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基于多传感器信息融合的冷挤压内螺纹成形质量预测分析.pdf

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南京航空航天大学硕士学位论文 v 图表清单 图 1.1 螺纹常用加工方法 .............................................................................................................1 图 1.2 VI 功能模块图 ....................................................................................................................4 图 2.1 内螺纹冷挤压在线测试系统 .............................................................................................7 图 2.2 在线测试系统总体设计流程图 .........................................................................................8 图 2.3 扭矩测量示意图 .................................................................................................................8 图 2.4 挤压扭矩测量示意图 .........................................................................................................9 图 2.5 工件结构简图 ...................................................................................................................10 图 2.6 多电极电刷示意图 ...........................................................................................................10 图 2.7 XMT-3000 示意图 .............................................................................................................11 图 2.8 不同种类的加速度传感器 ...............................................................................................12 图 2.9 振动传感器及恒流适调器实物图 ...................................................................................12 图 2.10 加速度振动传感器安装示意图 .....................................................................................13 图 2.11 振动信号波形图 .............................................................................................................13 图 2.12 声卡虚拟仪器框图 .........................................................................................................14 图 2.13 LabVIEW 环境中声卡采集实现框图 ............................................................................14 图 2.14 数据采集卡在线测试声音信号的实现 .........................................................................14 图 2.15 AWA5661 型声级计外观图 ............................................................................................15 图 2.16 声级计输出接口示意图 .................................................................................................15 图 2.17 声音信号测量点的选取 .................................................................................................15 图 2.18 加工过程声音信号波形图 .............................................................................................16 图 2.19 PCI-9111DG 型多功能数据采集卡外观图 ....................................................................17 图 2.20 内螺纹冷挤压在线测试系统前面板示意图 .................................................................17 图 2.21 主 VI 程序模型 ..............................................................................................................18 图 2.22 顺序测试程序模型 .........................................................................................................18 图 2.23 流水线模型 .....................................................................................................................19 图 2.24 带缓存的程序模型 .........................................................................................................19 图 2.25 系统程序整体框图 .........................................................................................................20 图 2.26 数据采集过程的实现方式 .............................................................................................21 图 2.27 数据存储过程的程序实现方式 .....................................................................................21 基于多传感器信息融合的冷挤压内螺纹成形质量预测研究 vi 图 3.1 四种典型信号的自相关函数 ...........................................................................................24 图 3.2 振动信号波形图及自相关函数 .......................................................................................24 图 3.3 声音信号波形图及自相关函数 .......................................................................................24 图 3.4 三层多分辨分析的树结构 ...............................................................................................26 图 3.5 三层小波包分解树 ...........................................................................................................27 图 3.6 扭矩原始信号波形图 .......................................................................................................28 图 3.7 扭矩信号局部拟合图 .......................................................................................................29 图 3.8 扭矩原始信号波形 ...........................................................................................................30 图 3.9 内螺纹冷挤压过程扭矩示意图 .......................................................................................30 图 3.10 温度原始信号波形 .........................................................................................................30 图 3.11 内螺纹冷挤压过程温度示意图 .....................................................................................30 图 3.12 处理前后信号比较图 .....................................................................................................31 图 3.13 去除趋势项处理前后信号小波能量比较图 .................................................................31 图 3.14 FFT 法信号功率谱 ..........................................................................................................31 图 3.15 Bartlett 法信号功率谱 .....................................................................................................31 图 3.16 Welch 法信号功率谱 .......................................................................................................32 图 3.17 Yule-Walker AR 法信号功率谱 ......................................................................................32 图 3.18 Burg 法信号功率谱 .........................................................................................................32 图 3.19 MTM 法信号功率谱 .......................................................................................................32 图 3.20 丝锥振动信号功率谱估计结果图 .................................................................................33 图 3.21 振动信号小波分析能量分布示意图 .............................................................................34 图 3.22 声音信号功率谱估计结果图 .........................................................................................35 图 3.23 声音信号小波分析能量分布示意图 .............................................................................35 图 4.1 内螺纹冷挤压加工过程示意图 .......................................................................................37 图 4.2 内螺纹牙形成型状况 .......................................................................................................39 图 4.3 工件底孔直径对牙高率的影响 .......................................................................................39 图 4.4 工件底孔直径对挤压扭矩的影响 ...................................................................................39 图 4.5 底孔直径对挤压温度的影响 ...........................................................................................39 图 4.6 不同机床转速下扭矩变化曲线 .......................................................................................40 图 4.7 不同机床转速下温度变化曲线 .......................................................................................40 图 4.8 不同润滑液的扭矩变化图 ...............................................................................................41 图 4.9 不同润滑液的温度变化图 ...............................................................................................41 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 图 4.10 不同挤压次数下扭矩变化图 .........................................................................................42 