因素的存在（砂輪磨損、毛坯形狀差異、冷卻液濃度等），對該方法的準(zhǔn)確性存在一些干擾，會(huì)造成一定程度的誤判，這也是該技術(shù)后續(xù)研究需要解決的問題。

5 結(jié)論

1）針對斷續(xù)磨削加工過程中工件邊緣處導(dǎo)熱能力差、磨削區(qū)溫度高及容易發(fā)生磨削燒傷的問題，基于平面磨削溫度場理論和鏡像熱源方法，建立了一種斷續(xù)磨削工件邊緣的溫度場模型，即工件邊緣處磨削溫度可由Tn= (1 +n)T來表示?；谠撃Ｐ?，可對斷續(xù)磨削燒傷機(jī)理進(jìn)行研究。

2）為驗(yàn)證模型有效性，根據(jù)正交表設(shè)計(jì)了不同斷續(xù)磨削工況實(shí)驗(yàn)，利用紅外熱成像儀和聲發(fā)射信號(hào)對斷續(xù)磨削區(qū)溫度進(jìn)行了在線監(jiān)測，利用酸洗法和巴克豪森噪聲檢測儀對磨削后工件表面進(jìn)行了燒傷檢測驗(yàn)證。該模型可有效反映斷續(xù)磨削時(shí)工件邊緣處磨削區(qū)溫度場的分布情況，計(jì)算結(jié)果表明，斷續(xù)磨削工件斷口邊緣比其他位置磨削區(qū)溫度更高，且更容易引起燒傷。

3）通過對聲發(fā)射信號(hào)的小波包能量求解，建立其與磨削區(qū)溫度之間的關(guān)系。結(jié)果表明，聲發(fā)射信號(hào)的小波包變換總能量與磨削區(qū)成一定相關(guān)性，提出了基于聲發(fā)射信號(hào)對斷續(xù)磨削燒傷實(shí)施在線監(jiān)測的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該模型對斷續(xù)磨削燒傷分析的有效性和利用聲發(fā)射信號(hào)對斷續(xù)磨削燒傷在線監(jiān)測的實(shí)用性。

4）針對某一轉(zhuǎn)向螺母產(chǎn)品實(shí)際斷續(xù)磨削加工燒傷進(jìn)行在線監(jiān)測應(yīng)用，取得了很好的應(yīng)用效果。實(shí)踐結(jié)果表明，該方法比傳統(tǒng)酸洗燒傷檢測更加高效、環(huán)保，對實(shí)現(xiàn)磨削加工燒傷檢測自動(dòng)化和智能化具有重要意義。