基于聲發(fā)射的棒料起裂時間測定教學(xué)實驗平臺開發(fā)

張立軍, 李增輝, 張?zhí)炝? 張軍偉, 韓 琳, 王旱祥, 李小朋, 姜 浩

(中國石油大學(xué)(華東) 機電工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

為了適應(yīng)我國裝備制造業(yè)的快速發(fā)展,眾多工科院校的機械設(shè)計制造及其自動化、機械工程等專業(yè)都開設(shè)了“現(xiàn)代制造技術(shù)”“切削原理與刀具”課程,這些課程對提高學(xué)生專業(yè)技能、開拓學(xué)生視野,掌握現(xiàn)代制造業(yè)加工技術(shù),適應(yīng)高端企業(yè)需求具有重要意義。對先進制造技術(shù)進行有效教學(xué),培養(yǎng)適應(yīng)高技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需要的工程應(yīng)用人才對我國實現(xiàn)從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變具有重要意義[1]。本文將先進加工技術(shù)、傳感器技術(shù)、聲發(fā)射檢測技術(shù)結(jié)合起來,研發(fā)了基于聲發(fā)射無損檢測的低應(yīng)力下料起裂時間測定教學(xué)實驗平臺。

1 聲發(fā)射技術(shù)簡介

該實驗平臺主要是對基于聲發(fā)射無損檢測方式的低應(yīng)力下料工藝進行展示,使整個下料過程更加直觀。在金屬制品和機械制造行業(yè)中,下料是金屬成形加工的第一道工序,其廣泛應(yīng)用于螺栓、汽車配件生產(chǎn)等備料工序中[2]。生產(chǎn)中的傳統(tǒng)下料方式主要有金屬切削機床下料、氣割下料和剪切下料。傳統(tǒng)的下料方式存在一些問題,主要包括能量消耗高、下料效率低、斷面質(zhì)量差、原材料浪費嚴重等[3]。因此,高效、高質(zhì)量、低消耗的低應(yīng)力下料技術(shù)作為新型下料方式逐漸受到行業(yè)內(nèi)的高度重視,并且具有十分廣闊的前景[4-6]。

目前在低應(yīng)力下料中,準確確定V型槽尖端起裂階段及起裂時間至關(guān)重要,因為其關(guān)系到初始臨界加載力大小以及下料效率的問題。若起裂加載力過小,將會增加下料時間或?qū)е孪铝喜怀晒?；若起裂加載力過大,棒料會瞬間斷裂,導(dǎo)致下料斷面質(zhì)量變差。同時,每一節(jié)棒料的下料時間與斷面質(zhì)量之間經(jīng)常是沖突的,也就是說,若通過控制加載力讓棒料端面裂紋快速起裂和緩慢擴展,下料時間長,下料斷面質(zhì)量較高；若通過控制加載力讓端面裂紋快速起裂和快速擴展,下料時間短,下料斷面質(zhì)量差。因此獲取棒料V型槽尖端起裂時合適的臨界起裂加載力,以及加載力與時間之間的控制曲線是十分重要的[7]。然而,目前的低應(yīng)力下料過程中棒料V型槽尖端起裂加載力的確定是根據(jù)斷裂力學(xué)的估算和有限的經(jīng)驗數(shù)據(jù)得出的[8-9],經(jīng)常因初始加載力不合適導(dǎo)致下料時間和斷面質(zhì)量不理想。為此，提出采用聲發(fā)射技術(shù)和傳感器技術(shù)來研究V型槽尖端裂紋的起裂問題。聲發(fā)射是物體或材料內(nèi)局部能量源迅速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種現(xiàn)象,其優(yōu)點就在于它是一種動態(tài)的無損檢測技術(shù),被測得的信號來自于試件的本身,可以整體判斷被測試件的缺陷[10],而對于試件的要求并不高,可以用于惡劣的環(huán)境當中。聲發(fā)射技術(shù)可以用來檢測和評估裂紋的產(chǎn)生和擴展,并且能及時地展現(xiàn)其動態(tài)特征,非常適合檢測低應(yīng)力下料過程中的裂紋起裂過程[11-13]。在各國學(xué)者早期研究中,其初始裂紋的尺寸在0.05～0.5 mm[14]之間變化,本文擬將金屬棒料V型槽的初始裂紋尺寸定為0.3 mm,并采用聲發(fā)射技術(shù)來精確地確定帶V 型槽金屬棒料的起裂過程。

