CN101122581B - 改进已制成的机器零件锻件的超声检查覆盖范围的方法 - Google Patents

Abstract

为了改进已制成的机器零件(403)的超声检查覆盖范围，本发明提供了一种用于改进已制成的机器零件(403)锻件的超声检查的方法。围绕机器零件锻件以直圆柱体形状构造锻件包封(401)。随后，可以在锻造方向将大约等于2倍的超声检查设备波长的材料添加到锻件包封(401)中。如果锻件不能在锻造方向从相对的表面进行超声检查，则可以随后将等于换能器死区尺寸的额外材料添加到锻件包封(401)的检查表面。最后，可以在垂直于锻造方向的方向将等于换能器(409)占地面积加上突变边缘半径的材料添加到锻件包封中。

Description

改进已制成的机器零件锻件的超声检查覆盖范围的方法

技术领域

本申请通常涉及为形成机械加工的零件而产生锻件包封(forgingenvelope)，其允许超声检查覆盖范围来检测已制成零件内的缺陷。

背景技术

设计锻件需要构造锻件包封，以便从该锻件机械加工成的已完成机器零件的所有体积在适当的方向并以指定的灵敏度接受超声检查，以确保检测到在铸块熔化、锻造和热处理过程中有可能引入的内部缺陷。额外的材料必须被添加到已制成的机器零件形状以构造一铸件形状，其考虑到各种换能器死区和几何边界反射，这些边界反射阻碍了采用超声检测法进行的缺陷检测。

在当前存在的系统中，额外的材料通常被添加到锻件中以允许可能出现的机械加工误差和处理缺陷。为航空和航天工业制造的锻件采用液浸超声检测法进行检查，其通过在水中脉动换能器而减少了换能器死区。水用于在声音进入锻件前，耗尽换能器死区。然而，仍然存在可能防碍靠近锻件表面的缺陷检测的大界面反射。在现有的系统中，常见的就是设计包括足够多材料的锻件，以允许这种大信号响应在声音进入已制成的机器零件前渐渐消失。这些锻件通常采用高换能器振荡频率以及聚焦束进行检测，这减少了由于水-金属界面而引起的死区。

然而，这些液浸技术不能有效地用于较大尺寸的锻件。例如，在现有的系统中，为发电应用而设计的大锻件通常采用接触式超声方法进行检查，其中，换能器直接耦合到锻件。这是由于锻件较重的重量和尺寸将需要大得多的浸入箱和零件操作设备，这样不节省成本。通常使用较低的换能器振荡频率和未聚焦的探头，这是因为锻件的尺寸需要更高的声传输能量进入锻件中，以补偿增加的衰减并且在可接受的时间范围内扫描大零件。

现存系统具有的另一问题就是当在锻件包封中包含台阶以减小锻件的重量和成本时，这些台阶可能干扰超声检测并引入不能被检查的区域。在轴向锻造的盘型锻件上，需要在锻件每一侧上正确对准这些台阶，从而使较少区域被超声检测所遗漏。在径向锻造的长圆柱形锻件上，这些台阶可以在超声检测期间被重新机械加工，以获得改进的检查覆盖范围。

问题是，对于在轴向锻造和检测的盘形锻件而言，由于锻件包封中的台阶而必须被添加的额外原料量被忽视，并且不能将小缺陷从大的后壁反射中分离出来。这些锻件有时也在两个相反的轴向被检测，而没有充分考虑到由于较大后壁回波中较小缺陷响应的分辨率而产生的死区。

因此，需要这样一种系统和方法，其用于确定将额外材料正确应用到锻件包封，以便为该锻件产生实现改进的超声检查覆盖范围所需的几何形状。

发明内容

本发明通过这样一种系统和方法而实现了上面列出的这些需要，其可以改进锻件形状设计，以实现改进的超声检查覆盖范围。本发明这样做的方法提供了比现有技术的方法大得多的检查覆盖范围，并且从检查中提供了更加精确的结果。

