CN100439902C - 精密管材内螺纹芯头的无损检测方法和检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种精密管材内螺纹芯头的无损检测方法和检测装置，适合于细径无缝精密铜管内螺纹芯头齿形的无损检测。该方法：(1)选取适当尺寸的大块非晶合金；(2)钳形压头装卡内螺纹芯头，并置于温控加热包套中开始加热；(3)将大块非晶合金坯料放入底座的凹槽中，通入惰性气体；(4)螺杆驱动钳形压头使内螺纹芯头接触非晶合金坯料，进行复形；(5)卸载并取出大块非晶合金冷却；该装置包括钳形压头、内螺纹芯头、大块非晶合金、温控加热包套，钳形压头、内螺纹芯头、大块非晶合金置于温控加热包套内，钳形压头装卡待测内螺纹芯头，内螺纹芯头置于大块非晶合金上。本发明可以实现精密铜、铝、锌等金属管材内螺纹芯头齿形参数的无损检测。
Description
技术领域：
本发明涉及精密内螺纹管材模具测试技术领域，具体地说是一种精密管材内螺纹芯头的无损检测方法和检测装置，特别适合于细径无缝精密铜管内螺纹芯头齿形的无损检测。
背景技术：
当今臭氧层破坏已成为各国关注的全球性环境问题之一，并已形成保护臭氧层的国际统一行动，在全球范围内加紧淘汰消耗臭氧层物质。根据1987年通过的《关于破坏臭氧层物质的蒙特利尔协议》，CFC类制冷剂从1980年7月开始限制使用。在1992年的哥本哈根会议上，确定了废止CFC的使用及限制生产HCFC。与此同时，科学界和工业界也积极地研究和开发替代物质与替代技术。在成功地进行了CFC的替代之后，HCFC的限制问题也提到议事日程上来，而其中首当其冲的无疑就是制冷空调行业中应用最广泛的HCF22(R22)，该制冷剂虽然具有优越的综合性能，然而由于R22又具有对大气臭氧层的耗损作用和较高的温室效应值，国际上已将其列入了逐步禁用范围。在这种形势下，人们开始寻找R22(HCFC类制冷剂)和R12(CFC类制冷剂)的替代物。但现有可用来替代的制冷剂，不管是R407C还是R410A或R290，以及非共沸混合制冷剂R32/R134a，在性能上都不如R12和R22。所以迫切希望开发出更高效的压缩机和冷凝、蒸发换热器。
内螺纹铜管是当今高科技含量产品，作为一种高效的传热元件，具有制造成本较低、换热强化效果好以及压力损失小的优点，广泛应用于新型的节能、高效、小型化制冷设备。用高效传热内螺纹铜管代替光面铜管来改造空调系统的冷凝器和蒸发器(两器)，在减缓两器的低温腐蚀方面收到了明显的效果；而且在螺纹槽道的作用，制冷剂不再在管壁上作过久停留，而是迅速顺着螺纹脱离冷却壁面，因此整个内螺纹铜管有较多的冷却壁面直接和制冷剂接触，强化换热效果，改善传热及流动特性。由于制冷设备不断追求高效化和小型化，促使内螺纹成型技术不断创新和改进，从80年代初至今已开发出了很多种内螺纹铜管。从齿形分类，有山形齿、梯形齿、小顶角形齿、细高齿、交叉齿、断续齿、M形齿和V形齿。随着内螺纹成型技术的不断完善和进步，内螺纹铜管向着“底壁薄、齿瘦高、克重小、高热效”的方向发展。例如，随着空调制冷技术的发展，室外机内螺纹铜管由Φ9.52mm系列逐渐过渡为Φ7mm系列；室内机Φ7mm系列逐渐过渡为Φ5mm系列。
随着内螺纹铜管的进一步细径化，目前最小外径为Φ4mm，底壁厚0.2mm，尺高达0.25mm，齿顶角在15°-45°。为加工满足以上要求的精密内螺纹铜管，应用五轴联动数控磨床制造精度达±0.0001mm的硬质合金螺纹芯头。目前对于磨削加工制造的内螺纹芯头在现场使用中还存在着使用寿命有限、槽深一致性差、表面粗糙度大和尺寸精度低的问题。而这些问题的反映通常是对加工出来的内螺纹铜管的检验来实现的。目前直接针对内螺纹芯头齿形参数的无损检测除了应用激光扫描电镜外还缺乏方便有效的手段，精密量规等测量工具难以适应产品规格多样化的要求。
