鋸切圓柱形42CrMoA的聲發(fā)射監(jiān)測試驗

陳 冰 畢升豪 王 健 鄧朝暉 劉國躍

（1 湖南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，湘潭 411201）

（2 湖南泰嘉新材料科技股份有限公司，長沙 410203）

文 摘 針對鋸切加工中的帶鋸條磨損狀態(tài)未知、鋸切質(zhì)量下降等問題，本文研究了新試制的FTCUT雙金屬帶鋸條鋸切圓柱形42CrMoA合金結(jié)構(gòu)鋼過程中鋸切行為的變化，探討了聲發(fā)射信號與單刀鋸切過程、鋸齒磨損和鋸切表面質(zhì)量變化的關(guān)聯(lián)。研究表明：鋸切圓柱材料時隨著鋸切深度的變化，參與齒數(shù)先增大后減小，帶鋸條約束條件不斷變化，進而影響著聲發(fā)射信號幅值和鋸切表面質(zhì)量；基于時域分析可知鋸齒磨損過程分為磨合磨損、快速磨損、穩(wěn)定磨損三個階段；基于FFT頻域分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)頻譜圖出現(xiàn)多個主頻，且第一主頻幅值下降時，表明聲發(fā)射信號來源比較分散，即可認定帶鋸條失效；基于小波包頻域分析發(fā)現(xiàn)第7頻段信號占比最高，最能反映工件表面質(zhì)量的變化，其波動情況與鋸切表面的微紋和波紋情況可建立一定的聯(lián)系。因此，可基于聲發(fā)射信號時域和頻域分析判斷鋸齒磨損和鋸切表面惡化情況，為鋸齒磨損和鋸切表面質(zhì)量的在線監(jiān)測提供一定的思路。

0 引言

帶鋸條鋸切加工具有去除材料效率高、材料適應(yīng)性好等優(yōu)點，在鋼鐵、木材、機械、汽車、造船、石油、礦山和航空等領(lǐng)域被廣泛使用［1］。然而，在鋸切過程中由于機床結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、工件材質(zhì)不均（或夾有雜質(zhì)）等原因?qū)е聨т彈l磨損、鋸切質(zhì)量下降等問題，進而使得帶鋸條失效［2］。隨著材料科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了多種貴重材料，在鋸切下料階段貴重材料的浪費導(dǎo)致加工成本過高，因此，這就對帶鋸條鋸切加工效率和質(zhì)量提出了更高的要求。目前國外一些鋸切企業(yè)依靠多年技術(shù)創(chuàng)新的積累和智能技術(shù)的應(yīng)用，加工的工件端面表面質(zhì)量可以達到粗銑水平，有的機型甚至可以達到半粗銑水平，“以鋸代車銑”已經(jīng)成為我國高端智能鋸切設(shè)備的發(fā)展趨勢［3］。因此，對鋸切過程進行在線監(jiān)測就顯得尤為重要。

聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)是一種在線無損監(jiān)測技術(shù)，具有優(yōu)越的靈敏度和信噪比，并且其具有頻率范圍寬，易于安裝等優(yōu)點［4］。因此，國內(nèi)外學(xué)者將聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于鋸切加工中［5-7］。ALFREDO［8］利用圓鋸片對中密度纖維板進行鋸切試驗研究，發(fā)現(xiàn)鋸切的聲發(fā)射信號能量與表面粗糙度之間有密切的聯(lián)系，當(dāng)鋸切表面粗糙度增加時，鋸片與工件表面摩擦產(chǎn)生的應(yīng)力波強度隨之增加，導(dǎo)致聲發(fā)射的能量值也增加，但其特征信號表征方法單一。張美琴等［9］研究了圓盤鋸鋸切花崗石過程的聲發(fā)射信號特征，研究表明聲發(fā)射信號的均方根值隨鋸切參數(shù)的變化趨勢一致，且花崗石的抗壓強度越高，聲發(fā)射信號的均方根值越大，但其特征信號表征方法也較單一。HU等［10］設(shè)計金剛石圓鋸片鋸切混凝土試驗，分析了鋸切力信號與加工狀態(tài)之間的關(guān)系，研究表明鋸切力信號對加工狀態(tài)和表面質(zhì)量具有更好的識別能力，而聲發(fā)射信號與鋸切力信號之間存在一定的延遲性。BEREND［11］采用圓形鋸片對混凝土鋸切加工，發(fā)現(xiàn)鋸切混凝土過程中混凝土結(jié)構(gòu)成分發(fā)生變化時，聲發(fā)射信號的主要頻率也發(fā)生了明顯的變化，為混凝土切割的實時監(jiān)控和鋸切工藝參數(shù)的實時調(diào)整提供了參考依據(jù)，但并未對同一結(jié)構(gòu)成分的表面質(zhì)量和聲發(fā)射信號之間的聯(lián)系進行研究。VAHID等［12］提出了一種基于多傳感器融合的方法來監(jiān)測刀具溫度，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射在刀具溫度監(jiān)測方面比其他信號具有更好的性能，其與振動信號結(jié)合可以達到最佳監(jiān)測效果。楊靜榕［13］研究發(fā)現(xiàn)可根據(jù)聲發(fā)射計數(shù)率表征與預(yù)測木工帶鋸機在曲線鋸削時切削面波紋成分的振幅和粗糙度成分的振幅。ZHU 等［14］提出通過監(jiān)測木工帶鋸機鋸切過程中的聲發(fā)射信號來檢測齒槽裂紋的方法，發(fā)現(xiàn)隨著齒槽裂紋數(shù)量的增加，聲發(fā)射信號的振幅增大，鋸切表面質(zhì)量變差；但沒有建立不同粗糙度與聲發(fā)射信號之間的對應(yīng)關(guān)系，無法實現(xiàn)鋸切表面質(zhì)量的在線監(jiān)測。陳冰等［15］發(fā)現(xiàn)雙金屬帶鋸條在鋸切GCR15 圓柱棒料過程中，當(dāng)開始出現(xiàn)劇烈磨損時，聲發(fā)射原始信號、峰值、均值、和峰值頻域均發(fā)生突變情況，因此可由信號突變特征判斷帶鋸條初始劇烈磨損時間，從而避免坯料斜切現(xiàn)象的發(fā)生，但沒有從鋸切加工過程及機理變化，描述聲發(fā)射信號特征突變的原因。

綜上所述，目前少有研究考慮了帶鋸條鋸切加工過程及機理變化與聲發(fā)射信號特征變化之間的關(guān)系，且特征信號分析處理手段有限。因此，本文采用臥式單立柱金屬帶鋸床對42CrMoA 圓柱棒料進行鋸切試驗，分析鋸切圓柱形坯料過程中帶鋸條參與齒數(shù)、齒數(shù)變化率和振動狀態(tài)的變化等，采集鋸切過程全生命周期的聲發(fā)射信號，進行時域和頻域的特征分析，提取帶鋸條磨損和工件表面惡化的信號特征，進而實現(xiàn)帶鋸條磨損和鋸切表面質(zhì)量的監(jiān)測，擬為帶鋸條鋸切金屬構(gòu)件的在線監(jiān)測提供一種思路。

1 鋸切加工過程

此實驗是帶鋸條垂直于工件截面進行的，如下圖1 所示。在這個過程中帶鋸條存在兩個方向的運動，即水平方向的勻速鋸切運動和垂直于工件截面的進給運動。由于工件為圓柱形，隨著鋸切深度的增加，參與加工的鋸齒數(shù)量也隨之變化。根據(jù)帶鋸條與工件之間的幾何關(guān)系，可以計算出參與鋸切的帶鋸條長度與鋸切深度的關(guān)系為

圖1 鋸切加工圓柱工件Fig.1 Sawing of cylindrical workpieces

式中：L為參與加工的帶鋸條長度；d是鋸切的深度。

實驗中采用的帶鋸條為某帶鋸條生產(chǎn)企業(yè)研制的新鋸條，設(shè)計鋸齒齒距為TPI 2/3，帶鋸條寬度為34 mm，因此，參與鋸切的齒數(shù)與鋸切深度的關(guān)系為