在熔化和锻造过程中可能产生许多类型的缺陷。这些可以包括与熔化相关的夹杂物和化学偏析、锻件暴裂和折痕、热处理淬裂等。与熔化相关的缺陷趋于在锻造过程中将自身与材料流线对准，而锻造缺陷趋于多方向的。为了使超声检测最有效，声束的方向应当垂直于缺陷的取向。而且，超声换能器的中心线被定位在锻件包封上，从而使已制成的机器零件的整个体积在主要方向上被沿着换能器轴的超声束的最大能量点扫描。添加额外的材料构造锻件包封必须考虑靠锻造过程和材料流线，以便超声检测在最有效的方向进行缺陷检测。该方向通常与最后的锻造操作方向相同。

与最无损检测模式一样，超声检测具有内在的局限性，这可能限制了其在特定条件下检测缺陷的能力。靠近锻件边缘，情况尤其如此，在锻件边缘不能将来自部件内缺陷的声能的少量反射从来自被测机械加工零件的壁反射的声能的大得多的内部反射中分辨出来。此外，在表面下直接被检测的是材料体，通常称为换能器死区，在这里由于零件表面的大界面反射、探针的几何限制或者与换能器或仪器保护电路的起始脉冲有关的恢复时间，缺陷不能被检测。换能器死区也通常称为起始脉冲长度。

为了增强制成的机械加工零件的超声检测覆盖范围，本发明提供了一种修改已制成的机器零件锻件以进行超声检查的方法。锻件包封可以被构造成围绕机器零件锻件的直圆柱体形状。随后，可以在锻造方向将大约等于超声检查设备波长的2倍的材料添加到锻件包封中。如果不能在锻造方向从两个相对的表面超声检查锻件，则随后可以将等于换能器死区的尺寸的额外的材料添加到锻件包封的检查表面。最后，可以在垂直于锻造方向的方向将等于换能器占地面积加上突变边缘半径的材料添加到锻件包封中。

附图说明

图1描述了根据本发明一种实施例的用于改进超声检测覆盖范围的一种方法。

图2描述了根据本发明一种实施例的用于改进超声检测覆盖范围的第二种方法。

图3描述了能够根据本发明一个方面操作的计算机方框图。

图4描述了根据本发明一种实施例的锻件包封实例。

具体实施方式

现在将参照附图在下文中更加全面地描述本发明，其中显示了本发明的一些并非是所有的实施例。实际上，这些发明可以被包含在许多不同的形式中，不能被解释为限定于在这里阐明的实施例；而是，提供这些实施例以便本发明将满足适用的法律要件。文中相同的数字表示相同的部件。

下面参照根据本发明一种实施例的系统、方法、设备和计算机程序产品的方框图和流程图来描述本发明。将要理解，方框图和流程图中的每一方框以及方框图和流程图中的方框组合可以分别被计算机程序指令所执行。这些计算机程序指令可以被加载到通用目的的计算机、特殊目的的计算机、CAD系统或其它可编程的数据处理设备上，以生产机器，使得在计算机或其它可编程的数据处理设备上执行的指令产生用于执行在流程图方框中详细说明的功能的部件。

这些计算机程序指令也可以储存在计算机可读存储器中，其可以引导计算机或其它可编程的数据处理设备以特定的方式发挥作用，使得储存在计算机可读存储器中的指令产生一件产品，该产品包括执行在流程图方框中详细说明的功能的指令部件。计算机程序指令也可以被加载到计算机或其它可编程的数据处理设备中，产生一系列在计算机或其它可编程设备上执行的操作步骤，以产生计算机执行的过程，使得在计算机或其它可编程设备上执行的指令提供用于执行在流程图方框中详细说明的功能的步骤。

因此，方框图和流程图的方框支持执行特定功能的部件组合、执行特定功能的步骤组合以及执行特定功能的程序指令部件。也将理解，方框图和流程图中的每一方框以及方框图和流程图中的方框组合，可以由执行所述特定功能或步骤的、特殊目的的基于硬件的计算机系统执行，或者由特殊目的的硬件和计算机指令的组合执行。

在本发明的一种实施例中，为了改进锻件包封的形状以使其重量较轻并改进已制成的机器零件的超声覆盖范围，在可行的时候改变锻件的直径以匹配已制成的机器形状。锻件直径的改变被称为一个台阶。锻件包封应当被设计成确保台阶被定位成使得来自锻件后壁的大反射不延伸到已制成的机器零件中，该大反射可能有效地屏蔽来自缺陷的反射。

