外文翻译--声发射(AE)监测冲压 中文版

1 声发射 (测冲压 第一部分 :信号特征和胚料硬度的影响 前言 随着高速冲压床在工业上的广泛应用 ,由于冲床操作时的安全可靠的实时监测系统变得益重要 ,其重要的理由用是可籍以避免模具和机床的严重损坏 ,并及早发现异常操作条件而减少昂贵的停机时间和模具费用 . 送料错误 ,润滑失效 ,零件松动和废料堵塞等这些冲床的典型损坏形式 ,在未被觉察的情况下 ,产生大量的不良的产品并加速成工具磨损和断裂或使机架过载，这时高速部床来说尤为严重，某些损坏可用光电管，微动开关或由监视仪所控制的应变仪检测，然而这些监视的性能是有有限的，但声信号分析对全过程检测具有更大的潜力。 冲床声信号分析不是一个新概念。 人早已把空气传播的声间分析技术应用于噪声控制和振动分析， 用这种方法监测冲床，这种新概念也应用在 把一个附有加速度计的拾音器装与冲床的和成套模具附近，以探测冲压时经空气传播的冲床信号，测量冲床的每一个完整冲程的信号强度。在政策条件下，人们认为作 为机器特征的声信号是保持相对稳定的，因此，信号强度的任何变化都可以视为异常的运动状态。 虽然在和一系列成功地探测了一些异常的操作情况，但难以提高进一步的诊断信息，该系统的局限性在于以分析发自冲床的复杂信号的原始信号处理方法本身。而且用拾音器探测空气传播的声信号，这一方法受到有限的频率范围，空气中信号的耗散环境噪声干扰的限制。若采用声发射技术则可以克服这些限制。因为声发生技术采用接触式压电晶传感器和更多的信号处理技术各大学工业实验室的科学家和工程师发展了声发生技术，因此本文不再做详细的讨论，文献中集中介绍了声 发射技术在工业上的应用， 近的文章对声发生领域作了全面的回顾。 过去几年中，西部电子公司工厂研究中心的工程师发展了一种微处理机控制了实时声发生监测系统，以探测 定压力 22吨）的模拟故障形式作为该研究的一个重要部分，对实际冲孔阶段发射的声发射信号作了完备的分类，从冲床循环时的输出信号作了完备的分支，从冲床循环时的输出信号通过源 2 鉴别，相对时间以及声发射信号每一成分的振幅作了彻底的分析，在铅笔芯在空气中折断的简单情况中，声发射信号特征一般分为信号上升时间，下降衰减等等。然而来自冲床 的复杂信号是如此复杂，以致以上信号特征不能提供任何有用的信息，本文所研究的声发射信号的真实，有意义的特征是用鉴别，相对时间以及冲孔阶段发射信号的影响。正如所料，这些信号特征取决于包括机床在内的许多因素，典型的影响参数有材料新能和材料厚度，模具的大小和形状，模具间隙，冲压速度等。 本文对用于这些实验的硬件在第二节中加以描述，而典型的声发射信号的全部特征在第三节中说明，上述的影响参数中胚料硬度和影响在第四节中描述，第五节是关于研究的概要，其实参数如胚料厚度，模具大小和模具磨损的影响将在第二部分发表。 二、实验系 统 全部实验系统由冲床、信号处理器和微型计算机三部分组成。冲床型号是额定电压 )22 吨，行程次数 150 次 /分钟，行程 5 厘米。信号处理器装在外罩壳中，其示意图见图 1。压力波和剪切波传感器分别装在垫板和底版上，可从其中任一传感器接受声发射信号，如放大信号的包络线超过预置门槛值，其强度就由电压 /频率转换器作数字化处理，凸模的相对位置由装在冲床架和滑块间的线电压一位移传感器（ 时测出。此外，安装在飞轮轴上的光传感器可与线电压 位移传感器结合。信号处理器在一特定阶段测量的数字化包络强度即为 声发射计数。目前的研究中，来自冲床传感器的原始信号早几百微伏的范围内，不需要前置放大，而且信噪比很高（ 740,与信号电压相比，门限电压可调整得很低，因此在所给时间内声发射计数变得很接近包络线下的面积量度。这样声发射计数的研究便具有直接的物理意义：波动中弹性性能量平方根的相对量度。 为了实时监测，信号处理器上加装一个“过” “不过”型的控制开关，当声发射计数过高或过低时，声信号处理器就被激起而起到调整电源的作用。为了调整以得到的数据，将信息储存在软盘上，然后将这些数据送入 10 计算机中树立。