基于激光超聲技術(shù)的刀具檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

單 寧 劉 霞

(①武警工程學(xué)院裝備運(yùn)輸系，陜西西安 710086;②西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西西安 710072)

隨著柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等自動化加工系統(tǒng)的快速發(fā)展，機(jī)械加工的自動化程度得到大幅提高。為了保證機(jī)械制造自動化和生產(chǎn)的順利進(jìn)行，需要對加工過程中所出現(xiàn)的故障進(jìn)行有效檢測。刀具是機(jī)械加工過程中最基本的加工元素，刀具的破損會導(dǎo)致加工過程中斷、引起工件報(bào)廢、增加廢品率、使機(jī)床損壞、降低機(jī)床使用率、增大生產(chǎn)成本。因此，刀具的健康檢測成為整個生產(chǎn)過程安全、順利進(jìn)行的一個重要環(huán)節(jié)［1，2］。

硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，允許切削速度比高速鋼高4～10倍，因此被制成各種合金刀具并廣泛應(yīng)用于航空航天制造業(yè)、模具制造業(yè)、汽車制造業(yè)及機(jī)床制造業(yè)等眾多領(lǐng)域。合金刀具在制造和切削過程中往往會留下各種表面缺陷，為滿足刀具使用的安全性、可靠性和耐用度的高標(biāo)準(zhǔn)要求，必須對其表面缺陷進(jìn)行檢測［3，4］。常用的刀具表面缺陷檢測方法主要有肉眼觀察、放大鏡觀察、浸油吹砂、體視顯微鏡和工具顯微鏡等［4］，但是這些方法自動化程度低，對刀具表面粗糙度要求高，且容易產(chǎn)生漏檢。激光超聲技術(shù)是通過激光激發(fā)超聲信號，無需耦合劑，超聲信號又可通過光學(xué)方法檢測，故可實(shí)現(xiàn)完全非接觸激發(fā)和接收，便于在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)等惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)無損檢測;激光超聲的激發(fā)和檢測都是在瞬間完成的，能夠?qū)崿F(xiàn)快速實(shí)時檢測;另外激光超聲可用于表面幾何形狀復(fù)雜及受限制如焊縫根部、小直徑管道等的檢測，因此，廣泛應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域［5～7］。

目前，將激光超聲技術(shù)應(yīng)用于刀具表面缺陷檢測仍處于初始研究階段。本文建立激光超聲實(shí)驗(yàn)裝置，將激光超聲檢測技術(shù)應(yīng)用于刀具表面缺陷檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效檢測刀具表面缺陷，檢測效率高，結(jié)構(gòu)簡單，安裝、操作容易，體積較小，且易于實(shí)現(xiàn)完全非接觸檢測。

1 激光超聲檢測原理

超聲波通常是指頻率高于20 kHz的機(jī)械波。這種機(jī)械波在材料中以一定的速度和方向傳播，遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面(如缺陷或被測物件的底面等)就會產(chǎn)生反射。根據(jù)聲波在不同界面的反射現(xiàn)象即可進(jìn)行超聲波探傷。目前，常用的超聲波探傷方法主要有脈沖反射法、穿透法和共振法等［8］。本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用脈沖反射法。當(dāng)激光脈沖照射在介質(zhì)表面，介質(zhì)表面局部范圍吸收光能產(chǎn)生較高溫升，這部分介質(zhì)由于溫升會產(chǎn)生熱膨脹運(yùn)動，帶動周圍介質(zhì)一起運(yùn)動從而在其內(nèi)部產(chǎn)生超聲波，然后根據(jù)超聲波在介質(zhì)內(nèi)部傳播時的反射波情況來檢測介質(zhì)的缺陷。

當(dāng)超聲波垂直入射介質(zhì)表面時，若已知入射波聲強(qiáng)I0，反射波聲強(qiáng)Ir，則不同界面的聲強(qiáng)反射率R可表示為［9］