2 低應(yīng)力下料機理及聲發(fā)射檢測原理

低應(yīng)力下料技術(shù)是未來很有發(fā)展?jié)摿Φ慕饘倜鞒尚渭夹g(shù)。本文設(shè)計搭建的基于聲發(fā)射無損檢測的棒料起裂時間測定教學(xué)實驗平臺,能夠讓學(xué)生對下料裝置進行實際操作,認識和熟悉下料裝置的工作原理,掌握低應(yīng)力下料裝置中滾珠絲杠、起升裝置、電動機、凸輪、前后進給裝置等元件的結(jié)構(gòu)特點和使用方法,了解聲發(fā)射無損檢測方式、力傳感器等的工作原理及聲發(fā)射信號分析儀的數(shù)據(jù)采集與處理過程等。

2.1 基于聲發(fā)射的低應(yīng)力下料裝置的基本原理

基于聲發(fā)射的低應(yīng)力下料原理：首先在金屬棒料表面預(yù)制V型槽,然后將預(yù)制有V型槽的棒料一端送入到低應(yīng)力下料裝置中、與主軸連接的凸輪下方,另一端固定在可移動夾持機構(gòu)中。下料機工作時,與主軸連接的凸輪會產(chǎn)生作用于棒料的擠壓力,通過調(diào)節(jié)變頻電動機的頻率可以實現(xiàn)擠壓力的變化。通過利用可移動夾持機構(gòu)調(diào)節(jié)棒料的加載位置,可以動態(tài)調(diào)節(jié)棒料加載力的力臂大小,從而改變V型槽尖端的應(yīng)力狀態(tài),實現(xiàn)對裂紋起裂的有效控制,達到高效低應(yīng)力下料目的[6]。這種下料方法充分利用了環(huán)向V型槽的缺口效應(yīng)和彎曲效應(yīng),實現(xiàn)材料在低應(yīng)力水平下的脆斷,獲得無幾何畸變、斷口垂直平整、無需倒角的金屬毛坯[15]。圖1是簡化了的低應(yīng)力下料裝置工作原理圖。

圖1 主軸運動情況下的低應(yīng)力下料裝置簡化受力模型

2.2 聲發(fā)射檢測的基本原理

聲發(fā)射檢測技術(shù)是無損檢測中的一種形式,當物體或者材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)受外界載荷的作用而產(chǎn)生變形或者斷裂,并且以彈性波的形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象被稱為聲發(fā)射現(xiàn)象[10]。廣泛來講,金屬材料發(fā)生塑性變形或者材料發(fā)生斷裂時會伴隨有聲發(fā)射現(xiàn)象發(fā)生,但是大部分金屬材料的聲發(fā)射信號強度很微弱,以至于人耳不能直接聽見,需要使用敏感的聲發(fā)射儀器等設(shè)備才能檢測到。對有聲發(fā)射信號發(fā)出的材料進行檢測、記錄并處理信號來判斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)[10]。在信號檢測過程中,聲發(fā)射傳感器將采集到的微弱信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)可識別的電信號,并且送入到前置放大器中進一步放大。聲發(fā)射無損檢測技術(shù)的原理如圖2所示。

圖2 聲發(fā)射無損檢測技術(shù)的基本原理

3 棒料起裂時間測定教學(xué)實驗平臺的搭建

3.1 實驗平臺組成

為了判斷棒料V型槽的起裂時間,研究聲發(fā)射信號的變化與V型槽尖端裂紋起裂程度的關(guān)系,本文設(shè)計了基于聲發(fā)射無損檢測的棒料起裂時間測定教學(xué)實驗平臺,如圖3所示。該系統(tǒng)主要由低應(yīng)力下料裝置、全信息聲發(fā)射信號分析儀、增益可調(diào)節(jié)放大器、聲發(fā)射傳感器、力傳感器、變頻控制系統(tǒng)等組成,其中聲發(fā)射傳感器安放位置如圖3和圖4所示。聲發(fā)射傳感器由磁性固定器及耦合劑固定在金屬棒料表面，并連接了增益為40的增益可調(diào)節(jié)放大器,可將接收到的信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)可識別的電信號,再送入到增益可調(diào)節(jié)放大器中進一步放大后傳送到采集卡中。本裝置主要對直徑為8～15 mm的棒料進行研究分析。

