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      平面磨床砂輪磨損的檢測

      發布時間:2020/9/20
        平面磨床砂輪形貌的檢測方法很多,按檢測狀態的不同,可分為平面磨床砂輪磨損的靜態檢測與動態檢測。按檢測時的接觸狀態不同,可分為接觸式檢測和非接觸式檢測;按檢測的參數不同,可分為直接檢測和間接檢測;按機床的狀態不同,可分為在線檢測(工作狀態)及停機檢測(非工作狀態)等。下面介紹幾種主要的檢測方法。
        1、滾動復印法
        普通滾印法(圖15)是在彈性支承輥與平面磨床砂輪之間放入復印紙與玻璃板,一面緩慢轉動平面磨床砂輪,一面移動復印紙與玻璃板,則玻璃板上將復印出磨粒的平面分布圖。通過采用點算法(PCM)可以求得磨料分布密度M。及磨損棱面的百分比GA。如果采用錐形滾印法,就可獲得三維空間的磨粒分布狀態,如圖16所示。鋼環套在滾動軸承的外圈上,在鋼環之外,又緊套了一個塑料環,塑料環兩端帶有±0的錐度。在平面磨床砂輪與塑料環之間插入復印紙與白紙,調好兩者壓力后,用手緩慢轉動平面磨床砂輪經滾印后的白紙上,即可復印出平面磨床砂輪錐形截面的磨粒分布圖。圖16顯示不同高度磨粒的分布狀況,可用顯微鏡觀察或測出磨粒尖端磨鈍(形成小平面)的情況。該測量方法簡單方便,但僅能粗略了解磨粒切刃的形狀分布和密度。
        
        圖15普通滾印法
        1-平面磨床砂輪;2-復印紙;3-玻璃援;4-支承輥
        2、觸針法
        觸針法測量平面磨床砂輪的磨損類似于表面粗糙度的測量方法。由測頭直接測出平面磨床砂輪表面形狀變化,測量部分的結構也多種多樣。圖17所示是其中的一種類型,測量原理如下:在差動式電感傳感器的前端安裝好金剛石觸針,測量中觸針上下移動,使傳感器中的電感產生相應變化,該變化量通過測微電路被轉變為電壓變化信號并進行放大與相敏整流,最后輸入記錄儀記錄,即得到平面磨床砂輪磨損后的形貌廓形。
        電感傳感器以緊固螺釘固定于基準套之中,而基準套又通過板簧與固定桿相連。因此,固定傳感器殼體的基準套是浮動的。以浮動的基準套作為觸針計量的零點,可以排除平面磨床砂輪偏心及表面波度對觸針讀數的影響。平面磨床砂輪由微型電機或步進電機經減速器減速,最后經橡膠輪通過摩擦帶動,緩慢旋轉。橡膠輪與平面磨床砂輪間的接觸壓力為0.15N,平面磨床砂輪速度為0.5m/s。
        
        圖17觸針描跡法
        1-減速器;2-橡膠輪;3-傲受電機;4-差動式電壓傳感器;5-基準套;6-金剛石觸針;7-平面磨床砂輪;8-固定桿;9-測徽斗;10-記錄儀
        (a)圓錐形觸針 (b)刀口彤觸針
        圖18金剛石觸針形式
        金剛石觸針一般有兩種形式:一種為圓錐形;另一種為刀口形,如圖18所示。圓錐形觸針可獲得平面磨床砂輪某一剖面內磨削前后的實際廓形,如圖19所示的AB廓形。其中所記錄的部分廓形可能是由磨粒側面描劃出來的,雖有凸峰的形貌,并非真實磨粒切刃,成為虛假信息,由此獲得的單位長度上切刃數將大予實際切刃數。
        刀口形觸針可獲得刀口寬度范圍內的綜合廓形,如圖19所示的CD廓形,能檢測出刀口寬度范圍內的磨粒切刃數。但由于在寬度范圍內的磨粒切刃有高有低,用刀口形觸針描劃時,將與用刀口高刃接觸,使一些低刃信息從中丟失,所以檢測的磨粒切刃密度將小于實際密度,考慮到在平面磨床砂輪磨削過程中,表層深度超過20扯m的磨粒切刃很少與工件接觸,不產生磨損,因此在檢測平面磨床砂輪切刃數和磨損狀態時,采用刀口形觸針比較合理。
        在采用觸針法檢測時,觸針頂角、觸針圓角半徑、觸針與平面磨床砂輪的接觸壓力、儀表動態特性、觸針導向部分剛度等均影響到檢測結果的可靠性。一般觸針圓角半徑:圓錐形取10~20um;刃口形取0.4um。圓角半徑產生的檢測誤差可通過數據處理予以修正。圓錐形觸針頂角對廓形的檢測影響較大,一般取50度~90度頂角大,觸針強度高,但掃描廓形將產生較大畸變;反之,頂角小,觸針易憋死于溝槽之中。觸針描跡法可獲得平面磨床砂輪工作面磨削前后形貌的廓形,可檢測出磨粒切刃的磨損形狀以及磨刃分布及容屑空間等,但不能識別磨粒、結合劑及堵塞物。
        