本发明相对于现有技术的方法和系统的一个优势在于该过程可以很容易自动化。本发明使所述过程自动化的内在优势包括减少人为误差的机会，所述人为误差可能会引起锻件的某些区域未接受到足够的超声检查覆盖范围，并且可能得不到重量最轻的锻件。而且，应用在本发明中的设计规则基于超声检测系统的可容易测量的参数。

本发明考虑一种方法，其中通过应用一套连续的设计规则而产生锻件包封。这些设计规则被应用到所期望的完成的机械加工的零件形状上。应当理解，该方法可以很容易采用公知的CAD软件包而程序化。

本发明基于与锻造过程、锻件形状和其它可应用的超声检测参数有关的几个因素。首先，假定超声传播的方向基于锻造方向。为了保持垂直于锻造流线，来自换能器的声音方向必须与材料被锻造的方向相同。对于盘型锻件，该方向为轴向。

第二，有四个与超声检测有关的可应用参数，必须包括到设计规则中。这些在本文中被称为换能器死区、超声波长、超声束宽度和换能器占地面积(footprint)。

换能器死区参数由超声检测期间起始脉冲遮蔽的金属深度确定。一旦超声检测仪器被校准了检测距离和扫描灵敏度，起始脉冲的长度为这样的深度，在该深度处起始脉冲的后沿幅度减少到高于整个屏幕高度的十分之一或材料的声学噪音水平幅度。

超声波长参数表示由超声换能器产生的超声波的波长，采用锻件内的声速和超声波的中心或峰频率之一测量。这种确定表示为超声波长＝声速/波频率。

类似地，超声束宽度代表超声束的横向尺寸，从换能器的中心线到波束的有效边缘测量。在本发明的优选实施例中，波束的有效边缘应当采用阶状试块(step block)测量。如果未进行或不能进行这种测量，作为通用规则，该参数值可以通过计算针对声压场的第一最小值测得的束宽度的两倍的结果，而近似得到。对于圆形换能器，该数值等于[(2.44*超声波长)/换能器直径]*声路距离。声路距离被定义为台阶和相对的检查表面之间的最小轴向尺寸。

换能器占地面积对应于从换能器中心到其边缘测得的距离。如果换能器包含在固定器中，则从换能器中心到固定器测量该距离。

为改进已制成的机械加工零件的超声检测覆盖范围，本发明将采用以上参数的一套连续的设计规则应用到已制成的机械加工形状，以产生改进的锻件形状，使其具有较轻的重量，并且允许在锻造方向上具有改进的检测覆盖范围。

在本发明的一种实施例中，该过程始于最后机械加工的零件形状。从该形状开始，以连续的顺序应用一套三类规则。这些可以被称为覆盖原料规则、边界规则和台阶规则。覆盖原料规则为可在锻造或检测方向应用的规则。边界规则为可在锻造或检测方向的横向应用的规则。台阶规则为可在锻件台阶处应用的规则。

覆盖原料规则使用的超声检测参数为换能器死区和波长，以确保在锻件的锻造方向改进超声检查覆盖范围。该锻造方向也公知为检测方向。始于最后的形状，包封被构造成围绕最后的机械加工零件形状的直圆柱体形状，在检测方向添加等于超声波长的2倍的额外材料。这使得接近与换能器位置相对的壁的缺陷可以分辨。

如果可以在检测方向从两个相对的表面检查锻件，并且锻件的厚度大于换能器死区的2倍，则不需要应用额外的材料来满足覆盖原料规则的要求。如果这两个要求任一个未被满足，则必须将额外的材料添加到等于死区尺寸的检查表面上。

在本发明的一种实施例中，在应用覆盖原料规则之后应用边界规则。边界规则使用了换能器的占地面积以确保在检测方向横向上的超声检查覆盖范围得到改善。从自覆盖原料规则产生的形状继续，可以在垂直于检测方向的方向添加额外的材料。添加的额外材料的量等于锻件终止半径(end radius)加上换能器占地面积。所述终止半径通常被本领域技术人员称为突变边缘半径(break edgeradius)。

在本发明的一种实施例中，在应用边界规则之后应用台阶规则。当已完成的机械加工形状的横截面积有变化时，可应用台阶规则，使得锻件包封的变化可以通过将台阶引入锻件实现。如上所讨论的，台阶指锻件直径的变化。台阶规则仅应用于在轴向锻造和检测的锻件，如盘型锻件。所述锻件通常被用于制造基于陆地的燃气轮机和飞行器发动机。用于所述锻件的材料通常可以包括但不局限于Alloy 706、Alloy718、CrMoV、NiCrMoV和％12Cr不锈钢。

