基于声学原理陶瓷砂轮硬度表征方法的探讨

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(中原工学院，郑州 450007)

陶瓷砂轮是一种在机械加工中应用非常广泛的固结磨具，属于非均质陶瓷材料，其基本结构包括磨料、结合剂、气孔。陶瓷砂轮的常规检测顺序为：外观→孔径→平衡→尺寸→硬度，陶瓷砂轮的硬度是必检的性能指标。采用喷砂硬度机或洛氏硬度机进行硬度检测[1]，对砂轮表面有破坏作用。

物体的振动总是伴随着声波的产生，不同的声源产生不同的声波。陶瓷砂轮的声学特性反映了声波与陶瓷砂轮材料相互作用的基本规律[2]。

陶瓷砂轮的无损检测一直是产品质量检测的难题。本文参考声学信号在表征小麦品质方面的应用[3]，研究了陶瓷砂轮声信号的产生与获取，探讨了声波与陶瓷砂轮材料的作用规律。

1 实 验

制备硬度不同的“8”字块样品，对其不同部位分别进行声学测试和硬度实验，样品形状及实验点的分布如图1所示。

(a)样品正面 (b)样品反面

用小锤敲打每个样品，收集敲击声波和小锤声波。利用Adobe Audition和origin 7.5 SR1 对采集的声波进行处理和分析。

1.1 样品制备

样品制备过程如图2所示。

图2 样品的制备过程

样品制备采用粘土∶长石=1∶3(重量比)合成料为结合剂,根据结合剂的用量来调节样品的硬度，具体信息如表1所示。

表1 实验样品信息

1.2 声波采集与处理

采用Cool edit pro 2.0舒尔SM58-LC麦克风进行声波采集；Adobe Audition 软件系统是一个功能强大的编辑软件，本实验借助其语音录制功能进行采样。

在样品的下面放上10 cm厚的海绵，用以减少敲击时桌面产生的噪音。准备两把完全相同的小锤(45#钢)，如图3所示。将一个小锤放在海绵上，用另一个小锤敲打小锤，采集到敲打小锤所发出的声波，如图4所示。用小锤敲打样品如图1所示的a、b、c、d 4个正反位置,采集4个位置敲击样品的声波，如图5所示。

1.3 砂轮样品喷砂硬度测试

对采集声波后的样品在对应位置进行喷砂硬度实验。实验采用5 cm3砂室，气室空气压力为0.15 MPa，结果如表2所示。

图3 小锤形状

图4 小锤声波原始图

图5 样品的原始声波图

表2 砂轮样品的喷砂坑深与硬度等级

1.4 砂轮样品的声波处理结果

实验得到样品和小锤的混合声波、小锤的声波，将混合声波中的小锤声波滤除，得到相对纯净的砂轮振动波形，通过origin 7.5 SR1对其进行分析，得到的结果如图6所示。

2 实验数据分析

2.1 实验样品声波的分布

从图6可知，样品的特征峰分布在3个区域。第一个是频率在8 000～13 500 Hz之间的特征峰，随着样品硬度的不同有明显的变化；第二个是频率在13 500～15 000 Hz之间的特征峰；第三个是频率在20 000 Hz以上的特征峰。第一和第二特征峰分布在声波的频率区，第三特征峰分布在超声波的频率区。本实验仅分析在声波频率范围内的特征峰，暂且不考虑超声波频率范围的特征峰。

2.2 同一样品不同位置的声波分析

从表2可知，同一个砂轮样品4个位置的喷砂硬度坑深不完全一致，说明样品的组织不均匀，硬度分布不均匀。对同一样品，声波是否能反映不同位置的硬度情况呢？为此,对结合剂用量为5%和7.5%的试样进行分析，将试样的8 000～13 500 Hz之间的特征峰和13 500～15 000 Hz之间的特征峰放大，如图7-图10所示。

图6 砂轮样品a、b、c、d 4个位置的声波信号功率谱图

图7 结合剂用量为5%的试样的第一特征峰放大图

图8 结合剂用量为5%的试样的第二特征峰放大图

从图7和图8中可以发现，结合剂用量为5%的试样的4个敲击位置的声波特征峰走势完全相同，位置也相同。从图9和图10中可以发现，结合剂用量为7.5%的试样的4个敲击位置的声波特征峰具有相同的走势。虽然这两个样品的4个位置的坑深不一样，但是得到的特征峰却相似，位置也相同，表明声波反映的是砂轮的整体性能，而不是局部，与敲击位置无关，反映的是一定范围坑深内的共有现象。

图9 结合剂用量为7.5%的试样的第一特征峰放大图

图10 结合剂用量为7.5%的试样的第二特征峰放大图

2.3 同一硬度等级不同样品的声波分析

砂轮的硬度等级是一个范围，而不是一个固定的数值，并且不同的样品之间存在着差异，得到的声波可能不同，所以应对相同条件下的不同试样进行比较分析。选取结合剂用量为5%的A和B两个样品进行声波分析，如图11所示。

对图11中8 000～13 500 Hz和13 500～15 000 Hz区域放大，如图12和图13所示。

图11 结合剂用量为5%的不同样品的声波功谱图

图12 图11中8 000～13 500 Hz区域放大图

图13 图11中13 500～15 000 Hz区域放大图

从图11-图13中可以看到,两个样品的声波走势基本相同，特征峰的位置也基本相同。分析表明，相同硬度等级的同一类样品具有相同的声波特征峰。但是从图12中可以看出，5%-B样品的第一小峰略有右移，说明其声学反映敏感。

2.4 不同硬度等级样品的声波分析

对硬度等级为G、J、K的试样进行声波分析，如图14所示。对图14中8 000～13 000 Hz和13 500～15 000 Hz区域放大，如图15和图16所示。

图14 结合剂用量分别为5%、7.5%、10%的样品的声波功谱图

从图15中可知，在频率为8 000～13 500 Hz之间，G、J、K 3种硬度等级的砂轮所表现的走势和特征峰大不相同，其特征峰的位置如表3所示。

从表3可以看出,在8 000～13 500 Hz之间，砂轮特征峰的位置随着硬度等级的提高向高频方向移动。图16表明不同硬度等级的样品在13 500～15 000 Hz之间出现相同的走势和特征峰，这一区域特性是否和材质有关，有待后续研究探讨。

图15 图14中的8 000～13 500 Hz区域放大图

图16 图14中13 500～15 000 Hz区域放大图

表3 3种硬度等级样品声波的特征峰位置 Hz

3 结 语

本文采用声学检测方法，通过自制的信号采集工具对不同硬度的陶瓷砂轮进行敲击，采集砂轮的声信号，通过降噪处理，得到相对纯净的砂轮震动波形。通过对不同硬度砂轮的声波波形进行分析研究可知:不同硬度的砂轮所产生的声波的波形、频率明显不同；不同硬度的砂轮具有不同的特征峰；硬度等级为G、J、K的砂轮，其特征峰所在的频率区为8 000～15 000 Hz；声波对材料的组织均匀性反映不敏感，能反映材料的整体性能。

[1] GB/T 2490-2007，固结磨具硬度检验[S].

[2] 曾令可, 吴卫生. 陶瓷的无损检测[J]. 中国陶瓷工业, 1995(2)：12-16.

[3] 杨丽. 基于信号处理的小麦品质声学检测方法研究[D]. 郑州:河南工业大学, 2007.