        圖19 觸針形式對檢測的影響
        3、光截法
        圖20所示為應用光截法測量平面磨床砂輪磨損的裝置,而且利用該裝置還可以測出磨削前后磨粒的形狀、切刃分布和切刃密度等多項參數。在圖20(a)中,將平面磨床砂輪3連同法蘭盤絲一起從磨床上取下;重新安裝在與平面磨床砂輪軸有崖相同錐度的心軸4上,支承于兩頂尖之間。
        左端的頂尖與光學分度頭相連,利用其精確分度測出平面磨床砂輪表面各磨粒切刃在圓周上的位置。測量時,光源6中的光線,經過透鏡及光柵,以矩形光束照射于平面磨床砂輪表面,與圓柱平面磨床砂輪相截,形成寬0.02mm、長0.3mm的矩形測定帶,測定帶的長軸與平面磨床砂輪軸線平行[圖20(c)],但觀察用的顯微鏡2與平面磨床砂輪圓周相切[圖20(b)],這樣就能觀察與拍攝磨粒切刃的形態。磨粒切刃的軸向位置及長度尺寸可通過顯微鏡2中的目鏡進行測量。
        
        圖20用光截法測量平面磨床砂輪磨損的裝置
        1-光學分度頭;2-顯徽鏡;3-平面磨床砂輪;4-心軸;5-麾架;6-光源
        連續檢測平面磨床砂輪圓周不同位置的磨粒形狀及數量,可以確定磨粒形狀的種類、組成及分布狀態。在磨削過程中定期地檢測平面磨床砂輪同一位置的磨粒形狀及其變動情況,可以研究磨粒磨耗破碎、脫落及新磨粒的出現等規律。
        4、光電自動測量法
        光電自動測量法屬于一種動態測量平面磨床砂輪磨損的方法。該方法能隨時觀測平面磨床砂輪工作面的變化規律,并能將所得數據通過記錄儀記錄后送計算機進行處理。這樣就可以得到平面磨床砂輪磨損的全過程,對于全面研究平面磨床砂輪的磨損機理十分有益,該測量方法的工作原理如圖2l所示。
        從顯微鏡光源射出的光照射到具有一定轉速的平面磨床砂輪工作面上,只有被磨損的磨粒表面才產生強的反射光,該反射光通過窄縫傳到光電倍增管上,于是,磨粒上被磨平部分的擴大像 Ci,當其穿過窄縫的窗口(以×艿)后,便通過光電倍增管得到對應的光電輸出波形。該波形經過放大和濾波,將一定電壓(z—Y)以上的振幅波形由限幅器限幅后變成待檢測的矩形波信號,矩形波的間隔Sj與平面磨床砂輪的連續磨粒切刃磨損面的長度bj相對應。該值可分別由間隔測量器及寬度測量器進行連續測量,并用數字表示輸入到數據采集裝置進行存儲,最后將存儲器記錄的數據輸入計算機進行處理。
        