与晶态合金相比，非晶合金由于在强度、硬度、冲击断裂能以及耐腐蚀性等方面具有明显的优势，从而引起各国学者的重视。自从Inoue等在20世纪90年代提出大块非晶合金成分选择的3条原则之后，大块非晶合金的制备取得了突破性的进展，不但发展出如Mg，Fe，Co，Zr，Pd，Ti，Cu，Nd，La等多种大块非晶合金材料系列，而且所获得的非晶合金尺寸和所需要的临界冷却速度也更具有实用意义。然而，由于大块非晶合金在室温下无论采用机加工还是塑性加工，其成形加工都十分困难，大大制约了大块非晶合金的应用。利用大块非晶合金在过冷温度区域内的粘性流动行为，应用塑性精密成形技术，是解决这一问题的有效方法之一。然而，利用大块非晶合金在过冷温度区域内的粘性流动行为，应用复形方式完全复制芯头齿槽细节，将三维对象转化为二维检测目标的检测方法目前尚未见报道。
发明内容：
为了克服现有技术中设备投资大、工艺周期长、使用柔性差、难以实现精密铜管内螺纹芯头无损检测的不足，本发明的目的之一是提供一种利用大块非晶合金在过冷液相区的粘性流动行为，应用复形方式无损检测精密管材内螺纹芯头的方法。
本发明的次一目的是提供一种具有设备投资小、工艺周期短、使用灵活的特点的精密管材内螺纹芯头无损检测装置。应用该装置可以实现精密管材内螺纹芯头齿形检测试样的制备，供配套高倍光学显微镜或高分辨摄像头进行齿形参数的精确检测。
本发明技术方案如下：
精密管材内螺纹芯头无损检测方法包括如下步骤：
(1)根据待测内螺纹芯头的具体轮廓，选取适当尺寸的大块非晶合金，利用非晶合金在过冷液相区的流变行为，使合金流入芯头微槽内，完全复制齿槽细节；
(2)钳形压头装卡内螺纹芯头，并置于PLC(可编程控制器)温控加热包套中开始加热，加热温度在Tg～Tx之间(Tg和Tx分别为所选大块非晶合金的玻璃转化温度和晶化开始温度)，以保证大块非晶合金在过冷液相温度区间内实现粘性流变成形；
(3)在PLC温控加热包套内温度稳定后，打开PLC温控加热包套，将大块非晶合金坯料放入底座的凹槽中，通入惰性气体后继续加热至温度波动消失，稳定在Tg～Tx之间，并调节内螺纹芯头与大块非晶合金坯料的距离；
(4)螺杆驱动钳形压头使内螺纹芯头接触非晶合金坯料，控制成形应变速率在1×10-2～1×10-4s-1之间，使非晶合金完全复制芯头齿槽的细节；
(5)复形结束后，卸载并取出大块非晶合金冷却，避免晶化，由于试样尺寸很小而铜板导热性很好，自然冷却即可；
(6)应用配套的高倍光学显微镜或高分辨摄像头检测非晶合金上的复形的内螺纹芯头齿形。
精密管材内螺纹芯头无损检测装置可以包括：钳形压头、内螺纹芯头、大块非晶合金、温控加热包套，钳形压头、内螺纹芯头、大块非晶合金置于温控加热包套内，钳形压头装卡待测内螺纹芯头，内螺纹芯头置于大块非晶合金上。
精密管材内螺纹芯头无损检测装置还可以包括：支杆、顶盖、螺杆、限位套筒、PLC温控加热包套、钳形压头、内螺纹芯头、大块非晶合金、顶出杆、底座、测温盲孔、限位镶块、高倍光学显微镜或高分辨摄像头、连接杆。顶盖下端与螺杆连接，用以施加输出位移量；螺杆的颈部设有限位套筒，避免过大的行程损坏钳形压头和内螺纹芯头；螺杆的下部安装在可通入惰性气体保护的PLC温控加热包套内；钳形压头装卡待测内螺纹芯头，上端与螺杆底端连接，在成形过程中传递力的作用；大块非晶合金坯料、限位镶块和顶出杆依次置于底座的腔中，限位镶块置于底座的凹槽形内腔中，环绕大块非晶合金坯料，起限位固定作用，并根据坯料尺寸灵活调节；底座为凹槽形内腔结构，上部径向分布至少两个测温盲孔，用于插入精密热电偶检测成形过程中坯料温度变化。
所述温控加热包套采用PLC温控加热包套。
所述检测元件采用配套的高倍光学显微镜或高分辨摄像头。
与现有技术相比，本发明更具有以下优点：
1、本发明检测方法可以实现精密管材内螺纹芯头齿形参数的无损检测。本发明检测装置投资小、工艺周期短、检测精度高、使用灵活；
2、本发明检测方法应用大块非晶合金在过冷温度区域内的粘性流动，可以实现非晶合金表面对于内螺纹芯头表面状况的纳米级复制。而传统的精密量规难以达到亚微米级精度；
3、本发明检测方法可以实现不同规格内螺纹芯头齿形参数的无损检测；
4、本发明装置采用顶柱直接加载，操作简单、高效；
