一种声发射和测力仪集成的砂轮堵塞检测清洗装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及磨削加工领域，具体涉及一种声发射和测力仪集成的砂轮堵塞检测清 洗装置及方法。
【背景技术】
[0002] 为了获得较高的工件加工质量和表面精度，磨削加工被广泛应用于机械加工中。 磨削与其他切削过程相比，单位磨削力大，磨削速度高。在磨削加工中，磨粒的尺寸、形状和 分布对加工起着重要作用，尤其韧性金属，像镍基合金这类航空航天材料，它们的硬度大， 导热性差，加工这些硬质材料时，磨肩会很快地粘附在磨粒的表面或气孔中。往往会出现砂 轮堵塞引起急剧钝化的现象，导致砂轮寿命过早结束。如何检测砂轮堵塞以及对砂轮堵塞 物进行清洗是十分必要。
[0003] 砂轮堵塞的种类很多，不同的工件材料和加工工况所产生的堵塞状态各异。总体 分为嵌入型、依附型、粘着型。嵌入型堵塞是磨肩嵌在砂轮工作表面气孔里；依附型堵塞是 磨粒靠暂时的力量和热依附在磨粒切削刃口四周或粘结剂上；粘着型堵塞是在磨削过程 中，磨削点温度达到1200K以上，磨粒四周粘附许多磨肩，当磨削力增大，温度升高时加剧 堵塞，直至磨粒破碎或脱落，这是熔化性粘结。其中嵌入型和依附型堵塞属子机械性地填充 在砂轮空隙中产生的堵塞现象，填充的动力来自两个方面，外来和内在的，涉及到物理、电、 热等方面的因素。1、外来因素：磨削加工中，径向磨削力Fy大于切向力Fz，一般刀具切削加 工Fy/Fz〈 1，而磨削Fy/Fz〈2-10，工件材料愈硬，塑性愈小，Fy/Fz比值愈大，这样磨削区的磨肩 在强大的正压力作用下，被机械地挤进砂轮表面的气孔里。从微观上分析，磨肩是沿磨粒前 面滑出，磨粒前面的局部区域堆积着数层磨肩，在磨粒的后面，由于砂轮高速旋转的作用， 形成一个气流旋涡区，旋涡区的空气压力明显减小，在负压力作用下，使部分磨肩依附在磨 粒的后面，形成磨粒后刀面的依附性堵塞，堵塞物多数是灰烬和磨肩微粒。2、静电场作用： 砂轮与工件相对运动时，在磨削区砂轮与工件表面将会因摩擦而产生电子逸出，出现按一 定规律排布的电荷。同时，磨削区内的气体也会因高温作用导致被激放电，使中性气体电离 成正离子和电子。这样，在磨削区某些小区域内形成了有砂轮和工件组成的小电场，在电场 内，有中性原子、正离子、电子、杂质、粉尘，不仅有中性原子被电离的过程，还有正离子和电 子复合的过程。在电场的作用下，部分磨肩将呈现极性，根据异性相吸原理，与砂轮极性相 反的磨肩就被吸附在砂轮工作表面。
[0004] 所谓声发射现象是固体材料由于结构变化引起应变能的快速释放而产生的弹性 波，简称AE。它可用固定在固体表面的AE传感器检测出来。磨削过程是一个很复杂的过 程，磨削区具有相当高的变形率和摩擦磨损以及金属相变、冲击、砂粒的崩碎、切削液的冲 击等现象，这些都是强裂的声发射源。HuntW等学者研究了磨削过程中产生的各种声发射 源，指出当砂轮与工件弹性接触、砂轮粘结剂破裂、砂轮磨粒崩碎、砂轮磨粒与工件摩擦、工 件表面裂纹等均可发射出弹性波。这些因素和工件材料、磨削条件、砂轮表面的状态等因素 都有着密切的关系；这些因素的改变必然会引起声发射信号的幅值、频谱等方面发生变化， 这就使得我们可以通过检测声发射信号的变化来对磨削状态进行判别。磨削力是磨削过程 中的重要物理量，磨削力来源于工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切削形成以 及磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。磨削力的大小也是反映砂轮堵塞程度的一个 重要指标。
[0005] 检测砂轮堵塞一般使用下面几种方法：①盐酸分析法；②比色分析法P射线 反向散射法；④放射元素示踪法；⑤利用磁力探头检测带磁性的堵塞磨肩；⑥运用"电涡流 原理"探测导电的堵塞磨肩；⑦显微照相法。