式中，N為參與加工的鋸齒個數(shù)。

由式（2）可得齒數(shù)隨鋸切深度變化的曲線圖，如圖2所示，并對式（2）求導(dǎo)，可得齒數(shù)變化率隨鋸切深度變化的曲線圖，如圖2所示。由圖2中齒數(shù)變化曲線可知，在鋸切圓柱形工件時，隨著鋸切深度的增加，參與加工的鋸齒個數(shù)先增大后減??；而由圖2中齒數(shù)變化率曲線可知，其主要分為三個階段，有兩個拐點，兩個拐點之間齒數(shù)變化率差異不大，表明在兩個拐點之間鋸切過程相對穩(wěn)定，并且約占據(jù)工件直徑的4/5。

圖2 齒數(shù)、齒數(shù)變化率隨鋸切深度的變化曲線Fig.2 The change curves of the number of saw teeth and the change rate of the number of saw teeth with the cutting depth

鋸切中鋸齒的斷續(xù)切削使得帶鋸條斷續(xù)受力，進而出現(xiàn)頻率與齒間距和分齒角度相關(guān)的振動，而帶鋸條的振幅與其所受工件的約束狀態(tài)有關(guān)，隨著鋸切深度的增加，帶鋸條鋸齒側(cè)和背帶側(cè)受工件的約束狀態(tài)逐漸發(fā)生變化，如圖3所示。圖3（a）為帶鋸條剛與工件相接觸時的狀態(tài)，由圖2可知，此時參與鋸切的齒數(shù)極少，同時鋸齒側(cè)被工件約束的深度也極淺，而背帶側(cè)幾乎全部處于自由狀態(tài)，不受約束。圖3（b）為切入深度為27 mm時的狀態(tài)，根據(jù)式（2），此時參與鋸切的齒數(shù)是14個，鋸齒側(cè)全部進入工件且受約束的長度增加，背帶側(cè)部分進入工件并受切縫壁的約束，使得背帶頂部的振幅與圖3（a）相比變小。圖3（c）為切入深度為34 mm時的狀態(tài)，帶鋸條完全進入工件，根據(jù)式（2），此時參與鋸切的齒數(shù)是17個，鋸齒側(cè)受工件約束的長度進一步增加，同時，其背帶側(cè)完全進入工件，受切縫壁的完全約束，使背帶頂部的振幅進一步減小。圖3（d）為切入深度為110 mm時的狀態(tài)，根據(jù)式（2），此時參與鋸切的齒數(shù)是22個，鋸齒側(cè)受到工件約束的長度達到最大值，背帶側(cè)同樣受到切縫壁的完全約束，背帶頂部的振幅與圖3（c）相同。圖3（e）是切入深度為220 mm，為即將切斷工件的狀態(tài)，由圖2可知，此時參與鋸切的齒數(shù)極少，鋸齒側(cè)受到工件約束的長度減小，同時背帶側(cè)受到切縫壁的完全約束，其頂部的振幅與圖3（c）、3（d）相同。