可编程 序的窗口设置也许是目前处理微机控制的监控系统最有力的方面窗的数目、位置和持续的时间可方便地根据输入参数加以改变。这一性能对分批生产作业是绝对必要的。 这里有必要讨论一下传感器。压力波和剪切波传感器可用于这一研究。具有封闭外壳的压力波和剪切波传感器是厚度方向谐振型的低频（ 1505A 电压陶瓷传感器？（市售同压力波传感器工作良好，但为了使用可靠必须 3 制作特殊的封闭外壳的传感器）根据不同的位置，这种类型可能比其他类型稍好，反之其他类型可能比这种类型好。一般压力波信号比剪切波信号强，但剪切波传感器对振 动类的机械噪声如轴承噪声、喂料噪声等相对不敏感。还有一点很有趣，剪切波传感器具有单极性，即传感器仅对沿某一方向的剪切运动敏感。为了具有最大的敏感性，它的极性可沿着滑块的运动方向（即胚料断裂方向）布置。 三、声发射信号的特征 谈到信号的特征，冲床完整的声发射信号可分成两大类：实际冲孔时发生和冲程其余阶段发生的。后者是由轴承、离合器、喂料器所发生的，是冲床的特征信号。前者的信号是由凸模冲击和胚料断裂发射出的，这不仅取决与冲床，也取决于前面所提到的参数。因此，为了显示特征，首先要区分信号的两大类。 图 2所示的冲床 1010冷轧钢板的完整的声发射信号，用重叠线电压 位移传感器信号（在稳态时是时间的谐函数）的方法是易于分辨冲床冲程的整个阶段。如图所示，最大的声发射突发发生在凸模到达下止点前，并在冲完胚料后消失，这意味着，这一特别的突发信号是在实际冲孔时发生的。声发射信号的其余成分也能以同样的方法确定。轴承和离合器的成分可在冲床进行、喂料器不工作的情况下加以区分，喂料成分可手工步进送料操作加以确定。在信号处理单元设两个窗口以便进行实时监测，如图示，第一个窗口仅包括冲孔阶段，第二个窗口包括从第一个窗口结束一 直到下一个由光电管和信号处理器所提供的同步脉冲。这样，从前一个窗口可观察冲孔作业，从后一个窗口可检测冲床循环的其余阶段并探测异常情况，如零件松动（当从正常操作中获得的声发射计数上下限被预置的信号处理器后，本系统可探测到一个硬币掉在垫板上并立即停止冲床运转）。本本文中，注意力仅集中在冲孔阶段并就这一阶段的声发射信号做一考察。 图 3中的虫牙信号早时间量程中被逐渐放大，在图中可以看到，冲压信号由三个不同阶段组成： （ 1）持续约 （ 2）其次是接近 4毫秒的中振幅阶段； （ 3）具有后继衰减的 高振幅短突发阶段； 图 4表明了相同的声发射信号和线电压 位移传感器迹线重叠的结构（在图4及以后的图中，线电压 位移传感器迹线调节到脆断开始时凸模高度以上 冲裁最后分离时凸、凹模的位置和废料断裂面的扫描断镜照片。从这些图中可以观察到以下结果： （ 1）初始低振幅阶段是由于凸模冲压在胚料上引起的弹性变形产生的，在 4 此阶段，凸模和滑块没有受到显著的扭力，线电压 位移传感器仍保持谐运动迹线。 （ 2）弹性阶段后，胚料两边发生塑性变形，而且开始产生挤压力类型的塑性剪断。当这一过程继续进行时，凸模和凹模之间的胚料外缘出现强大的阻力，接着，当滑块速度下降（偏离谐运动）时，即发射出第二个阶段中等振幅的声发射信号。 （ 3）当胚料和模具到达图 4 所示位置时，凸模和滑块积蓄了足够大的力以克服胚料的阻力，然后发生最后的脆断，这种类型的脆断是瞬时的。阻力消失后的滑块急速下降，以恢复稳定的谐运动，随后是减副震荡。 检测扫描电镜照片可清楚地发明两个阶段的断裂现象。与脆断相比，剪断形成很慢从废料下部许多平行的拉痕可容易的区 分出 废料上部粗糙的断裂带是在 两个阶段的断裂很象疲劳断裂，平滑断裂表面是在慢速度裂纹扩异阶段逐步产生的，随后是以灾难性断裂宣告结束的疲劳寿命最后阶段形成的剪切带，而废料上部粗糙的断裂带，形成的粗糙断裂面。 这里讨论两点。第一点早已提到过，图 3和图 4所表示的发射信号是特定冲床和底板的特征信号。冲床和底板的不同组合会产生不同的信号。如弹簧卸料板，在凸模冲压前会产生附加信号。