探测精密零部件加工裂纹的声发射实时监测仪

　　1　引　言

　　精密金属零部件在加工过程中,常会发生零部件损伤的现象。尤其当零部件在进行热处理工序之后的加工,由于材料不均匀性和热处理不稳定性引起热后工件弯曲差异,有时会发生断裂现象。产生的微小裂纹在允许的范围内,不会对零件性能造成影响,但若没及时检测出来,将对产品成本、整机性能及研制周期造成重大的负面影响。特别是在航天航空领域,一些精密零部件往往造价昂贵,由于要求的加工精度高,加工周期也较长,一旦无法及时准确地将允许范围内的微小裂纹检测出来,不仅会大大增加项目的成本,还会因个别零部件而影响整个研制周期。即使可以在加工过后对零部件进行裂纹检测,也将降低生产效率。因此,研究精密零部件加工过程的裂纹实时监测方法具有很大的意义。

　　常规的对裂纹无损检测方法主要有超声探伤、射线探伤、涡流探伤、磁粉探伤和渗透法探伤等。常规的无损检测中多是以某种方式向被测对象发出特定信号,然后再由仪器检测被测对象对该信号的反应,从中识别缺陷存在。因此,上述的常规检测方法无法在加工过程中进行实时检测,只能在加工结束后再对零部件进行检测来判断是否存在裂纹。声发射技术(Acoustic Emission,AE)是一种新型的无损检验技术[1-4]。AE定义为物体或材料内部迅速释放能量而产生瞬态弹性波的一种物理现象,其信号表示为一个或多个AE事件经传感器接收并经系统处理后以某种形式出现的电信号[5],通过采集和分析一般金属物体产生裂纹时发出的声波信号可判断裂纹的存在及趋势。相对于常规的无损检测方法,应用声发射技术对精密零部件裂纹进行检测具有以下的优点:检测时通过对零部件外加应力,可实现动态检测,可更客观地评价加工过程中零部件的安全性和可靠性;声发射灵敏度高,检查覆盖面积大,不会漏检,可以远距离监测;检测可在零部件加工过程中进行。

　　本文基于声发射技术,提出了一种航天航空设备精密金属零部件加工过程的裂纹实时监测方法。通过检测伴随材料变形、断裂应力改变而放出的AE波,对其相关参数进行分析评价,从而检测裂纹的产生。基于所提出的裂纹AE实时监测方法,研制了精密零部件裂纹AE实时监测仪的样机。最后,通过实验分析,验证了本文提出的零部件裂纹实时监测方法的有效性。

　　2　金属裂纹声发射信号特征分析

　　金属裂纹声发射信号所在的频段一般为100~300 kHz,中心频率为150 kHz左右[6]。图1为自动校直机对精密金属零部件进行试验所得的金属裂纹声发射信号的时域图。

　　由图1可知,金属裂纹声发射信号为一瞬态信号,持续时间大约为几毫秒到几百毫秒。为了进一步明确该信号的频率特征,下面用能量分析法对该信号进行分析。