圖3 鋸切截面和側(cè)面示意圖Fig.3 Sawing section and side view

2 鋸切加工實驗平臺及其聲發(fā)射信號來源

2.1 鋸切加工實驗平臺

為探究鋸切過程中鋸齒磨損、鋸切表面質(zhì)量與聲發(fā)射信號之間的關(guān)系，設(shè)計了鋸切加工試驗，實驗采用某帶鋸條生產(chǎn)企業(yè)試制的FTCUT 雙金屬帶鋸條，其齒部和背部材料分別為M42 高速鋼和D6A 彈簧鋼。M42 高速鋼硬度、熱硬性高（常溫硬度為69～70 HRC，600 ℃時的高溫硬度為54～55 HRC），耐磨性良好。而D6A 彈簧鋼高韌性耐磨，耐蝕性優(yōu)良，延展性極強，淬透性良好。在圓柱臥式帶鋸床A-33 上進行帶鋸條全生命周期的鋸切實驗，直至失效。依據(jù)鋸切加工系統(tǒng)的特性，搭建了鋸切過程的聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)，如圖4 所示，包括G150-2 聲發(fā)射傳感器、PAS 聲發(fā)射前置放大器、NI 公司的USB6351 數(shù)據(jù)采集卡以及基于LabVIEW 編寫的聲發(fā)射采集軟件系統(tǒng)，信號的傳播路徑為：吸附在工件上的聲發(fā)射傳感器采集鋸切聲發(fā)射源通過材料傳遞過來的應(yīng)力波信號，并轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，經(jīng)前置放大器放大后傳輸至采集卡，最后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號顯示和存儲在計算機中。鋸切材料為42CrMoA，直徑為220 mm 的圓柱形工件，此材料強度、淬透性高，韌性好，抗拉強度1 080 MPa，屈服強度大于930 MPa，退火或高溫回火供應(yīng)狀態(tài)布氏硬度HBW≤217。鋸切加工參數(shù)為：鋸切線速度8.4 m/min、進給速度20.3～23.5 mm/min，設(shè)置采樣頻率為200 kHz，采集并存儲聲發(fā)射信號。在試制的FTCUT 帶鋸條鋸切至第15 刀時，工件鋸切表面質(zhì)量嚴重下降，且單刀鋸切時間為第一刀的2倍以上，業(yè)內(nèi)判定失效。

圖4 鋸切聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)Fig.4 Sawing acoustic emission signal acquisition system

2.2 鋸切聲發(fā)射信號的來源

聲發(fā)射是固體材料或構(gòu)件在變形時以應(yīng)力波形式快速釋放能量的一種常見物理現(xiàn)象。帶鋸條鋸切加工是一種每齒進給量少且材料去除不連續(xù)的金屬切割工藝。金屬在鋸切過程中會發(fā)生剪切和滑移，圖5表示了金屬滑移過程，其中滑移線和流動軌跡線基本相互正交，橫向線是金屬流動軌跡線，縱向線是金屬剪切滑移曲線［16］。切削加工金屬材料過程中AE 信號源主要來自以下幾個方面：刀具與工件的摩擦碰撞、材料去除的彈塑性變形、鋸切過程中切屑的形成、鋸齒的磨損及切屑的斷裂等［17］。因此，鋸切中聲發(fā)射信號源主要來自于：（1）材料在第一變形區(qū)的剪切變形；（2）切屑在第二變形區(qū)的二次變形和與前刀面的摩擦碰撞；（3）材料在第三變形區(qū)與后刀面的擠壓和摩擦；（4）鋸齒的崩刃和磨損。圖5 中的淺色箭頭顯示了鋸切過程中聲發(fā)射信號的來源，圖5 中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別為第一、二、三變形區(qū)。

