金刚石刀具研磨声发射信号的处理表征与实验研究

发布时间：2017-03-29 16:28

  本文关键词：金刚石刀具研磨声发射信号的处理表征与实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高质量金刚石刀具是开展超精密加工技术研究的重要工具,国防高新技术领域中许多关键元器件的高精度制造都与其密切相关。然而,国产金刚石刀具的综合质量不高,进口高质量金刚石刀具的成本高、供应周期长,客观上都对我国相关高新技术产业的发展形成了制约。机械式研磨是获得高质量金刚石刀具的重要方法。实际经验表明:研磨产生的声发射信号对于刀具研磨面晶向和刀具刃口破损状态非常敏感,是研磨操作重要的辅助手段之一。但隐含在声发射信号中的敏感信息无法通过常规的信号处理方法进行有效提取和量化,实际的研磨操作仍然普遍采用“人工监听”方式,不仅研磨加工效率低,刀具研磨质量的稳定性和一致性也无法得到有效保障。因此,深入研究金刚石刀具研磨声发射信号的特征规律,对于提升金刚石刀具研磨过程的自动化水平、提高国产金刚石刀具的制造质量以及推动我国高新技术产业的快速发展都有极其重要的意义。本论文从研磨面晶向以及刃口破损的实时监测这两个工艺需求出发,对金刚石刀具研磨中声发射信号的分析处理以及应用方法开展了针对性的研究工作。首先,开展了金刚石刀具研磨声发射信号激励传输与接收机制的研究,以泊松过程理论为基础建立了声发射信号激励过程的统计分析模型,阐明了声发射信号具有非高斯性特征的物理机制,以线性时不变系统理论为基础分析了声发射信号的传输和接收过程,阐明了信号的传输和接收不改变非高斯性特征的原因,并通过实验验证了这种非高斯性特征的普遍性,确定了声发射信号的敏感频段,为声发射信号的准备表征和合理应用提供了指导和依据;其次,开展了金刚石刀具研磨声发射信号与研磨面晶向的映射关系研究,构造了多维特征参数向量,其分量包括了反映信号能量水平的低阶统计参数(如均值、方差、均方根)和反映信号非高斯性特征的高阶统计参数(如偏度、峰度),分析了特征参数向量的各个分量随研磨面晶向的变化规律,发现特征参数向量所存在的、与研磨面晶向一致的圆周对称性特征,并研究了特征参数向量在研磨速度和研磨压力等因素影响下的变化规律,利用自组织神经网络(SOM)方法对信号样本在多维参数空间中进行聚类分析,改进了聚类分析结果的显示方法,从而能够以定量化的声发射信号监测手段辅助实时辨别刀具研磨面(非)难磨方向,降低了声发射信号人工监听的经验成分和不确定性。第三,开展了金刚石刀具研磨声发射信号特征与刃口破损的关联度研究,采用分形维数定量描述刃口破损程度,对声发射信号构建了时间序列模型,采用基于高阶累积量的方法在线递推估计时序模型参数,通过实验建立了刃口破损程度与时序模型参数之间定量化的关联关系,掌握了研磨速度和研磨压力对于时序模型参数的影响规律,从而能够以定量化的监测手段辅助实时判定刀具刃口破损程度,并能够减少停机检查和重复对刀次数及其对刀具刃口造成的二次损伤。最后,开展了金刚石刀具研磨声发射信号监测应用方法研究,分析了金刚石刀具研磨平台主轴系统的运动学关系,验证了声发射信号监测辅助进行研磨方向自动调节的方法,分析了研磨压力对于刀具刃口质量的作用机制,验证了声发射信号监测辅助进行研磨压力自动控制的方法,并结合开放式刀具研磨实验平台的硬件构成,完成了声发射信号监测系统的集成和部署,实现了研磨方向调节、研磨压力控制的自动化操作,从而能够减小金刚石刀具研磨加工中经验因素的影响,提高金刚石刀具研磨质量的稳定性和一致性。
【关键词】：金刚石刀具研磨 声发射信号 非高斯性特征 研磨方向 刃口破损
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG580.68
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 绪论15-41
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义15-16
• 1.2 金刚石晶体的材料特性16-19
• 1.3 金刚石材料的加工机理19-24
• 1.3.1 金刚石材料加工的起源19-20
• 1.3.2 微解理模型20-21
• 1.3.3 相变模型21-24
• 1.3.4 热致磨损模型24
• 1.4 金刚石刀具的加工方法24-31
• 1.4.1 非机械式加工方法及其局限性24-27
• 1.4.2 机械式研磨方法及其局限性27-29
