1 監測原理

1. 聲發射(AE)信號的能量分布
   s聲發射是材料受外力或內力作用而產生變形斷裂時，以彈性波的形式釋放能量的現象。切削加工中影響AE信號的因素很多，除了刀具磨損外，切屑纏繞、斷屑、刀具與工件表面的摩擦以及刀具斷裂或崩刃等都會引起AE信號的變化。AE信號具有較寬的頻率范圍(幾十千赫茲到幾兆赫茲)，不同的AE信號源產生的AE信號的頻率范圍不同。為了確定反映刀具磨損狀態的AE信號的頻率范圍，對切削加工過程中AE信號的功率譜進行分析。
   
   (a)連續切屑
   (b)崩碎切屑圖1 正常切削AE信號的功率譜
   圖2 AE_RMS、VB以及切削加工時間t之間的對應關系
   圖3 聲發射信號的振鈴計數
   圖1是正常切削時AE信號的功率譜。由圖可以看出，正常切削時AE信號主要分布在50～120kHz和180～220kHz兩個頻段。50～120kHz頻段范圍內的AE信號主要由工件上第一剪切變形區的塑性變形，主(副)后刀面與工件之間的摩擦，以及切屑沿前刀面流出時受到前刀面的摩擦與擠壓使切屑進一步產生滑移變形等引起。圖1b為崩碎切屑時AE信號的功率譜，此時出現在180～220kHz范圍內的信號是由切屑折斷產生的。大量實驗表明，切屑折斷、刀具內部裂紋的產生與發展、刀具崩刃等所產生的AE信號主要為高頻信號，通常在100kHz以上。以上分析表明，50～120kHz范圍內的AE信號與刀具磨損狀態有著密切關系。
2. 特征信息的選擇
   1. AE信號的均方根值AE_RMS
      AE信號的均方根AE_RMS是反映AE信號能量大小的一個特征參量。設有信號AE(t)，對該信號進行連續采樣得到AE₁、AE₂、AE₃…AE_i(i=1，2，3…n)n個樣本點，則該信號的均方根值可由下式求得為
      圖2是在普通車床C6140上使用YT15硬質合金刀片加工調質45鋼(280～300HB)，切削參數V=172m/min，a_p=0.8mm，f=0.1mm/r條件下經帶通濾波(50～120kHz)后得到的AE信號的均方根值AE_RMS和刀具后面磨損量VB與切削時間t之間的對應關系曲線。
      
      由圖2可以看出，刀具后面磨損量VB與AE_RMS值具有相同的變化趨勢，說明隨著刀具磨損的加劇，AE信號的能量不斷增加。
   2. AE信號的振鈴計數
      振鈴計數實際上也是一個反映信號能量大小的特征參量。如圖3所示，聲發射信號的振鈴計數就是對超過事先規定閾值(V_T)的聲發射信號進行計數。采樣時間內(取1024個采樣點)AE信號超過閾值的振鈴次數稱為該采樣時間內的振鈴計數。
      切削加工時間t
      (mm)初始切削36915后刀面磨損量00.130.190.220.30振鈴計數068253459467

      刀具磨損與AE信號振鈴計數之間的關系

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      附表給出了切削加工時間t，刀具后面磨損量VB以及振鈴計數之間的對應關系。可以看出，隨著刀具磨損的加劇，采樣時間內超過事先預定閾值的AE信號振鈴計數有不斷增加的趨勢。
      研究表明，斷屑，切屑纏繞，切屑撞擊傳感器等干擾所產生的高頻AE信號由于其局部峰值較高，通常會引起AE_RMS值的增加，有時甚至使AE_RMS值超過閾值，但由于其峰值信號持續時間很短，對振鈴計數的影響較小。因此，使用振鈴計數能很好地解決干擾信號的影響問題。
      
      圖4 系統監測原理
3. 監測方法
   由a分析已知，切削加工中AE信號的來源很多，通過帶通濾波(50～120kHz)能在很大程度上減少與刀具磨損狀態無關的AE信號的影響，但對一些頻帶范圍較寬的干擾(如切屑撞擊傳感器)則無法完全排除。為此，筆者使用雙閾值判斷法，圖4為這種監測方法的原理。AE_RMS值大于閾值時，判斷振鈴計數是否也達到預先設置的閾值，只有當兩者都超過各自的閾值時，才認為刀具已磨損，否則，認為是干擾信號使AE_RMS超過閾值。

2 實驗及討論