        1一信號傳感器;2-平面磨床砂輪;3-光源;4-顯徽鏡;5-窄縫;6-光電倍增管
        圖21光電自動測量法
        
        圖22對磨粒切刃進行跟蹤演算的流程框圖
        為了確定平面磨床砂輪圓周側面的測量基點,在平面磨床砂輪的端點安裝了一個信號傳感器,當平面磨床砂輪端面上的基點信號旋轉到基點傳感器時,信號經傳感器引起微處理機中觸發器動作,能使上述檢測過程自動開始或停止。如果將磨削過程中不同階段獲得的檢測數據一一送人存儲器存儲起來或通過打印機打印出來,然后將各次檢測的矩形波加以比較,就可以掌握磨粒磨損、鈍化、破碎、脫落以及新磨粒出現等變動情況,從而實現對平面磨床砂輪工作面或磨粒的跟蹤檢測。
        圖22所示為應用計算機對磨粒切刃進行跟蹤演算的流程框圖。輸入不同時刻的數據,磨粒切刃的位置則被確定,這時可對前一時刻的檢測位置進行比較,將磨粒切刃的殘存、消失或重新出現的情況加以判斷。若為新出現的磨粒則將其位置記錄下來,如為脫落磨粒,則跟蹤研究該磨粒的磨削經歷,即對剛出現的點位、壽命長度、磨損區長度及變化等情況加以分析和判斷。在對平面磨床砂輪一周的磨粒進行判斷以后,將結果送給下一個檢測時間的所得數據上,對各檢測時間上分類的磨粒切刃數目和比例、壽命長度和殘存率、磨損區的長度分布進行綜合,對連續磨粒切刃間隔的分布和平均間距,以及圓周方向切刃分布的不均和周期性等進行必要的計算和記錄。通過光電自動測量,可以觀察到以下結果。
        ①在加工過程中,利用磨損面反射光得到的電脈沖時間去判斷磨損面的長度是可以實現的。
        ②磨削開始后,根據磨粒在圓周方向上依次出現的點位和記錄的實態表現,通過計算機的演算處理,可得到磨粒切刃的變化規律。
        ③參加工作的磨粒數隨平面磨床砂輪的切深增大而增多。
        ④在同一磨削條件下,磨粒脫落或出現缺陷的比例往往是一定的,該值隨平面磨床砂輪磨深和工件圓周速度的減小而減小。
        必須指出的是,磨粒磨損面在磨削中反復增減,其變動頗無規律,因而各切刃磨損面的大小與切刃壽命的關系不夠顯著。此外,與磨削條件差別的關系也不夠顯著。這些也給檢測帶來了一定困難。
        5、激光功率譜法
        激光功率譜法可實現磨削過程中平面磨床砂輪工作表面磨損狀態的在線檢測,檢測結果經過數據處理,可以獲得有關平面磨床砂輪形貌的特征參數。
        圖23所示為激光檢測裝置,該裝置由三部分組成:激光源、光學系統和檢測器。其工作原理是:由He—Ne激光源(25mW)發出的激光經開口1及直角棱鏡2后改變光線方向,再經過半反射鏡3和圓柱棱鏡4投射到平面磨床砂輪工作表面6上,形成直徑為3mm的光點,由平面磨床砂輪工作表面的反射光線再經過圓柱棱鏡及半反射鏡改變方向,然后進一步通過傅里葉變換鏡5,就能在焦點面上形成功率譜模型的圖像,最后用拳lmm的光導纖維7進行掃描,通過光電倍增管8即可獲得反映模型強度分布的功率譜,如圖24所示。
        