圖5 鋸切聲發(fā)射的來源Fig.5 Source of sawing acoustic emission

3 聲發(fā)射信號分析

3.1 原始聲發(fā)射信號分析

圖6 為試制的FTCUT 帶鋸條鋸切第3、4、10、11、14 和15 刀的原始聲發(fā)射信號。由圖6 可知，每刀的鋸切原始聲發(fā)射信號基本均主要包括5個階段：①鋸切前空程階段；②鋸切加工第1 階段；③鋸切加工第2 階段；④鋸切加工第3 階段；⑤退出鋸切階段。以第10 刀為例，在鋸切空程階段（約前10 s）信號幅值特別小，小于0.1 V；隨著帶鋸條向下移動，鋸齒與工件接觸進入鋸切加工第1 階段，信號幅值增大到0.6 V，持續(xù)10 s 左右，這是因為鋸齒與工件剛接觸時振動沖擊較大，產(chǎn)生了較大的應(yīng)力波；隨著穩(wěn)定鋸切和振動沖擊的消除信號幅值逐漸減小至最小0.4 V 左右后，再緩慢增大直至第1 階段結(jié)束，這是由于隨著鋸切深入，參與切削齒數(shù)逐漸增加，鋸齒去除材料行為增強，導(dǎo)致信號的幅值增大；然而，從第1階段進入第2 階段時，信號由0.5 V 左右突變增大至3.2 V 左右，推測其原因有兩個：一是由于如圖2 所示參與鋸切齒數(shù)變化率曲線第一個拐點處引起的，此時參與鋸切齒數(shù)變化率由急劇減少突變?yōu)榫徛郎p少；二是由于如圖3 所示的背帶由工件不完全約束突變?yōu)槿考s束，使得帶鋸條的振動行為發(fā)生突變，兩個原因的復(fù)合作用使信號發(fā)生突變。進入第2階段后，信號在長時間內(nèi)保持在3.2 V 左右，這同樣是由兩個原因引起的：一是由于如圖2所示的參與鋸切齒數(shù)變化率在第一個拐點后變?yōu)榫徛郎p少；二是由于如圖3所示的背帶進入工件后被完全約束而未發(fā)生變化，兩個原因的復(fù)合作用使信號幅值在長時間內(nèi)幾乎不變。進入第3 階段時，信號由3.2 V 左右突變減小至0.7 V 左右，推測其原因是如圖2 所示的參與鋸切齒數(shù)變化率第二個拐點引起的，此時參與鋸切齒數(shù)變化率由緩慢減少突變?yōu)榧眲p少，使得信號在此處發(fā)生突變。進入第3 階段后，信號由0.7 V 左右減小至0.1 V 左右，這是由于隨著鋸切進行，參與切削齒數(shù)逐漸減少，鋸齒去除材料行為減弱，導(dǎo)致信號的幅值降低。此外，第3 階段時間小于第1 階段時間，推測這是由于第3 階段背帶被工件完全約束，而第1 階段未被工件完全約束，因而第3階段帶鋸條的振動行為比第1 階段更為穩(wěn)定，去除材料效率更高。此外，縱觀帶鋸條整個生命周期，發(fā)現(xiàn)信號在鋸切時間最長的第2階段的占比隨著鋸切刀數(shù)的增大而減小，單刀鋸切時間隨著鋸切刀數(shù)的增加而增加。同時，信號在第3 和4 刀每個鋸切加工階段的波動均較大，這是由于鋸齒在制造過程中齒高不一致，使得去除材料行為不穩(wěn)定引起的；然而，信號在第10 和第11 刀的每個鋸切加工階段具備一定的規(guī)律性和穩(wěn)定性，這是由于經(jīng)過前幾刀的鋸切加工使得鋸齒高度相對一致，因而去除材料行為逐漸穩(wěn)定；最后，相比第10 和第11 刀，信號在第14 和第15 刀的鋸切加工第2 階段存在一定的波動，這是由于隨著鋸切刀數(shù)的增加，鋸齒逐漸被磨損，因而齒部剪切作用減弱而擠壓與摩擦作用增強，使得去除材料行為不穩(wěn)定。

圖6 第3、4、10、11、14、15刀完整聲發(fā)射原始信號Fig.6 The original signal of complete acoustic emission for the 3rd，4th，10th，11th，14th and 15th sweeps

3.2 聲發(fā)射信號時域分析

由圖6可以看出，聲發(fā)射原始信號中③鋸切加工第2階段占據(jù)了單刀鋸切時間的大部分，決定了最終的工件表面質(zhì)量。因此，為了減少信號處理時間，提高處理效率，先提取每刀中此階段其中1 s 的聲發(fā)射原始信號求得均方根值，并與每刀所用鋸切時間作出隨著加工刀數(shù)變化的折線圖，如圖7 所示。由圖7可知，聲發(fā)射均方根值和單刀鋸切時間均隨加工刀數(shù)的增多逐漸增大，同時單刀加工時間的變化趨勢與聲發(fā)射均方根值變化趨勢大致相同，均表現(xiàn)為第1～4 刀幅值較為平穩(wěn)，在第4～7 刀之間幅值快速增加，第7 刀之后幅值緩慢增加。因此，可以推測鋸齒全生命周期的磨損過程經(jīng)歷了磨合磨損、快速磨損和穩(wěn)定磨損三個過程。

圖7 每刀加工時間、均方根值變化曲線Fig.7 The change curve of processing time per cut and root mean square value

