CN110405627A - 一种基于声发射监测的金刚石刀具圆弧波纹度控制方法 - Google Patents

一种基于声发射监测的金刚石刀具圆弧波纹度控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于声发射监测的金刚石刀具圆弧波纹度控制方法，属于高精度金刚石刀具制造技术领域。将金刚石刀具和声发射传感器安装在刃磨机床的刀具夹具上；开启声发射采集设备进行断铅实验；控制刃磨机床的环境温度在20±0.5℃，在性能保持稳定后进行金刚石刀具的精磨加工；利用声发射采集设备辅助金刚石刀具的对刀过程，严格控制精磨加工的进给量大小；主轴转速4000～4500r/min，摆轴摆速3.0～8.0°/s，研磨压力10～15N，单次进给量0.1～0.5μm；通过声发射信号阈值法判断金刚石刀具精磨加工是否完成；对金刚石刀具进行定区域修磨；清洁金刚石刀具测量圆弧波纹度。通过声发射采集设备进行监测，实现定区域修磨，进一步降低金刚石刀具的圆弧波纹度。

Description

一种基于声发射监测的金刚石刀具圆弧波纹度控制方法
技术领域
本发明属于高精度金刚石刀具制造技术领域，尤其是一种基于声发射监测的金刚石刀具圆弧波纹度控制方法。
背景技术
金刚石刀具一直被广泛地应用在超精密切削加工中，其加工出的零件表面质量好，加工精度高，并且金刚石刀具硬度高、耐磨性好，高精度的金刚石刀具是实现超精密切削加工的必要条件之一。超精密切削加工用的金刚石刀具刀刃形状主要分为三种：直线修光刃、尖刃(含微圆弧刃)和圆弧修光刃。微圆弧刃刀具加工难度高，直线修光刃刀具加工时要求极高的对刀精度，相比之下，圆弧修光刃刀具由于其在实际加工过程中对刀容易，使用方便，并且只要刀具进给量控制得当，加工留下的残留面积很小，所以目前超精密切削加工大多数采用的金刚石刀具都是圆弧修光刃刀具。
圆弧刃金刚石刀具在超精密切削加工中影响加工质量的因素主要是刀具刃口钝圆半径，刀具刃口圆弧轮廓精度以及刀具前后刀面表面粗糙度，所以对于圆弧刃金刚石刀具的刃磨质量来说，其评价指标主要包括刃口钝圆半径、圆弧波纹度和前后刀面表面粗糙度。在实际加工中，刃口钝圆半径影响最小切削厚度和加工表面的残余应力，前刀面表面粗糙度在加工时影响切屑的流动，而圆弧波纹度和后刀面表面粗糙度随着切削加工会复印到加工表面，是影响加工表面质量的关键因素。因此，想要研制高精度的圆弧刃金刚石刀具，必须控制刀具的圆弧波纹度。
传统人耳监听的方式加工出的金刚石刀具精度已经难以满足日益发展的超精密加工需求，因此需要利用高精度的监测方式以提高金刚石刀具刃磨监测精度。在力、振动、电流和声发射等监测信号中，声发射信号对材料的破碎十分敏感，监测各向异性的金刚石刀具刃磨过程有着独特的优势，其监测精度高于力、振动等信号。因此，通过声发射监测金刚石刀具刃磨加工，实现金刚石刀具圆弧波纹度的有效控制，对提高超精密切削加工的加工质量具有显著意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于声发射监测的金刚石刀具圆弧波纹度控制方法，通过声发射采集设备对金刚石刀具的精磨加工过程进行监测，分析声发射信号特征参数，判断金刚石刀具圆弧轮廓误差分布情况，实现定区域修磨，进一步降低金刚石刀具的圆弧波纹度。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种基于声发射监测的金刚石刀具圆弧波纹度控制方法，包括如下步骤：
步骤一：金刚石刀具完成粗磨和半精磨之后，将金刚石刀具和声发射采集设备的声发射传感器安装在金刚石刀具刃磨机床的刀具夹具上，声发射传感器尽可能接近声源；
步骤二：开启声发射采集设备进行断铅实验，设置声发射采集设备的采样频率为2MHz，利用铅笔在刀具夹具上进行刻划，检测声发射传感器采集的信号，判断声发射传感器的耦合程度以及信号采集通道是否顺畅，以便及时进行调整；
步骤三：控制金刚石刀具刃磨机床的环境温度在20±0.5℃，启动后静置一段时间，在性能保持稳定后进行金刚石刀具的精磨加工；
步骤四：利用声发射采集设备辅助金刚石刀具的对刀过程，通过声发射信号特征参数的变化判断金刚石刀具与砂轮的接触状态，严格控制精磨加工的进给量大小；
步骤五：选择青铜基金刚石砂轮，砂轮粒度3000#，即金刚石磨粒大小为5μm，设置金刚石刀具精磨加工的工艺参数为：主轴转速4000～4500r/min，摆轴摆速3.0～8.0°/s，研磨压力为10～15N，单次进给量为0.1～0.5μm；
