超声检测技术在深孔加工中的应用

　　研究表明,数控系统配置刀具监控仪后可减少故障停机时间的75%,提高生产率50%以上。因此,刀具监控技术已成为各国公认的重大关键技术,受到高度重视。针对不同的加工过程及刀具切削状态,相应出现了许多不同种类的检测方法。在现有刀具检测中,大部分是针对车削、铣削和浅孔钻削等加工的,而对深孔加工的刀具检测却鲜有报导,尤其是用于深孔加工的自动监测系统更少,所以迫切需要对深孔检测方面进行研究。

　　深孔机床加工与一般切削机床加工在操作控制上的最大不同之处在于,深孔加工是在操作者不能凭视觉直接察知的隐蔽条件下进行的。深孔钻头的断屑、排屑、切屑刃的磨损、切削形态、被加工表面状况以至钻头走向是否正确等,都是决定加工成败、质量、效率及成本的重大影响因素,但这些都无法用肉眼直接觉察。传统的方法是操作者通过触摸刀杆和油温、听切削声音、看已排出的切屑形态和油压表指针(摸、听、看)等间接手段来判断加工过程是否正常,有深孔加工经验的操作者,甚至可以判断出被加工深孔的表面粗糙度。但是,对于钻头走偏,仍无法准确的预知。因此,在深孔加工机床方面,对钻头走向的实时监测,对切削用量的实时调整,应作为其加工控制技术更加优先的课题加以研究和解决。

　　1 超声测厚原理

　　声波是在弹性介质中传播的机械波,通常,人们把频率高于20kHz的声波称为超声波。超声波广泛用于无损检测,主要是因为它具有以下特性。

　　1)指向性好。超声波的频率愈高,指向性愈好。

　　2)传播能量大,对各种材料的穿透能力强。

　　研究表明,超声波的声速、衰减、阻抗和散射特性为其在检测领域的应用提供了丰富的信息。在超声波检测中,超声波的发射和接收是通过探头来实现的。探头又称换能器,其核心部件是压电晶体,又称晶片。晶片的功能是把高频电脉冲转换为超声波,又可把超声波转换为高频电脉冲,是实现电-声能量相互转换的能量转换器件。

　　在一定范围的匀质材料厚度测量中,超声测厚技术的应用非常广泛。超声测厚技术从原理上分有谐振式和脉冲反射式2种。本测试装置采用脉冲反射式测厚法,探头采用水浸聚焦纵波直探头检测壁厚。

　　脉冲反射式测厚法实质上是测量超声波脉冲在材料中的往返传播时间。对某种材料而言,如果此种材料的声速c已知,那么测得超声波在材料厚度方向上2个表面反射波的时间差t,就可根据式(1)求出材料的厚度d。

　　脉冲反射式测厚技术的原理如图1所示。发射电路输出一个上升时间很短,脉冲很窄的周期性电脉冲,通过电缆加到探头上,激励压电晶片产生超声波脉冲。探头发出的超声脉冲进入工件孔壁,在工件孔壁外、内两表面间多次反射。反射波经压电晶片再转换成电信号,经接受电路放大后,由计数电路测出声波在工件2个表面之间的传播时间t,从而获得工件孔壁厚度d。