基于声发射的复材叠层材料制孔刀具磨损状态监测

摘要

CFRP（碳纤维增强树脂基复合材料）/金属叠层材料制孔过程中，由于不同材料切削性能上的差异，导致刀具磨损剧烈且孔质量难以保证。目前航空制造企业主要以先验实验的方式确定刀具预期寿命，在生产中辅以操作工经验判断刀具磨破损程度作为换刀依据，可靠性低且不适用于自动化钻铆设备，因此在自动化设备大量使用的情况下，实现刀具磨损状态监测是非常必要的。 本文提出基于声发射信号的CFRP/金属叠层材料制孔过程刀具磨损监测方案，通过间接监测技术判断刀具磨损状态，为制孔生产提供换刀依据。首先搭建了声发射信号采集分析系统，开展了CFRP/铝合金叠层材料制孔过程高速钢刀具和硬质合金刀具磨损实验。其次，运用单一域和基于小波包变换的联合域分析方法研究了对刀具磨损状态敏感的声发射特征量；分析了叠层材料分界面与铝合金切屑引起的信号突变产生机理，应用小波包多分辨分析方法研究了信号突变对声发射特征的影响；研究了声发射特征与孔质量的关联。然后提取了与刀具磨损状态关联密切的声发射信号特征量作为因子，建立了基于支持向量机的刀具磨损状态分类模型；最后，将刀具磨损状态监测集成至MES（制造执行系统）中。 研究结果表明，加工复合材料层的声发射信号均方根值与主频段小波包能量比能够指示刀具磨损状态，刀具磨损状态分类模型具备优秀的分类准确率，集成了刀具磨损状态监测功能的MES能够在加工过程有效地监测刀具状态。

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