步骤六：通过声发射采集设备监测金刚石刀具的精磨加工过程，金刚石刀具圆弧刃的全包角刃口参与精磨加工，对采集的声发射信号进行分析，通过声发射信号阈值法判断金刚石刀具精磨加工是否完成，如未完成重复步骤五继续进行精磨加工；
步骤七：对金刚石刀具进行定区域修磨，利用声发射信号特征参数的时域信息，对应金刚石刀具圆弧轮廓的角度信息，确定需要修磨的角度范围后，设置摆轴的摆动角度范围，对该角度区域内的金刚石刀具圆弧轮廓进行定区域修磨，定区域修磨时间通过声发射信号特征参数判断，该区域内声发射信号能量均值下降到金刚石刀具圆弧刃上其它角度区域的信号能量均值同一数量级时，即可认为完成定区域修磨，否则重复进行定区域修磨；
步骤八：在完成定区域修磨后，将金刚石刀具从刀具夹具上拆下，清洁金刚石刀具的前后刀面，使用DTRC半径波幅测量仪测量金刚石刀具圆弧波纹度大小并保存测量结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在金刚石刀具刃磨机床上搭载声发射采集设备对金刚石刀具的精磨加工过程进行监测，开展实验详细分析金刚石刀具刃磨机床工艺参数对金刚石刀具圆弧波纹度的影响规律并进行优选，通过分析金刚石刀具精磨过程中声发射信号特征参数，判断金刚石刀具圆弧轮廓误差分布情况，实现定区域修磨，进一步降低金刚石刀具的圆弧波纹度，为高精度金刚石刀具的圆弧波纹度控制提供了一种可行性方法，而且在位修正金刚石刀具的圆弧轮廓，无需重复装卸，避免了装卸过程中引起的金刚石刀具定位误差。
附图说明
图1是金刚石刀具刃磨机床搭载声发射采集设备的图片；
图2是声发射采集设备辅助金刚石刀具对刀过程的信号变化图；
图3是DTRC半径波幅测量仪的图片；
图4是金刚石刀具圆弧轮廓的二维和极图显示图；
图5是本发明的基于声发射监测的金刚石刀具圆弧波纹度控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施方式一：如图1～图5所示，本发明公开了一种基于声发射监测的金刚石刀具圆弧波纹度控制方法，包括如下步骤：
步骤一：金刚石刀具完成粗磨和半精磨之后，如图1所示，将金刚石刀具和声发射采集设备的声发射传感器安装在金刚石刀具刃磨机床的刀具夹具上，确保声发射传感器尽可能接近声源，即金刚石刀具与金刚石刀具刃磨机床的砂轮的刃磨位置；
步骤二：开启声发射采集设备进行断铅实验，设置声发射采集设备的采样频率为2MHz，利用铅笔在刀具夹具上进行刻划，检测声发射传感器采集的信号，判断声发射传感器的耦合程度以及信号采集通道是否顺畅，以便及时进行调整；
步骤三：控制金刚石刀具刃磨机床的环境温度在20±0.5℃，启动后静置一段时间，在性能保持稳定后进行金刚石刀具的精磨加工；
步骤四：利用声发射采集设备辅助金刚石刀具的对刀过程，如图2所示，通过声发射信号特征参数的变化判断金刚石刀具与砂轮的接触状态，严格控制精磨加工的进给量大小；
步骤五：选择青铜基金刚石砂轮，砂轮粒度3000#，即金刚石磨粒大小为5μm，设置金刚石刀具精磨加工的工艺参数为：主轴转速4000～4500r/min，摆轴摆速3.0～8.0°/s，研磨压力为10～15N，单次进给量为0.1～0.5μm；
步骤六：通过声发射采集设备监测金刚石刀具的精磨加工过程，金刚石刀具圆弧刃的全包角刃口参与精磨加工，对采集的声发射信号进行分析，通过声发射信号阈值法判断金刚石刀具精磨加工是否完成，如未完成重复步骤五继续进行精磨加工；
步骤七：对金刚石刀具进行定区域修磨，利用声发射信号特征参数的时域信息，对应金刚石刀具圆弧轮廓的角度信息，确定需要修磨的角度范围后，设置摆轴的摆动角度范围，对该角度区域内的金刚石刀具圆弧轮廓进行定区域修磨，定区域修磨时间通过声发射信号特征参数判断，该区域内声发射信号能量均值下降到金刚石刀具圆弧刃上其它角度区域的信号能量均值同一数量级时，即可认为完成定区域修磨，否则重复进行定区域修磨；
步骤八：在完成定区域修磨后，将金刚石刀具从刀具夹具上拆下，清洁金刚石刀具的前后刀面，使用DTRC半径波幅测量仪，如图3所示，测量金刚石刀具圆弧波纹度大小并保存测量结果，如图4所示。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤一中为了更好的确定声发射传感器的安装位置，可以先在刀具夹具上安装多个声发射传感器，声发射采集设备选用多通道采集信号，通过实际测量结果进行对比以选择声发射传感器的安装位置。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤四中利用声发射采集设备辅助金刚石刀具的对刀过程是利用声发射传感器对材料破碎敏感的特性，安装完金刚石刀具后，随着金刚石刀具不断进给，金刚石刀具与砂轮之间的距离不断减小，在金刚石刀具与砂轮表面的凸出磨粒开始接触时，声发射信号的幅值和频率迅速发生变化，此处视为精磨加工进给量为0的位置，直至金刚石刀具与砂轮完全接触。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤六中的声发射信号阈值法是指设定声发射信号幅值均值的标准差阈值，若测得声发射信号幅值均值的标准差小于设定的阈值，即可认为金刚石刀具后刀面与砂轮的接触状态均匀一致，即完成精磨加工过程。