[0006] 经检索，专利号为ZL201310076316. 4公开了一种砂轮堵塞面积的在位主动红外 检测装置及检测方法，装置包括砂轮，还包括红外热像仪，所述砂轮待测面外侧上方15cm 处安装有一个红外辐射管，所述红外热像仪的焦距对准所述砂轮待测面，所述红外热像仪 中部到所述砂轮圆心之间的连线与所述红外辐射管中部到所述砂轮圆心之间的连线互相 垂直；所述红外辐射管的反射罩上设有温度传感器，所述温度传感器连接有控制电路，所述 红外辐射管与所述控制电路连接；所述红外热像仪连接有计算机。在测量堵塞磨肩的分布 状态的同时，计算出堵塞面积的相关值。该装置虽然可以计算出砂轮的堵塞面积，但仅仅是 局限于对堵塞的检测，缺少对砂轮堵塞物的清洗。
[0007] 在检测砂轮堵塞的方法中，大都比较复杂，虽然可以检测出砂轮的堵塞状况，但是 缺少砂轮堵塞检测与清洗为一体的系统装置。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种声发射和测力仪集成的砂轮堵塞 检测清洗装置及方法，首先通过声发射技术在线定性监测砂轮堵塞状况，通过磨削测力仪 测量磨削力来反映检测砂轮堵塞状况，然后根据尖端放电原理去除堵塞物的静电，由静电 中和喷头对附着在砂轮表面或气孔内的堵塞物进行清洗。大大提高工件表面质量和砂轮使 用寿命。其中，声发射技术在线监测系统能对机床对刀、砂轮堵塞检测、砂轮失效检测等具 有很大的实际指导意义。
[0009] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0010] -种声发射和测力仪集成的砂轮堵塞的检测清洗装置，包括声发射在线监测系统 和用于给砂轮提供动力的砂轮轴，其中，待测砂轮安装在砂轮轴上，声发射在线监测系统包 括依次连接的声发射传感器、滤波器以及数据采集显示装置，使用时，将工件固定在砂轮的 下端，将所述声发射传感器嵌入工件内，砂轮以设定速度转动，通过声发射信号的大小判定 砂轮的堵塞程度。
[0011] 所述声发射传感器为螺钉式声发射传感器，包括声发射传感器本体和用于将声发 射传感器嵌入工件内部的螺钉端，声发射传感器本体与螺钉端固定连接。螺钉部可以将声 发射传感器嵌入到工件内部，声发射信号的途径零部件少，传播路径短，能更真实的接收到 声发射信号。
[0012] 所述声发射传感器与滤波器之间连接有前置放大器。前置放大器可以将砂轮堵塞 的声音信号进行放大，方便检测。
[0013] 所述声发射传感器本体的外侧安装有保护装置，保护装置密封设置。保护装置密 封设置，可以有效防止磨削产生的污染物进入保护装置内部，对声发射传感器本体造成损 害。
[0014] 所述保护装置的后端设置有橡胶垫，保护装置与声发射传感器本体之间设置缓冲 结构。如垫片，可以有效减小两者间的碰撞冲击；橡胶垫可以减小声发射传感器的振动以及 能和声发射传感器保护装置之间更好的定位。
[0015] 所述滤波器为低通滤波器。可以有效将干扰信号过滤，保留由于砂轮堵塞产生的 声音信号。
[0016] 所述检测清洗装置还包括磨削力测量系统，磨削力测量系统包括测力仪、安装在 测力仪上的工件固定装置、力信息采集仪以及磨削力显示装置，力信息采集仪与所述测力 仪连接，磨削力显示装置与力信息采集仪连接。
[0017] 所述测力仪与力信息采集仪之间连接有放大器。
[0018] 所述工件固定装置包括工件固定腔室、设置于工件固定腔室内部的定位块以及设 置于工件固定腔室侧壁和/或定位块上的上压板组件，所述定位块连接有位置调节装置， 根据工件的大小进行定位块的位置调节。工件在定位块、上压板组件和工件固定腔室的共 同作用下固定。
[0019] 所述检测清洗装置还包括静电中和喷嘴清洗系统，静电中和喷嘴清洗装置包括供 液系统、供气系统和静电中和喷头，供液系统和供气系统均与静电中和喷头连通，静电中和 喷头内部设置有若干针形电极，针形电极与电源连接。
[0020] 所述供液系统包括依次连接的储液罐、液压栗、第一调压阀、第一节流阀、第一流 量计以及进液管。
[0021] 所述供气系统包括依次连接的空气压缩机、过滤器、储气罐、第二调压阀、第二节 流阀、第二流量计以及注气管，注气管与进液管通过混合腔连通。供气系统和供液系统可以 根据需要合理调节气体和液体的配比以及气液的出口压力，达到对砂轮最有效地清洗。
[0022] 所述混合腔与所述静电段之间通过加速段连通，加速段为圆台形空腔，靠近静电 中和喷头一端的横截面积小于靠近混合