图 4.11 不同挤压次数下温度变化图 .........................................................................................42 图 4.12 超过极限后螺纹表面金属裂纹 .....................................................................................42 图 4.13 冷挤压丝锥示意图 .........................................................................................................43 图 4.14 丝锥崩刃情况 .................................................................................................................43 图 4.15 崩刃累积效果 .................................................................................................................43 图 4.16 丝锥某棱磨损图 .............................................................................................................43 图 4.17 丝锥各棱磨损分布情况 .................................................................................................44 图 4.18 内螺纹冷挤压成形实物图 .............................................................................................44 图 4.19 内螺纹中径分布图 .........................................................................................................45 图 4.20 内螺纹螺距分布图 .........................................................................................................45 图 4.21 内螺纹牙形半角分布图 .................................................................................................45 图 4.22 内螺纹牙形牙高率分布图 .............................................................................................45 图 4.23 不同加工状态下成形牙形示意图 .................................................................................46 图 4.24 扭矩变化曲线 .................................................................................................................47 图 4.25 温度变化曲线 .................................................................................................................47 图 4.26 不同加工状态下的振动波形图 .....................................................................................48 图 4.27 不同加工状态下振动信号均方根值 .............................................................................48 图 4.28 振动信号主频峰值变化图 .............................................................................................49 图 4.29 不同状态振动信号小波能量变化图 .............................................................................50 图 4.30 不同加工状态下声音信号波形图 .................................................................................51 图 4.31 信号功率谱估计结果示意图 .........................................................................................52 图 4.32 声音信号小波分析能量分布示意图 .............................................................................53 图 5.1 预测系统流程图 ...............................................................................................................56 图 5.2 BP 网络结构 ......................................................................................................................60 图 5.3 神经网络训练过程示意图 ...............................................................................................62 图 5.4 神经网络训练结果示意图 ...............................................................................................62 图 5.5 测试样本预测结果比较图 ...............................................................................................63 图 5.6 测试样本误差曲线 ...........................................................................................................63 图 5.7 预测系统主界面 ...............................................................................................................66 图 5.8 系统运行界面 ...................................................................................................................66 图 5.9 神经网络训练参数设置界面 ...........................................................................................67 基于多传感器信息融合的冷挤压内螺纹成形质量预测研究 viii 图 5.10 神经网络预测参数输入界面 .........................................................................................67 图 5.11 预测系统结果输出界面 .................................................................................................68 表 1.1 内螺纹车削加工与冷挤压加工主要物理性能对比[1]......................................................2 表 1.2 虚拟仪器与传统仪器的比较 .............................................................................................4 表 1.3 在线测试技术主要方法 .....................................................................................................5 表 3.1 振动信号频域特征分布表 ...............................................................................................33 表 3.2 小波分析各频带范围 .......................................................................................................34 表 3.3 振动信号小波分析能量分布 ...........................................................................................34 表 3.4 声音信号频域特征分布表 ...............................................................................................35 表 3.5 振动信号小波分析能量分布 ...........................................................................................36 表 4.1 Q460 高强度钢化学成分( wt) ..................................................................................37 表 4.2 不同冷却润滑液的粘度值 ...............................................................................................41 表 4.3 不同加工状态下振动信号频域特征分布表 ...................................................................49 表 4.4 五层小波分析各频带对应频率范围表 ...........................................................................49 表 4.5 振动信号不同加工状态下总能量及能量比分布表 .......................................................50 表 4.6 969Hz 主频峰值情况表 ....................................................................................................52 表 4.7 声音信号小波能量分布表 ...............................................................................................53 表 4.8 声音信号不同加工状态下总能量及能量比分布表 .......................................................53 表 5.1 不同丝锥磨损量条件下挤压过程特征向量统计数据 ...................................................57 表 5.2 标准化处理后的统计数据 ...............................................................................................58 表 5.3 特征值及特征向量及贡献率分布表 ...............................................................................58 表 5.4 主成分分析输入向量统计表 ...........................................................................................59 表 5.5 测试样本特征向量分布表 ...............................................................................................63 表 5.6 预测结果分类表 ...............................................................................................................64 南京航空航天大学硕士学位论文 ix 注释表 E能量 HV 表层硬度 L长度 Lp 声压级 M 扭矩 p 声压 xP自功率谱 xyP互功率谱 xxR自相关函数 T温度 u电压 nW截面模量 σ正应力 bσ抗拉强度 2xσ方差 tΨ基本小波函数 2xψ均方值 η牙高率 Φ工件直径 τ剪切应力 θ角度 λ特征值 ε正应变 承诺书 本人郑重声明所呈交的学位论文, 是本人在导师指导下,独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著 作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体, 均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名 日 期 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 随着航空航天、高速列车等技术的迅速发展与应用,机械设备在高速、大负荷、动载条件下的应用越来越多,螺纹连接作为机械结构中最常用的连接方法之一,其性能要求也越来越高。螺纹构件的抗疲劳设计与制造已经成为现代机械加工技术中最为重要的课题之一。 1.1 引言 螺纹零件是非常重要的结构件和连接件, 据统计, 一台机床的 60以上零件都含有内螺纹,螺纹零件的加工普遍存在劳动强度大、加工效率低等问题。由于现代工业的发展,精密机械设备对螺纹零件的性能要求越来越高, 一般都要具有高强度 ( σb≥ 981MPa) 、 高硬度 ( HRC3040) 、高精度( 5 级或 4 级)以及高的表面质量[16]。 一般地,螺纹零件的常用加工方法如图 1.1 所示,主要分为切削加工、锻压加工、铸造和粉末冶金等四大类方法[1]。其中,锻压法加工螺纹由于保证了金属纤维的连续性,能够显著提高零件的强度、质量以及抗疲劳性能。 螺纹加工方法锻压 铸造 粉末冶金 切削滚压挤压冲压压制压铸浇铸烧结车削铣削磨削绞削套削拉削铲削研磨抛光电加工超声加工图 1.1 螺纹常用加工方法 内螺纹采用冷挤压成形工艺净成形是当今螺纹抗疲劳制造的一个发展趋势。不仅加工的螺纹精度高,表面完整性好,而且由于能保持冷挤压后内螺纹的表面和次表面的冷作硬化状态,大幅度提高螺纹强度和硬度,进而可提高其疲劳寿命。 内螺纹的冷挤压加工是一个逐渐成形的过程,在预制好的工件底孔上,采用无屑丝锥(又称挤压丝锥)用冷挤压的方法,使工件的金属产生塑性变形,从而形成内螺纹[7,8]。相对于内螺纹的切削成形,挤
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