圖8 為提取的第1 刀和第15 刀鋸切后帶鋸條鋸齒在電子顯微鏡下的形貌及其磨損量。由圖8可知，雙金屬帶鋸條左分齒和右分齒上分齒側(cè)的磨損量均大于非分齒側(cè)的磨損量；直齒上兩側(cè)位置的磨損量相近且大于中間位置的磨損量，同時幾乎關(guān)于中心線對稱。此外，左、右分齒的磨損量總體上大于直齒的磨損量，表明左、右分齒參與鋸切材料去除量大于直齒，且切縫壁表面分別由左、右分齒去除材料形成，而直齒主要去除切縫底面的材料。

圖8 帶鋸條鋸齒電子顯微形貌Fig.8 Electron micrograph of saw teeth of bandsaw blade

綜上所述，本次鋸切實驗共15刀，在1～4刀時鋸齒處于磨合磨損階段，其特點是從不一致的鋸齒高度開始磨合，單刀鋸切過程聲發(fā)射信號幅值相對小且不穩(wěn)定，聲發(fā)射信號來源以材料的剪切去除為主，單刀鋸切時間較短；在4～7刀，鋸齒處于快速磨損階段，其特點是從不一致的鋸齒高度快速磨合成相對一致的鋸齒高度，聲發(fā)射信號來源仍以材料的剪切去除為主，單刀鋸切時間快速增加；第10刀鋸齒處于穩(wěn)定磨損階段，其特點是鋸齒高度相對一致，相比磨合磨損和快速磨損階段，聲發(fā)射原始信號幅值再次增大但鋸切過程相對穩(wěn)定，在此階段聲發(fā)射信號來源從材料的剪切去除和鋸齒與工件的摩擦并存逐漸過渡為以鋸齒與工件的摩擦為主。

3.3 聲發(fā)射信號頻域分析

從頻域的角度分析，為了降低計算量，提取第3、4、10、11、14、15刀的聲發(fā)射原始信號中③鋸切加工第2階段的1 s進行快速傅里葉變換得到圖9。由圖9可知，第3、4、10、11、14刀聲發(fā)射信號來源主要集中在80～90 kHz頻段之間，其余頻段的幅值較低。此外，第3、4刀聲發(fā)射信號的第一主頻幅值較?。s為0.3 V左右），第10、11、14刀聲發(fā)射信號的第一主頻幅值較大（約為0.7 V左右）；與其他刀數(shù)相比，第15刀的FFT圖聲發(fā)射信號頻率則更為分散，20～10 kHz之間的頻段有多個聲發(fā)射信號主頻，其中第一主頻也在80～90 kHz之間，但其幅值小于其他刀數(shù)的幅值，表明聲發(fā)射信號來源比較分散，其中來源于材料剪切去除的高頻信號占比降低，而鋸齒與工件的摩擦信號等占比突然增大，預(yù)示著磨損將加劇。因此，基于FFT頻域分析的信號特征可以獲取帶鋸條是否存在劇烈磨損的狀態(tài)，進而認定失效。

圖9 第3、4、10、11、14、15刀1 s的FFT圖Fig.9 1s FFT graph of the 3rd，4th，10th，11th，14th and 15th knife

圖10 所示為第10 刀和第15 刀鋸切后的工件表面形貌。由圖10 可知，工件表面質(zhì)量可分為3 個區(qū)域，分別對應(yīng)鋸切加工第1 階段、鋸切加工第2 階段和鋸切加工第3階段；工件鋸切表面質(zhì)量均呈現(xiàn)鋸切加工第1階段好于第2階段，好于第3階段，即工件鋸切表面質(zhì)量自上而下逐漸變差，由于切縫壁主要由左、右分齒去除材料形成，所以其表面質(zhì)量主要受鋸齒側(cè)運動情況的影響，包括橫向振動和縱向進給運動，橫向振動主要受帶鋸條被約束情況影響，縱向進給速度則隨著工件直徑的增大而減小。鋸切加工第1 階段時帶鋸條未被完全約束且進給速度較快；第2階段時被完全約束且進給速度較慢；第3階段時被完全約束且進給速度較快。因此，可以推測鋸齒側(cè)橫向振動對表面質(zhì)量的影響大于進給速度的影響；當(dāng)帶鋸條被約束在切縫壁后，背帶振動受限導(dǎo)致鋸齒側(cè)承受更多鋸切過程中產(chǎn)生的能量，導(dǎo)致鋸齒側(cè)振動更不穩(wěn)定，降低了表面質(zhì)量。此外，如圖10（a）第10 刀的鋸切加工第2 階段下半部分和第3 階段工件表面上出現(xiàn)了一些較淺的微紋，而如圖10（b）第15刀從進入第2 階段至第3 階段結(jié)束工件表面上均出現(xiàn)了大量的深而寬波紋，表明第15 刀的工件表面質(zhì)量大幅差于第10 刀。因此，工件表面上的波紋是降低表面質(zhì)量的主要因素，若能通過聲發(fā)射信號反映出工件表面的波紋情況，即可判斷鋸切表面質(zhì)量。