5、本发明装置采用PLC温控加热包套保证工作区域快速加热，精确控温；
6、本发明装置可有效控制轴偏心，保证检测精度；
7、本发明装置同时实现制样与检测功能，结构紧凑。
8、本发明方法和装置还适用于铝、锌等金属精密管材的拉拔成形。
附图说明：
图1是本发明的检测方法的原理图。
图2-1是本发明一个实施例的检测装置的结构示意图。
图2-2为图2-1的左视图。
图2-3为图2-1的俯视图。
图3-1是本发明另一个实施例的检测装置的结构示意图。
图3-2为图3-1的左视图。
图3-3为图3-1的俯视图。
图中，1支杆；2顶盖；3螺杆；4限位套筒；5 PLC温控加热包套；6钳形压头；7内螺纹芯头；8大块非晶合金；9顶出杆；10底座；11测温盲孔；12限位镶块；13检测元件；14连接杆。
具体实施方式：
实施例1
下面结合图1、图2-1、2-2和2-3具体说明本实施方式。
本发明检测装置由支杆1、顶盖2、螺杆3、限位套筒4、PLC温控加热包套5、钳形压头6、内螺纹芯头7、大块非晶合金8、顶出杆9、底座10、测温盲孔11、限位镶块12、检测元件13和连接杆14组成，其中：检测元件13采用高倍光学显微镜，支杆1通过连接杆14与高倍光学显微镜相连，用于旋转定位观测。顶盖2下端与螺杆3连接，用以施加输出位移量。螺杆3的颈部设有限位套筒4，避免过大的行程损坏钳形压头6和内螺纹芯头7。螺杆3的下部安装在可通入惰性气体保护的PLC温控加热包套5内。PLC温控加热包套5采用电阻加热，最高温度800℃，石棉保温。由PLC控制加热温度，误差范围±5℃。PLC温控加热包套5可以通入惰性气体(如氩气)，防止坯料加热氧化。钳形压头6装卡待测内螺纹芯头7，上端与螺杆3底端连接，在成形过程中传递力的作用；大块非晶合金8、限位镶块12和顶出杆9依次置于底座10的腔中。底座10为凹槽形内腔结构，上部径向分布至少两个测温盲孔11，用于插入精密热电偶检测成形过程中坯料温度变化。根据大块非晶合金8选用适当尺寸的限位镶块12，固定于底座10的腔中。限位套筒4以下部件安装于PLC温控包套5内。
本发明检测工艺包括如下步骤(参见图1)：
(1)根据被测精密铜管内螺纹芯头7的尺寸Φ8×20mm，选择10×25×3(厚)mmMg65Cu25Y10大块非晶合金8，并将10×5×3(厚)mm限位镶块置于底座10的凹槽中，凹槽尺寸为10×35×2(深)mm，两块10×5×3mm的限位镶块置于非晶合金坯料的两侧。
(2)钳形压头6装卡内螺纹芯头7，并置于PLC温控加热包套5中，通入10MPa氩气后开始通电加热，加热温度在180～200℃之间(本实施例以200℃为例)。
(3)在PLC温控加热包套5内温度稳定后，快速放入大块非晶合金8，继续加热至温度波动消失，稳定在180～200℃之间，并通过螺杆3调节内螺纹芯头7与大块非晶合金8的距离。
(4)螺杆3驱动钳形压头6使内螺纹芯头7接触大块非晶合金8，控制成形应变速率在1×10-2～1×10-4s-1之间(本实施例以1×10-3s-1为例)，使大块非晶合金8完全复制内螺纹芯头7齿槽的细节。
(5)复形结束后，PLC温控加热包套5断电，螺杆3快速卸载，顶出杆9顶出大块非晶合金8并置于大块铜板上自然冷却，避免坯料晶化；
(6)应用连接杆14上固定的高倍光学显微镜对大块非晶合金8表面复形的内螺纹芯头7齿形参数进行测量。
其检测结果：复形后的大块非晶合金完整精确复制了内螺纹芯头的齿形细节，包括齿顶角45°50′、槽宽0.180mm、齿深0.135mm、螺旋角25°、表面粗糙度Ra0.012μm。
实施例2
下面结合图1和图3-1、3-2和3-3具体说明本实施方式。
其检测装置与实施例1不同之处在于：检测元件13为高分辨摄像头。
检测工艺包括如下步骤：
(1)根据被测内螺纹芯头7的尺寸Φ8×20mm，选择10×25×3(厚)mmZr65Al10Ni10Cu15大块非晶合金8，并将10×5×3(厚)mm限位镶块置于底座10的10×30×2(深)mm的凹槽中。