式中:P0為入射波的聲壓;Pr為反射波的聲壓;r為界面的聲壓反射率;Z1為第一種介質(zhì)的聲阻抗;Z2為第二種介質(zhì)的聲阻抗。

若已知透射波聲強(qiáng)It，則不同界面的聲強(qiáng)透過率T為［9］

式中:Pt為透射波的聲壓。

由式(1)、(2)可以看出，超聲波經(jīng)過不同的界面發(fā)生反射現(xiàn)象時，其反射波能量是減小的，且反射波與透射波能量之和等于入射波能量。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及結(jié)果

激光超聲檢測實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。由Q－Nd:YAG激光器產(chǎn)生的波長為1.06 μm，脈沖寬度為15 ns的激光脈沖經(jīng)球面鏡聚焦成直徑約為1 mm的點(diǎn)源后照射到刀具表面，激發(fā)出超聲波信號。該系統(tǒng)激光器為華北機(jī)電研究所研制，由振蕩級和放大級組成，通過調(diào)節(jié)放大級的工作電壓可以改變激光束的能量，本文中激光器輸出單脈沖最大能量為120 mJ。超聲信號由粘貼在試樣表面的PVDF壓電薄膜來接收，經(jīng)放大、濾波處理后送入TDS2012雙通道數(shù)字示波器進(jìn)行采集，并保存數(shù)據(jù)。

如圖2所示合金刀具，直徑規(guī)格為φ25 mm，分別取無表面缺陷刀具和柄部帶有橫向裂紋刀具進(jìn)行檢測。實(shí)驗(yàn)中PVDF壓電薄膜和激光點(diǎn)源位于裂紋的同側(cè)。為更好地接收超聲信號，PVDF壓電薄膜需要通過耦合劑粘貼在刀具柄部。圖3為無表面缺陷刀具中探測到的超聲信號，圖4為柄部帶有橫向裂紋刀具中探測到的超聲信號。

由圖3可以看出，沒有缺陷的超聲信號只有一處明顯峰峰值;由圖4可以看出，帶有缺陷的超聲信號有兩處明顯峰峰值，第一處波峰是傳感器探測到的直達(dá)表面波信號，第二處波峰就是表面波遇到缺陷后的反射回波。顯然，可以通過這種方法進(jìn)行刀具表面缺陷的有效檢測。

3 結(jié)語

針對合金刀具制造和切削過程中產(chǎn)生表面缺陷的無損檢測問題，本文建立激光超聲實(shí)驗(yàn)裝置，將激光超聲檢測技術(shù)應(yīng)用于刀具表面缺陷檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效檢測刀具表面缺陷，結(jié)構(gòu)簡單，安裝、操作容易，體積較小;激光激發(fā)和超聲信號接收都是在瞬間完成，檢測效率高，且超聲信號可以通過光學(xué)方法探測，易于實(shí)現(xiàn)完全非接觸式檢測，為機(jī)械制造過程中刀具健康狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，具有一定實(shí)用價(jià)值。

1 劉曉明.刀具破損監(jiān)測系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］:［學(xué)位論文］.四川:電子科技大學(xué)，2005.

2 楊永，廖力清.刀具磨損在線監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2008，(6):34～36

3 羅文宣，薛俊峰，薄海青等.整體硬質(zhì)合金刀具磨削裂紋的原因分析及其工藝改進(jìn)［J］.工具技術(shù)，2006，40(6):37～40

4 孫金海.硬質(zhì)合金刀片焊接與刃磨產(chǎn)生裂紋的原因分析及對策［J］.煤礦機(jī)械，2005，26(12):91 ～92

5 蘇琨，任大海，李建等.基于激光超聲的微裂紋檢測技術(shù)的研究［J］.光學(xué)技術(shù)，2002，28(6);518 ～519

6 施德恒，陳玉科，孫金峰等.激光超聲技術(shù)及其在無損檢測中的應(yīng)用概況［J］.激光，2004，25(5):1～4

7 單寧，史儀凱，劉霞.光纖法－珀傳感器在飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測中的應(yīng)用研究［J］.無損檢測，2009，31(3):206 ～208

8 《超聲波探傷技術(shù)及探傷儀》編寫組.超聲波探傷技術(shù)及探傷儀［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1977.

9 沈曉紅，楊峰.便攜數(shù)字式超聲探傷儀［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2006(5):30～32