圖10 鋸切后工件表面照片F(xiàn)ig.10 The surface photo of the workpiece after sawing

通過對上述鋸切聲發(fā)射的原始信號、均方根值和單刀鋸切時間等時域信息以及FFT 頻域分析均難以與鋸切表面的波紋狀況直接建立聯(lián)系。但是通過FFT頻域分析可以看出，每個頻段的信號峰值隨著帶鋸條的磨損會發(fā)生變化，進而影響鋸切表面質(zhì)量。小波包分解是將信號分解成不同頻段的一種分析方法。為了建立聲發(fā)射信號與鋸切表面波紋狀況之間的聯(lián)系，采用小波包分解對一刀的聲發(fā)射原始信號逐秒分解成各頻段，再將各對應(yīng)頻段的能量譜百分占比繪制成曲線觀察變化趨勢。小波包分解時一般根據(jù)信號具體特點選擇小波基，本文選擇不同的小波基函數(shù)對圖9所示信號使用小波包分解，發(fā)現(xiàn)使用db2小波基分解后的信號更加貼近原始信號，分解效果最佳且其各頻段能量百分比大小和FFT 頻譜上各主頻峰值大小最為接近，因此選擇db2小波基。同時小波包分解層數(shù)的選擇也十分重要，分解層數(shù)過多需要耗費更多的時間計算，影響計算和判別速度；分解層數(shù)過少則不能獲取與表面質(zhì)量有對應(yīng)關(guān)系的聲發(fā)射信號特征，因此，選擇的原則是在保證具有信號特征的前提下，盡量選擇少的分解層數(shù)。嘗試了小波包分解2-4 層，發(fā)現(xiàn)進行兩層小波包分解時，各頻段能量百分比曲線與表面波紋狀況之間尚不能建立聯(lián)系，但在三層分解時發(fā)現(xiàn)某一頻段可滿足能量百分比曲線與表面波紋狀況建立聯(lián)系的要求。如圖11所示為對一個信號進行3層小波包分解的原理圖，第1 層是將原始信號分解成高頻部分和低頻部分兩個子信號，依次往下，第2 層可以得到四個不同頻段的子信號，第3 層可以得到八個不同頻段的子信號［18］。首先基于db2小波基函數(shù)對第10和15刀聲發(fā)射信號進 行3 層小波包分解，分為0～12.5 kHz、12.5～25 kHz、25～37.5 kHz、37.5～50 kHz、50～62.5 kHz、62.5～75 kHz、75～87.5 kHz 和87.5～100 kHz 的8 個頻段，再提取各頻段的能量譜百分比作為特征值。