(2)钳形压头6装卡内螺纹芯头7，并置于PLC温控加热包套5中，通入15MPa氩气后开始通电加热，加热温度在400～430℃之间(本实施例以420℃为例)。
(3)在PLC温控加热包套5内温度稳定后，快速放入大块非晶合金8，继续加热至温度波动消失，稳定在400～430℃之间，并通过螺杆3调节内螺纹芯头7与大块非晶合金8的距离。
(4)螺杆3驱动钳形压头6使内螺纹芯头7接触大块非晶合金8，控制成形应变速率在1×10-2～1×10-4s-1之间(本实施例以1×10-4s-1为例)，使大块非晶合金8完全复制内螺纹芯头7齿槽的细节。
(5)复形结束后，PLC温控加热包套5断电，螺杆3快速卸载，顶出杆9顶出大块非晶合金8并置于大块铜板上自然冷却，避免坯料晶化；
(6)应用连接杆14上固定的高分辨摄像头对大块非晶合金8表面复形的内螺纹芯头7齿形参数进行测量。
其检测结果：复形后的大块非晶合金完整精确复制了内螺纹芯头的齿形细节，包括齿顶角45°50′、槽宽0.180mm、齿深0.135mm、螺旋角25°、表面粗糙度Ra0.012μm。
Claims (8)
1、精密管材内螺纹芯头的无损检测方法，其特征在于包括如下步骤：
1)根据待测内螺纹芯头的具体轮廓，选取大块非晶合金；
2)钳形压头装卡内螺纹芯头，并置于温控加热包套中开始加热，加热温度在Tg～Tx之间，Tg和Tx分别为所选大块非晶合金的玻璃转化温度和晶化开始温度；
3)在温控加热包套内温度稳定后，打开温控加热包套，将大块非晶合金坯料放入，通入惰性气体后继续加热至温度波动消失，稳定在Tg～Tx之间，并调节内螺纹芯头与大块非晶合金坯料的距离；
4)驱动钳形压头使内螺纹芯头接触非晶合金坯料，控制成形应变速率在1×10-2～1×10-4s-1之间，使非晶合金完全复制芯头齿槽的细节；
5)复形结束后，卸载并取出大块非晶合金冷却；
6)应用检测元件检测非晶合金上的复形的内螺纹芯头齿形。
2、按照权利要求1所述的精密管材内螺纹芯头的无损检测方法，其特征在于：所述步骤2)中，温控加热包套采用PLC温控加热包套。
3、按照权利要求1所述的精密管材内螺纹芯头的无损检测方法，其特征在于：所述步骤3)中，通入惰性气体压力为10～15MPa。
4、按照权利要求1所述的精密管材内螺纹芯头的无损检测方法，其特征在于：所述步骤5)中，复形结束后，大块非晶合金置于块状铜板上自然冷却。
5、按照权利要求1所述的精密管材内螺纹芯头的无损检测方法，其特征在于：所述步骤6)中，检测元件采用配套的高倍光学显微镜或高分辨摄像头。
6、精密管材内螺纹芯头的无损检测装置，其特征在于：包括支杆(1)、顶盖(2)、螺杆(3)、限位套筒(4)、温控加热包套(5)、钳形压头(6)、内螺纹芯头(7)、大块非晶合金(8)、顶出杆(9)、底座(10)、测温盲孔(11)、限位镶块(12)、检测元件(13)、连接杆(14)；钳形压头(6)、内螺纹芯头(7)、大块非晶合金(8)置于温控加热包套(5)内，内螺纹芯头(7)置于大块非晶合金(8)上；支杆(1)通过连接杆(14)与检测元件(13)相连，顶盖(2)下端与螺杆(3)连接，螺杆(3)的颈部设有限位套筒(4)，螺杆(3)的下部安装在可通入惰性气体保护的温控加热包套(5)内，钳形压头(6)装卡待测内螺纹芯头(7)，上端与螺杆(3)底端连接，置于温控加热包套(5)内的底座(10)为凹槽形内腔结构，大块非晶合金坯料、顶出杆(9)依次置于底座(10)的凹槽形内腔中，限位镶块(12)置于底座(10)的凹槽形内腔中，环绕大块非晶合金坯料，底座(10)上部径向分布至少两个测温盲孔(11)。
7、按照权利要求6所述的精密管材内螺纹芯头的无损检测装置，其特征在于：所述温控加热包套采用PLC温控加热包套。
8、按照权利要求6所述的精密管材内螺纹芯头的无损检测装置，其特征在于：所述检测元件采用配套的高倍光学显微镜或高分辨摄像头。
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