本文針對(duì)合金刀具制造和切削過程中產(chǎn)生表面缺陷的無損檢測(cè)問題，建立激光超聲實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效檢測(cè)刀具表面裂紋，檢測(cè)效率高，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)成本低，且易于實(shí)現(xiàn)完全非接觸式檢測(cè)。
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(dòng)化加工系統(tǒng)的快速發(fā)展，機(jī)械加工的自動(dòng)化程度得到大幅提高。為了保證機(jī)械制造自動(dòng)化和生產(chǎn)的順利進(jìn)行，需要對(duì)加工過程中所出現(xiàn)的故障進(jìn)行有效檢測(cè)。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(huì)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(cè)成為整個(gè)生產(chǎn)過程安全、順利進(jìn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
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(huì)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(duì)其表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。
常用的刀具表面缺陷檢測(cè)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，但是這些方法自動(dòng)化程度低，對(duì)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(hào)，無需耦合劑，超聲信號(hào)又可通過光學(xué)方法檢測(cè)，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(cè)；激光超聲的激發(fā)和檢測(cè)都是在瞬間完成的，能夠?qū)崿F(xiàn)快速實(shí)時(shí)檢測(cè)；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(cè)，因此，廣泛應(yīng)用于無損檢測(cè)領(lǐng)域。
目前，將激光超聲技術(shù)應(yīng)用于刀具表面缺陷檢測(cè)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(cè)技術(shù)應(yīng)用于刀具表面缺陷檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效檢測(cè)刀具表面缺陷，檢測(cè)效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)。
1 激光超聲檢測(cè)原理
超聲波通常是指頻率高于20kHz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(cè)物件的底面等)就會(huì)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。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(huì)產(chǎn)生熱膨脹運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)周圍介質(zhì)一起運(yùn)動(dòng)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(shí)的反射波情況來檢測(cè)介質(zhì)的缺陷。當(dāng)超聲波垂直入射介質(zhì)表面時(shí)，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
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
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(shí)，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(cè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。由Q-Nd：YAG激光器產(chǎn)生的波長為1.06μm，脈沖寬度為15ns的激光脈沖經(jīng)球面鏡聚焦成直徑約為1mm的點(diǎn)源后照射到刀具表面，激發(fā)出超聲波信號(hào)。該系統(tǒng)激光器為華北機(jī)電研究所研制，由振蕩級(jí)和放大級(jí)組成，通過調(diào)節(jié)放大級(jí)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120mJ。超聲信號(hào)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，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(cè)。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(hào)，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(cè)到的超聲信號(hào)，圖4為柄部帶有橫向裂紋刀具中探測(cè)到的超聲信號(hào)。
由圖3可以看出，沒有缺陷的超聲信號(hào)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(hào)有兩處明顯峰峰值，第一處波峰是傳感器探測(cè)到的直達(dá)表面波信號(hào)，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(cè)。
針對(duì)合金刀具制造和切削過程中產(chǎn)生表面缺陷的無損檢測(cè)問題，本文建立激光超聲實(shí)驗(yàn)裝置，將激光超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于刀具表面缺陷檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效檢測(cè)刀具表面缺陷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝、操作容易，體積較小；激光激發(fā)和超聲信號(hào)接收都是在瞬間完成，檢測(cè)效率高，且超聲信號(hào)可以通過光學(xué)方法探測(cè)，易于實(shí)現(xiàn)完全非接觸式檢測(cè)，為機(jī)械制造過程中刀具健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，具有一定實(shí)用價(jià)值。
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