本发明通过在金刚石刀具刃磨机床上搭载声发射采集设备对金刚石刀具的精磨加工过程进行监测，替代传统的人耳监听方式，极大地提高了金刚石刀具精磨加工的监测精度，开展金刚石刀具精磨工艺参数实验，详细分析金刚石刀具刃磨机床主轴转速、摆轴摆速、砂轮往复运动和研磨压力对金刚石刀具圆弧波纹度的影响规律，优选出最佳的精磨工艺参数，通过分析金刚石刀具精磨过程中声发射信号特征参数，判断金刚石刀具圆弧轮廓误差分布情况，实现定区域修磨，进一步降低金刚石刀具的圆弧波纹度，加工流程如图5所示，为高精度金刚石刀具的圆弧波纹度控制提供了一种可行性方法，能够达到80°圆弧包角的金刚石刀具圆弧波纹度60nm的精度，满足超精密加工对金刚石刀具圆弧波纹度的严格要求。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种基于声发射监测的金刚石刀具圆弧波纹度控制方法，其特征在于：所述控制方法包括如下步骤：
步骤一：金刚石刀具完成粗磨和半精磨之后，将金刚石刀具和声发射采集设备的声发射传感器安装在金刚石刀具刃磨机床的刀具夹具上，声发射传感器尽可能接近声源；
步骤二：开启声发射采集设备进行断铅实验，设置声发射采集设备的采样频率为2MHz，利用铅笔在刀具夹具上进行刻划，检测声发射传感器采集的信号，判断声发射传感器的耦合程度以及信号采集通道是否顺畅，以便及时进行调整；
步骤三：控制金刚石刀具刃磨机床的环境温度在20±0.5℃，启动后静置一段时间，在性能保持稳定后进行金刚石刀具的精磨加工；
步骤四：利用声发射采集设备辅助金刚石刀具的对刀过程，通过声发射信号特征参数的变化判断金刚石刀具与砂轮的接触状态，严格控制精磨加工的进给量大小；
步骤五：选择青铜基金刚石砂轮，砂轮粒度3000#，即金刚石磨粒大小为5μm，设置金刚石刀具精磨加工的工艺参数为：主轴转速4000～4500r/min，摆轴摆速3.0～8.0°/s，研磨压力为10～15 N，单次进给量为0.1～0.5μm；
步骤六：通过声发射采集设备监测金刚石刀具的精磨加工过程，金刚石刀具圆弧刃的全包角刃口参与精磨加工，对采集的声发射信号进行分析，通过声发射信号阈值法判断金刚石刀具精磨加工是否完成，如未完成重复步骤五继续进行精磨加工；
步骤七：对金刚石刀具进行定区域修磨，利用声发射信号特征参数的时域信息，对应金刚石刀具圆弧轮廓的角度信息，确定需要修磨的角度范围后，设置摆轴的摆动角度范围，对该角度区域内的金刚石刀具圆弧轮廓进行定区域修磨，定区域修磨时间通过声发射信号特征参数判断，该区域内声发射信号能量均值下降到金刚石刀具圆弧刃上其它角度区域的信号能量均值同一数量级时，即可认为完成定区域修磨，否则重复进行定区域修磨；
步骤八：在完成定区域修磨后，将金刚石刀具从刀具夹具上拆下，清洁金刚石刀具的前后刀面，使用DTRC半径波幅测量仪测量金刚石刀具圆弧波纹度大小并保存测量结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于声发射监测的金刚石刀具圆弧波纹度控制方法，其特征在于：所述步骤一中先在刀具夹具上安装多个声发射传感器，声发射采集设备选用多通道采集信号，通过实际测量结果进行对比以选择声发射传感器的安装位置。
3.根据权利要求1所述的一种基于声发射监测的金刚石刀具圆弧波纹度控制方法，其特征在于：所述步骤四中利用声发射采集设备辅助金刚石刀具的对刀过程，在金刚石刀具与砂轮表面的凸出磨粒开始接触时，声发射信号的幅值和频率迅速发生变化，此处视为精磨加工进给量为0的位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于声发射监测的金刚石刀具圆弧波纹度控制方法，其特征在于：所述步骤六中的声发射信号阈值法是指设定声发射信号幅值均值的标准差阈值，若测得声发射信号幅值均值的标准差小于设定的阈值，即可认为金刚石刀具后刀面与砂轮的接触状态均匀一致，即完成精磨加工过程。
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