        圖23 激光檢測裝置
        1-開口;2-直角棱鏡;3-半反射鏡;4-圓柱梭鏡;5-傅里葉變換鏡,6-平面磨床砂輪工作表面;7-光導纖維;8-光電倍增管
        由于功率譜的中心強度J同磨粒棱面磨耗面積成正比,強度接近零(j一0.04I。)的位置與棱面磨耗寬度盧。相當,故照射面上的磨耗磨粒切刃數同j。伽。2成正比,如圖24所示。這樣,三種磨耗磨損磨粒的分布狀態(1)、(2)、(3)就分別與三種功率譜相對應:當棱面磨耗面積大而切刃數少時[曲線(1)],其功率譜j。大而p。小;棱面磨耗面積小而切刃數多時[曲線(2)],其功率譜j。大而p。也大;棱面磨耗面積小而切刃數又少時[曲線(3)],其功率譜j。小而弘。大。由此可見,通過檢測平面磨床砂輪工作面的功率譜就可確定磨粒切刃數、磨粒棱面磨耗寬、磨耗面積及磨耗磨粒的分布狀態。
        具體檢測方法如圖25所示,將平面磨床砂輪圓周劃分為256等份,再將左右對稱的功率譜,在一側等分為8個點。首先將光導纖維放置于功率譜最大強度的位置(0),檢測平面磨床砂輪一周256點的強度分布。然后依次移動光導纖維,使之處于強度逐漸減弱的位置(1、2、3、…、7),分別檢測獲得8個系列的強度分布。將這些離散的功率譜樣本采用近似的曲線擬合,并應用最小二乘法原理,最后可得一條光滑的功率譜曲線,從而可以推斷出平面磨床砂輪的磨損磨粒分布狀態。整個檢測系統包括數據處理系統在內,可用圖26表示。
        由圖26可見,安裝于磨床電機軸上的回轉編碼器,每當平面磨床砂輪回轉一周,給節距調節裝置發送一次原點脈沖。同時每當平面磨床砂輪回轉1/256圈,給數字存儲器發送一次取樣脈沖。功率譜強度經光導纖維、光電倍增管及直流放大器后,將樣本數據存入數字存儲器。平面磨床砂輪回轉一周后,回轉脈沖再次發生原點脈沖,使節距調節裝置發出驅動脈沖(8個脈沖),光導纖維即移動一規定節距,而達到下一強度裝置,并將觸發脈沖的指令送人數字存儲器。這樣檢測過程又重新開始。由于光導纖維的移動可在平面磨床砂輪一轉內完成,所以光導纖維只要移動7次,平面磨床砂輪回轉15圈,即可完成8×256個離散數據的檢測及存儲工作。數字存儲器通過I/O接口與微型計算機相連接,首先將數字存儲器的檢測數據輸入盒式磁盤,以便進行數據處理,處理結果由電傳打字機(TTY)打字及繪圖。
        激光功率譜法采用上述裝置及數據處理系統,可以在線檢測平面磨床砂輪工作面狀態,包括磨料棱面磨耗磨損寬度、磨耗面積及磨粒切刃數,還可用圖形形式打印出平面磨床砂輪一周磨耗切刃的分布狀態,并由此評定加工線上所用平面磨床砂輪的耐用度及磨削特性。此法所用裝置不太復雜,檢測方便迅速,又可用于在線檢測,是一種較先進的檢測方法,有推廣應用于生產的可能。
        6、電鏡觀察法
        采用普通光學顯微鏡受放大倍數的限制,只能宏觀地觀察磨粒的磨損部位和狀態,而對磨粒的微觀磨損狀態則難以分辨,借助于電子顯微鏡(SEM)可清晰地觀察到磨粒磨損面的微觀形貌。
        在用透射電鏡觀察之前,必須先用光學顯微鏡確定觀測的部位,并拍攝下照片,然后送電鏡下對指定的局部位置進行觀測。圖27所示為日本武野等人用來確定觀測部位的裝置。該裝置是在平面磨床砂輪架上安裝兩個Olympus金屬顯微鏡(MC),其中一個用于觀測密粒表面;另一個則瞄準平面磨床砂輪主軸帶輪外圓周上的刻度,用于確定磨粒的位置。觀察時,測量平面磨床砂輪外圓周上A、B、C三個位置,拍攝下照片并對所測位置制出供透射電鏡觀察的復制樣件。復制樣件采用二次復型技術,制作程序如圖28所示。首先在平面磨床砂輪表面粘上一層醋酸纖維素薄膜[圖28(a)],厚度為0.15~0.375mm,固化后將復印了平面磨床砂輪形貌的薄膜撕下。在實體顯微鏡下將待測部分薄膜切下[圖28(b)],然后用真空蒸鍍法在其中沉積一層碳膜[圖28(c)]9最后將第一次復印的薄膜溶去,留下二次復印的碳膜放于網架之上[圖28(d)],至此即完成制樣。
        將上述制出的樣件放在透射電鏡上觀察攝影,可獲得極為清晰的圖像照片及立體輪廓圖。從這些圖中可分辨出磨粒切刃的修整痕跡、磨損痕跡及加工中產生的小破碎缺陷等情況,圖29所示為通過電鏡得到的磨粒磨損面的變化過程。
        
        圖28 電鏡二次復印制作過程
        圖27確定平面磨床砂輪觀測位的觀測裝置
        1-平面磨床砂輪;2-記錄用照相機;3-觀測用顯微鏡;4-定位用顯微鏡;5-平面磨床砂輪架;6-平面磨床砂輪軸帶輪
        從圖29中可以看出,平面磨床砂輪經修整后,其磨粒表面存在微小的、高低不平的徽刃[圖29(a)],其中高的部分首先與工件接觸并被磨平[圖29(b)],這時往往產生小破碎缺陷,其量與磨損相比是非常大的,故出現缺陷的地方則失掉了切刃,于是造成有切刃的塢方更加速磨損。上述磨損的不斷進行,使整個切刃全部磨損,于是失掉了磨削能力,即達到了壽命的極限[圖29(c)]。為了恢復磨粒切刃的切削能力,則需重新進行修整[圖29(d)]。
        用電鏡觀察的另一種方法是應用組合平面磨床砂輪。將經過磨削、磨損的平面磨床砂輪塊,從可拆卸部分取下,在真空離子蒸鍍機上經純金、純碳鍍膜后,直接將平面磨床砂輪試樣放人掃描電鏡下觀察拍攝,這樣照片較為直觀、清晰、立體感強,便于對磨損部位、形式及其機理進行綜合性微觀研究。
        