• 1.4.3 机械式研磨中声发射监测的必要性29-31
• 1.5 精密加工中的声发射监测技术31-37
• 1.5.1 声发射监测的特点和技术优势31-33
• 1.5.2 声发射监测在精密加工中的主要应用33-34
• 1.5.3 声发射监测信号的表征方法34-37
• 1.6 金刚石刀具研磨声发射信号监测面临的问题37-40
• 1.7 本课题的主要研究内容40-41
• 第2章 声发射信号的激励传输和接收机制41-65
• 2.1 引言41
• 2.2 金刚石刀具研磨的声学系统41-42
• 2.3 声发射信号的激励机制42-50
• 2.3.1 磨粒-研磨面的接触特性42-44
• 2.3.2 磨粒-研磨面的接触模型44-46
• 2.3.3 激励过程的非高斯特性46-50
• 2.4 声发射信号的传输机制50-54
• 2.4.1 传输介质的振动特性50-51
• 2.4.2 传输过程的调制作用51-54
• 2.5 声发射信号的接收机制54-55
• 2.6 声发射信号的特征分析55-63
• 2.6.1 声发射信号监测系统55-56
• 2.6.2 声发射信号的频域特征56-59
• 2.6.3 声发射信号的时域特征59-63
• 2.7 本章小结63-65
• 第3章 声发射信号特征与研磨面晶向的映射关系研究65-90
• 3.1 引言65
• 3.2 金刚石耐磨性的晶向差异65-67
• 3.3 声发射信号的特征参数向量67-69
• 3.3.1 特征参数向量的构成67-68
• 3.3.2 特征参数向量的递推计算68-69
• 3.4 实验装置和实验方法69-71
• 3.5 特征参数向量与研磨面晶向的映射关系分析71-80
• 3.5.1 {100}晶面的映射关系分析71-75
• 3.5.2 {110}晶面的映射关系分析75-80
• 3.6 研磨加工参数对特征映射关系的影响80-84
• 3.6.1 研磨速度的影响80-82
• 3.6.2 研磨压力的影响82-84
• 3.7 声发射信号的聚类分析84-88
• 3.7.1 聚类分析的需求及方法84-85
• 3.7.2 聚类信息的可视化85-87
• 3.7.3 特征聚类的形成机制87-88
• 3.8 本章小结88-90
• 第4章 声发射信号特征与刀具刃口破损的关联度研究90-110
• 4.1 引言90
• 4.2 刃口破损的参数化描述90-94
• 4.2.1 分形维数的测评方法90-91
• 4.2.2 破损刀具刃口的分形维数91-94
• 4.3 声发射信号的时序模型94-102
• 4.3.1 声发射信号时序模型的建立94-95
• 4.3.2 声发射信号的平稳性检验95-98
• 4.3.3 声发射信号的平稳化处理98-100
• 4.3.4 时序模型阶次的估计100-101
• 4.3.5 时序模型参数的递推计算101-102
• 4.4 实验装置和实验方法102-104
• 4.5 时序模型参数与刃口破损的关联度分析104-106
• 4.6 研磨加工参数对刃口破损的影响106-109
• 4.6.1 研磨速度的影响106-107
• 4.6.2 研磨压力的影响107-109
• 4.7 本章小结109-110
• 第5章 金刚石刀具研磨中声发射信号监测的应用研究110-130
• 5.1 引言110
• 5.2 研磨方向调节中声发射信号监测的应用110-115
• 5.2.1 研磨方向的手动调节方法110-111
• 5.2.2 声发射信号监测辅助下的研磨方向调节方法111-114
• 5.2.3 声发射信号监测辅助下的研磨方向调节实验114-115
• 5.3 研磨压力控制中声发射信号监测的应用115-126
• 5.3.1 声发射信号监测辅助下的研磨压力控制方法115-118
• 5.3.2 研磨压力控制中的高频隔振118-119
• 5.3.3 研磨压力控制中的低频随动控制119-122
• 5.3.4 研磨压力控制中的基准值整定122-123
• 5.3.5 声发射信号监测辅助下的研磨压力控制实验123-126
• 5.4 声发射信号监测的硬件系统集成126-129
• 5.5 本章小结129-130
• 结论130-132
• 参考文献132-142
• 攻读博士学位期间发表的论文142-145
• 致谢145-146
• 个人简历146

【共引文献】

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