圖3 基于聲發(fā)射無損檢測的棒料起裂時間測定教學(xué)實驗平臺

3.2 實驗過程

為了獲取低應(yīng)力下料中棒料V型槽尖端的聲發(fā)射信號,采用北京軟島公司的全信息聲發(fā)射信號分析儀來研究V型槽尖端裂紋起裂階段的聲發(fā)射信號,并分析棒料V型槽尖端裂紋起裂時間。帶V型槽的45#鋼棒料的技術(shù)參數(shù)見表1。實驗過程中設(shè)置全信息聲發(fā)射信號分析儀以3 MHz的采集頻率連續(xù)采集聲發(fā)射信號,帶寬為100～1 000 kHz,數(shù)據(jù)采集方式為多通道同步采集,設(shè)定采集波形，數(shù)據(jù)卡采樣頻率為2.5 MHz。由于棒料材料為45#鋼,故設(shè)置門檻值為35 dB,考慮到電動機及變頻器等產(chǎn)生的電磁干擾,實驗過程中采用導(dǎo)線將實驗臺與全信息聲發(fā)射信號分析儀相連接并接地,以達到消除一部分噪聲干擾的目的,其余參數(shù)設(shè)置見表2。

表1 帶V型槽的45#鋼棒料試樣的技術(shù)參數(shù)

表2 全信息聲發(fā)射信號分析儀的參數(shù)設(shè)置

為了能夠保證系統(tǒng)的平穩(wěn)啟動,設(shè)置主軸的初始轉(zhuǎn)速為670 r/min,即變頻器在12 Hz時啟動裝置。啟動頻率太低,容易導(dǎo)致低應(yīng)力下料失?。粏宇l率太高,則會增加安全風險系數(shù),進而增加實驗的風險,主軸的截止轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 600 r/min。

在低應(yīng)力下料實驗過程中,啟動變頻器的同時打開全信息聲發(fā)射信號分析儀,實現(xiàn)低應(yīng)力下料裝置和全信息聲發(fā)射信號分析儀兩系統(tǒng)同步運行,變頻器在低頻率啟動后迅速增加到預(yù)定的截止頻率的速度運轉(zhuǎn),隨著載荷的施加,棒料V型槽尖端會產(chǎn)生細微裂紋,此時利用作用在棒料上的力傳感器測出施加在棒料上的臨界外加載力；隨后裂紋繼續(xù)擴展直到棒料斷裂,完成下料。具體教學(xué)實驗平臺的操作流程如圖5所示。

4 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

4.1 聲發(fā)射信號多特征參數(shù)關(guān)聯(lián)分析

通過對聲發(fā)射信號的多種特征參數(shù)隨時間的變化情況進行關(guān)聯(lián)分析、處理和評價,從而得到棒料V型槽尖端材料實時活動狀態(tài)及發(fā)展趨勢。在低應(yīng)力下料中,聲發(fā)射多特征參數(shù)關(guān)聯(lián)圖可以表征棒料V型槽尖端裂紋在起裂階段,以及擴展階段的信號特征。在眾多聲發(fā)射特征參數(shù)中,累積振鈴計數(shù)與下料過程中棒料受載過程所釋放的應(yīng)變能存在著比例關(guān)系,能夠很好地反映材料損傷特性的變化,因此可以明顯地表征出下料過程中棒料V型槽尖端裂紋起裂階段的特征。V型槽槽深為2.5 mm的棒料低應(yīng)力下料中,有效電壓值RMS和累計振鈴計數(shù)與時間的系曲線如圖6示。

圖5 本實驗平臺具體操作流程圖

圖6 有效電壓值RMS和累計振鈴計數(shù)與時間關(guān)系曲線

如圖6所示,有效電壓值RMS與時間關(guān)系曲線能很好地與下料過程中棒料V型槽尖端裂紋起裂、擴展各階段相吻合,且階段性特征明顯。在裂紋初始萌生階段,有效電壓值RMS及累計振鈴計數(shù)曲線的斜率較低,聲發(fā)射信號強度也相對較低。在V型槽尖端起裂過程中,聲發(fā)射信號的強度出現(xiàn)了一定幅度的跳躍,信號活動程度大幅增加,強度也明顯增強。同時,累計振鈴計數(shù)發(fā)生了斜率變化,出現(xiàn)了顯著的曲線斜率突變點。隨著時間的推移,棒料V型槽尖端裂紋呈現(xiàn)規(guī)律性穩(wěn)定擴展,整個擴展階段聲發(fā)射信號的強度都維持在一個較高水平內(nèi),且明顯高于其他階段,累計振鈴計數(shù)曲線斜率較高。在失穩(wěn)斷裂階段,聲發(fā)射信號呈現(xiàn)鋸齒形交錯下降,直到下料實驗結(jié)束。