但对给定的冲床和底板，声发射信号的总体特征与参数无关，只有信号的细节随参数的变化，因此参数的影响 可以从声发射信号的细节变化看到，其次，由于情况各异，要区分冲压信号的每一成分是困难的，对高速冲床更是如此。 四、胚料硬度的影响 再许多可能的参数中，胚料硬度是首先要考察的。在实际生产情况中，不希望卷料病毒会有显著变化，但是，相对较小的硬度改变也会引起 对时间及三种成分的振幅）明显变化。因此可以认为，了解硬度的影响是进行其他参数研究的前提。 实验用胚料为 22厘米，且有严格控制的均匀厚度（ 料经过热处理获得不同的硬度，这样薄的胚料只能用简单拉伸实验下测得的极限硬度通过转换表换算成 度。本文中所用的术语“极限强度”和“硬度”表示同一意义并可互换。图 5表示这些材料在拉伸实验下的应力 应变曲线。最硬的胚料（约退火四个时间）和软的（退火五个单位时间）起胚料硬度约为 46020大应变约 7%和 4%，三种胚料具有同样的弹性模量。 5 实验所用模具为压配模，凸模直径 模和凹模双边间隙 图 6表示各种胚料冲压的 发射第三个阶段（即脆断）开始点的模具示意图和废料的扫描电镜照片。下为对声发射信号的观察 结果： 1发射信号在开始点的相对时间以及线电压 位移传感器的电压相同，并与胚料硬度无关，即相对时间和凸模位置在初始冲击点是不变的； 2对于软材料，声发射第三个阶段扩异延长； 3对于软材料，声发射第三个阶段延迟，其振幅也较小。 可以预料，相同厚度的胚料具有相同的冲击点。材料韧性的增加使脆断发生前凸模切入胚料更深，引起第二个阶段扩异和第三个阶段延迟，在电镜照片中可以清楚地看到，剪切带增宽，断裂带变窄，由于软材料的断裂的声发 射振幅减小，还可以注意到线电压 位移传感器迹线偏离谐运动较小。 每一根条料除切下一段以测量极限强度（拉伸实验），另外可冲四十多个孔，所绘制的图 7表示其结果，图 一点表示平均声发射总计数（在这三个阶段所发出的） 些声发射总计数以及样本方差对每一种材料求平均值，其结果列于表 1，并作图 8表示之。图7中声发射总计数 u 的最优线形拟合关系，对压力波传感器有 u+601 相关系数为 剪切波传感器有 关系数为 关系数明确地指出了声发射总计数与极限强度之间的线形关系。 下面拟对上述线形关系作一解释。声发射总计数是三个发射阶段的声发射计数之和，但第一阶段（凸模冲击和弹性变形阶段）发射的声发射信号与其他两个阶段相比较是相当微弱的，所以声发射总计数可近似为两个断裂阶段声发射计数之和， 即 冲击 + 图 5所表示的应力 应变关系可合理、近似地表示成图 9的理想弹性材料。应该知道在塑性变形阶段所做的功大部分转化为热，在塑料屈服和塑性变形中的 接和塑性变形的 本文研究的冲床 号高达几百 微伏的量级），所以可合理地假设，在两个断裂阶段迅速释放的能量就是横发射源。声发射能量是在弹性应变能的量度，而弹性应变能是用于试样的总能量和通过塑性变形转换为热能的能量之差。图 9给出了声发射能量 6 2 u/2E 这里是杨氏弹性模量，因为才量近似表示成理想弹性塑性，极限强度øu 是屈服应力。如前所述，声发射计数是包络强度的量度并正比于探测到的能量的平方根，故可得到下列结论。 声发射总计数 = 2 u 即在声发射总计数与极限强度之间存在线形关系。 五、结论 冲床在灾难性失效这一严重问题， 可用及早探测出不正常的操作加以防止，用声发射技术应力波进行实时分析是一个行之有效的方法。本文调查研究了时间冲孔过程中所发射的总体声发射信号的特征和材料硬度对声发射信号的影响。 实际冲孔过程中的声发射信号由三部分组成： 第一阶段为模具的初始冲击达到胚料时的发射； 第二阶段为剪切时的发射，此时废料的剪切带逐渐形成； 第三阶段为断裂时的发射，此时发生突然的断裂，废料近凸模面的断裂带瞬间形成。 借助于对三个阶段的声发射信号的相对时间和振幅及声发射总计数的分析，可了解胚料硬度的影响，当胚料硬度变化时可观察到下列结果： 1材料边软时，由于韧性的增加，引起了第而二阶段的扩异，因此第三阶段开始时间延迟； 2对软胚料，第二和第三阶段的声发射信号振幅下降； 3声发射总计数和材料极限强度之间存在良好的线形关系。