圖11 小波包分解原理圖Fig.11 Schematic diagram of wavelet packet decomposition

圖12為將上述特征值按時間序列繪制的曲線圖。由圖12可知，各頻段能量變化趨勢仍表現(xiàn)為3個階段，與圖6所示的鋸切加工三個階段分別對應(yīng)，其中均為第7頻段75～87.5 kHz的聲發(fā)射信號占比最高。對比第10和15刀，發(fā)現(xiàn)每個頻段都發(fā)生了一定變化，但第7頻段變化最大，尤其是鋸切加工第2階段的對比更為明顯。如圖12（a）所示，第10刀時，第7頻段鋸切加工第2階段的信號特征為幅度較小、周期較短、不規(guī)律性的小幅波動，對應(yīng)的工件表面是深度較淺的微紋，此外，表面上兩個略深的微紋仍能基于第7頻段信號的變化對應(yīng)上。然而，如圖12（b）所示，第15刀時，第7頻段鋸切加工第2階段的信號特征為出現(xiàn)周期較大、幅度變化較大、不規(guī)律性的大幅波動，且大幅波動內(nèi)還含有與圖12（a）中相似的小幅波動，其中信號的大幅波動對應(yīng)的是工件表面比較明顯的波紋，且與信號變化特征有一一對應(yīng)的關(guān)系，此外，在波紋內(nèi)和波紋間仍存在如圖12（a）中的微紋，與信號的小幅波動存在對應(yīng)關(guān)系。綜上所述，第7頻段鋸切加工第2階段的聲發(fā)射信號特征與鋸切工件表面的波紋狀況建立了一定的聯(lián)系，可用來監(jiān)測工件表面波紋狀況。

圖12 第10、15刀信號各頻段能量變化趨勢與表面波紋的聯(lián)系Fig.12 The relationship between the energy change trend of the 10th and 15th knife signals in each frequency band and the surface ripples

4 結(jié)論

（1）分析了帶鋸條鋸切圓柱體材料時，帶鋸條參與切削齒數(shù)的變化及振動約束變化情況。參與鋸切齒數(shù)隨鋸切加工深度的增加由急劇增加變?yōu)榫徛黾?，切至圓柱工件下半段后由緩慢減小變?yōu)榧眲p少，且原始聲發(fā)射信號的幅值隨著參與齒數(shù)的增加而增加，且在參與齒數(shù)變化率拐點位置處發(fā)生突變；隨著鋸切深度的增加，帶鋸條背帶由側(cè)面無約束逐漸變化至完全被約束直至鋸切結(jié)束，當(dāng)被完全約束后原始聲發(fā)射信號幅值發(fā)生突變。因此，鋸切過程中參與鋸切齒數(shù)的變化狀況和帶鋸條的約束狀態(tài)是影響鋸切聲發(fā)射信號和工件表面質(zhì)量的兩個主要因素，下一步的主要研究工作是通過有限元仿真分析和實驗，定量揭示這兩個因素對聲發(fā)射信號的影響規(guī)律。

（2）雙金屬帶鋸條鋸切加工全生命周期中，根據(jù)聲發(fā)射信號的均方根值和單刀鋸切加工時間可以得到其磨損過程為磨合磨損、快速磨損、穩(wěn)定磨損三個階段。

（3）基于聲發(fā)射信號時域分析，發(fā)現(xiàn)單刀鋸切加工過程聲發(fā)射原始信號幅值隨加工刀數(shù)逐漸增大，且單刀鋸切時間隨加工刀數(shù)增加至磨合磨損階段單刀鋸切時間的2倍左右。而基于FFT頻域分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)聲發(fā)射頻域信號出現(xiàn)多個峰值，且第一峰值的幅值下降時，表明聲發(fā)射信號來源比較分散，預(yù)示著帶鋸條磨損將加劇，即可認定帶鋸條失效。

（4）基于小波包分解的聲發(fā)射信號頻域分析，發(fā)現(xiàn)分解后的第7 頻段75～87.5 kHz 聲發(fā)射信號能量占比最高，最能反映工件表面質(zhì)量變化。第7頻段鋸切加工第2 階段的聲發(fā)射信號波動情況與鋸切后工件表面的微紋和波紋情況可建立一定的聯(lián)系，并用于判斷鋸切加工表面波紋情況和質(zhì)量。

（5）通過本文研究發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射信號某一頻段的波動情況與鋸切表面質(zhì)量有一定的聯(lián)系，因此下一步的研究工作將建立聲發(fā)射信號特征與鋸切表面質(zhì)量的定量映射模型，并開發(fā)一套基于聲發(fā)射信號的帶鋸條磨損和鋸切表面形貌的在線監(jiān)測系統(tǒng)。