        圖30 光反射法測量磨粒磨損裝置
        7、光反射法
        光反射法可以對磨粒后面磨損面積的變化加以測量,其測量裝置如圖30所示。測量時在入射光線的正反射位置上放一架顯微攝影機,直接拍攝磨粒磨損部分的圖像。光亮部分
      就是磨損小平面,可以求出磨損平面的面積率,這樣裝置也可以用來測量切削刃的密度。另外,若將從磨粒表面上反射來的光束投入光電二極管就可直接測出磨損面積率。
        8、聲發射監測法
        利用聲發射監測技術在線測量平面磨床砂輪在磨削過程中的磨損、平面磨床砂輪與工件的接觸及平面磨床砂輪的修整等過程,是近年來磨削研究的一項最新成就。
        聲發射現象是固體材料由于結構變化引起應變能的快速釋放而產生的彈性波,簡稱AE(Acoustic Emission)。目前,聲發射技術已成功地用于無損檢測。由于聲發射不受機床振動影響,并包含直接來自與切削點有關切削現象的豐富信息,因此近年來聲發射作為切削加工中的一個特征受到了人們的重視。起初,用聲發射技術監測刀具的磨損、破損及識別切屑狀態。1984年以來,該項技術被開始引入磨削研究領域,利用它來監測磨削質量(主要包括磨削裂紋和磨削燒傷的監控)、監測磨削過程(包括光磨階段、平面磨床砂輪與工件的接觸、平面磨床砂輪的失效等)及對平面磨床砂輪參數的測定(包括平面磨床砂輪修整質量的參數、平面磨床砂輪的硬度等)。圖31所示為測量平面磨床砂輪磨損的AE監控裝置原理,其測量原理如下。
        將AE傳感器裝在平面磨床的磁力吸盤上,AE傳感器采用壓電陶瓷等材料,從AE傳感器(2MHz)濾波和主放大器放大(20dB)后,送至鑒別器,再經過高速A/D轉換,將AE信號數字化后送入計算機進行波形分析(或將AE信號送入波存器存儲然后輸人計算機分析)。實驗結果由CRT顯示或用打印機打印出來。AE信號的功率譜是通過頻譜儀來測出的。測量中,AE傳感器采用了兩套,其中一套借助夾具安裝在平面磨床砂輪修整器上,另一套安裝在磨床工作臺的磁性吸盤上。在平面磨床砂輪修整器上的傳感器主要用來檢測修整平面磨床砂輪過程中的AE信號,而在磁性吸盤上的傳感器主要是用來檢測平面磨床砂輪與工件的接觸狀態和磨削過程。
        隨著磨削的進行,平面磨床砂輪的堵塞和磨損均會逐漸增加,這樣就減小了磨粒切削加工的有效性,耕犁和滑擦作用增強,磨削力與溫度均升高,從而導致聲發射能量的增加。圖32所示是在平面磨床上磨削45鋼時由AE監測裝置所得到的聲發射信號的平均均方根值RMS。,與磨削時間的關系。
        
        圖31平面磨床砂輪磨損的AE監測裝置原理
        
        圖33隨著磨削時間增加磨削工況的變化
        
        圖32聲發射信號的均方根值與磨削時間的關系
        從圖32中可以看出,聲發射信號的RMSAE值隨磨削時間的增加而增大且增大的趨勢與平面磨床砂輪堵塞和磨損隨時間變化的趨勢相似。因此,可以認為RMSAE實際上是隨平面磨床砂輪堵塞和磨損的增大而增大的。 圖33所示為采用陶瓷結合劑剛玉平面磨床砂輪磨削軸承鋼GCrl5時,利用AE裝置所褥到的AE信號幅值、磨削功率及表面粗糙度隨磨削過程不斷進行的變化情況。
        由圖33可見,隨磨削時問的增加,AE信號幅值、磨削功率P及表面粗糙度R口均增加。對剛修整后的鋒銳平面磨床砂輪和磨鈍了的平面磨床砂輪所進行的磨削,分別對其幅頻特性進行測量,得知磨鈍平面磨床砂輪的幅度要比鋒銳平面磨床砂輪的幅度明顯增大,而且頻率分布也有所展寬。通過測量AE信號幅值與頻率特性即可知道磨削功率及表面粗糙度的變化狀況,也就可以預知所用平面磨床砂輪是否已經嚴重磨鈍,是否需要進行修整。關于平面磨床砂輪磨損的測量方法,以上僅就有代表性的幾種進行了介紹,此外諸如利用磨削力、磨削熱、動態數據測試等方法。
      白马王子