声发射技术及其在机械加工特性研究中的应用

    1 声发射技术简介

    在力的作用下,材料缺陷地区应力集中,导致该区域能量集中,当材料受力达到一定程度后,使得缺陷地区发生微观屈服变形,于是应力得到松弛,多余的能量以应力波的形式释放出来.这种在材料中传播的应力波就叫做声发射(Acoustic Emission,简称AE),这种现象在固体材料中普遍存在.主要的声发射源有材料的塑性变形,裂纹形成、扩展和断裂,摩擦磨损,相变及磁畴运动等.

    AE技术的特点是可用于动态无损检测.自1950年德国科学家Kaiser对AE现象进行了系统研究之后,日、美、苏等国在AE技术方面进行了大量的研究,我国从70年代初也开展了这方面的研究工作.目前,AE技术用于材料研究、压力容器完整性评价、构件安全监测及岩土工程和地震监测等方面已取得明显的效果,在机械加工中的应用研究也很多.

    2 声发射技术在机械加工中的应用

    金属切削过程中会产生丰富的AE信号.金属切削过程中可能的声发射源,如图1所示

    可能的AE源是:(a)工件材料的塑性变形(图中4、2和3);(b)工件材料的开裂(1和8);(c)工件材料、刀具、切屑及断屑之间的摩擦(2、3和5);(d)切屑的折断与撞击(6和7);(e)刀具的开裂、崩刃和断裂(9),此外,切削过程中产生的积屑瘤、鳞刺也是强烈的声发射源.

    切削过程中的声发射是重要的切削现象之一,已有人把它与切削力、切削热放在同等重要的位置上进行研究.AE技术在机械加工中的应用是由刀具磨损和破损的监测而引入的,目前的应用研究有以下几个方面.

    1) 在刀具磨损和破损监测方面的应用.70年代后期,日本神户大学的岩田一明和森胁俊道首先把AE技术用于刀具磨损的监测,开辟了AE技术应用的新领域.实验发现AE总计数与刀具后刀面的磨损存在着非常密切的相关性,刀具破损时AE信号比正常切削时大得多,并且大都有前兆信号,这也为我们所进行的实验所证实.因此,用AE监测刀具破损是可行的.此外,还有人对陶瓷刀具破损的AE监测及高速断续切削时刀具产生的热裂纹的AE监测进行了研究.

    2) 在研究切削过程中的应用.日本东京大学Kunio Uehara等人研究了切屑形成机理与AE信号之间的关系,提出了一种挤裂切屑和断续切屑形成的机理,并能通过检测到的AE信号识别积屑瘤存在与否.日本大阪大学津和秀夫等人用AE研究金属切削过程中刀尖前端材料分离过程的研究,检测了材料的撕裂现象.

    3) 在磨削过程中的应用.日本宇都宫大学的江田弘等人用AE法在线监测磨削裂纹进行了研究,实验结果表明,由于磨削裂纹形成而产生的AE信号在600~800 kHz之间,而在正常磨削情况下AE信号的频率一般在400 kHz以下,这样可以用滤波的方法把由于磨削裂纹形成而产生的AE信号提取出来,从而可以对磨削裂纹的产生进行在线监测.除此之外,还有人研究用AE信号监测砂轮的钝化、修整及砂轮与工件趋近时的空行程检测等.