4.2 基于峰態(tài)系數(shù)的低應(yīng)力下料中起裂時間確定

在低應(yīng)力下料過程中,棒料V型槽尖端的起裂具有一定的隨機性和復(fù)雜性,僅通過單純的力學(xué)分析手段進行判斷是難以實現(xiàn)的,因此尋求對波形的進一步統(tǒng)計和分析來獲取V型槽尖端起裂時刻的方法是必要的。在統(tǒng)計學(xué)中,峰態(tài)系數(shù)是用來描述總體中所有取值分布形態(tài)陡緩程度的統(tǒng)計量,是可以直觀地表征波形特征的參數(shù)之一,因此基于峰態(tài)系數(shù)對低應(yīng)力下料過程中的信號波形進行研究。峰態(tài)系數(shù)k計算公式為

(1)

圖7 低應(yīng)力下料中聲發(fā)射實驗峰態(tài)系數(shù)

隨著V型槽尖端裂紋進入到穩(wěn)定擴展的動態(tài)平衡階段,峰態(tài)系數(shù)逐漸降低并維持波動在一個相對較低的水平。在經(jīng)過一個長期的穩(wěn)定擴展之后,峰態(tài)系數(shù)再次突然增加,V型槽尖端裂紋進入失穩(wěn)階段,棒料斷裂,完成低應(yīng)力下料。在整個低應(yīng)力下料過程中,峰態(tài)系數(shù)出現(xiàn)的上述特征是由于V型槽內(nèi)每個細小的瞬間斷裂引起的,與聲發(fā)射振鈴計數(shù)、幅值、均方值相比,峰態(tài)系數(shù)具有更好的魯棒性,能更好地區(qū)分棒料在低應(yīng)力下料過程的各個階段。

5 實驗驗證

為了對棒料V型槽尖端裂紋起裂時間進一步驗證,當下料時間到達24 s時立即關(guān)閉下料系統(tǒng),并立即取下棒料通過金相顯微鏡對其V型槽尖端裂紋狀態(tài)進行放大100倍觀察,結(jié)果見圖8(a),通過與未起裂棒料V型槽尖端(圖8(b))對比,可明顯觀察到V型槽鋼起裂時的微小裂紋,此時測量裂紋長度約為0.3 mm,可以判定V型槽尖端已經(jīng)起裂,驗證槽深為2.5 mm的棒料在低應(yīng)力下料中起裂時間約為24 s。當起裂時間確定時,也可通過力傳感器同時獲得在低應(yīng)力下料過程中棒料V型槽尖端起裂時的初始臨界加載力。

圖8 棒料V型槽未起裂和起裂時狀態(tài)(放大100倍圖像)

6 結(jié)語

本文開發(fā)了基于聲發(fā)射的棒料起裂時間測定教學(xué)實驗平臺。結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)和傳感器技術(shù),采用多特征參數(shù)關(guān)聯(lián)分析法和峰態(tài)系數(shù)確定了V型槽尖端裂紋的起裂時間。該實驗平臺可以直觀地展示低應(yīng)力下料技術(shù)的工作原理以及聲發(fā)射無損檢測方法在現(xiàn)代制造技術(shù)中的實際應(yīng)用。通過實驗,學(xué)生能較好地熟悉聲發(fā)射檢測裂紋技術(shù)、傳感器技術(shù)以及數(shù)據(jù)采集處理，分析和變頻控制器的使用,從而拓展學(xué)生的思維領(lǐng)域,激發(fā)學(xué)生對機械加工制造新方法的興趣。該實驗平臺豐富了學(xué)生在學(xué)習階段對“現(xiàn)代制造技術(shù)”“切削原理與刀具”“機電信息檢測與處理技術(shù)”等課程的整體認識與理解,達到了良好的實驗教學(xué)效果。