台阶规则的应用涉及三个独立规则。要应用的这些规则中的第一个为左右(side-to-side)偏移规则。该规则的应用需要使台阶可以被定位的径向位置基于锻件相对侧的几何。除非从相反的方向检查锻件，任何台阶将阻碍最后零件的超声检查得到改进。当锻件在相反的方向被检测时，台阶不能被定位在锻件两侧上的相同径向位置，这是因为在该转变处存在遗漏的检查覆盖范围，换能器在这里由于台阶而不能被放置在锻件表面上。

为避免该问题，在本发明的一种实施例中，台阶左右径向偏移的尺寸被计算为或大约为：偏移＝(2*换能器占地面积)+转变半径+突变边缘半径。在上述公式中，转变半径等于台阶表面之间的机械加工半径。

意识到，台阶干扰从一个表面进行的检查，即使从相对侧检查锻件块体也是如此，这是由于位于换能器死区的材料从该侧将不被检查。因此，随后应用第二规则以确保已制成的机械加工零件将不位于与台阶相对的区域中，其具有下面描述的轴向和径向尺寸。轴向尺寸等于换能器死区。径向尺寸被确定为或大约为：(2*换能器占地面积)+转变半径+突变边缘半径。

最后，可以在本发明的某些实施例中应用第三台阶规则。在锻件包封中引入台阶可能产生后壁回波，其可能由于换能器的束宽而延伸进入最终零件形状中。为确保后壁回波不干扰靠近台阶的缺陷的检测，已制成的机械加工零件必须不位于用于从锻件的相对侧进行检查的换能器的超声束宽度内。如果台阶转变的轴向尺寸大于换能器死区，则通常不应用该规则。

图1描述了本发明一种实施例的操作。该方法始于步骤101，其中，锻件包封被构造成围绕已制成机器零件的直圆柱体形状。该方法接着前进到步骤103，其中，将额外的材料在锻造方向添加到锻件包封中。在锻造方向添加的额外材料量大约等于超声检查设备波长的2倍。

在完成步骤103之后，该方法前进到步骤105。在步骤105，确定锻件包封是否可以在锻造方向从两个相对的表面进行超声检查。如果确定锻件包封可以在锻造方向从两个相对的表面进行超声检查，则该方法前进到步骤109。如果确定锻件包封不可以在锻造方向从两个相对的表面进行超声检查，则该方法前进到步骤107。在步骤107将额外的材料添加到锻件包封的检查表面。在步骤107添加的额外材料量等于换能器死区的尺寸。在完成步骤107后，该方法前进到步骤109。

在步骤109，在锻件包封上再施加额外的材料。在垂直于锻造方向的方向添加该材料。添加的材料量等于换能器的占地面积加上突变边缘半径。随后，该方法前进到步骤111。在步骤111，确定已完成的机器形状在横截面积上是否有变化，以便锻件包封中的变化可以通过将台阶引入锻件而生成。通常，仅对于在轴向锻造和检测的锻件，诸如常用于基于陆地的燃气涡轮和飞行器发动机的盘型锻件，肯定地得出该决定。

如果在步骤111确定已完成的机器形状在横截面积上有变化，使得锻件包封中的变化可以通过引入台阶到锻件而生成，则该方法前进到图2中描述并如下讨论的步骤201。如果在步骤111确定已完成的机器形状在横截面积上无变化，使得锻件包封中的变化可以通过引入台阶到锻件而生成，则该方法终止于步骤113。

图2描述了本发明一种实施例的操作方法。该方法始于步骤201，基于在上述步骤113作出的肯定决定而到达该点。该方法接下来前进到步骤203，在该步骤中，台阶在锻件包封中径向偏移一尺寸，该尺寸大约等于2*换能器占地面积+转变半径+突变边缘半径。转变半径为台阶表面之间的机械加工半径。

随后，该方法前进到步骤205，在那里已制成的机器零件被定位，使得它不位于面对台阶的区域内，其轴向尺寸等于换能器死区，并且径向尺寸大约等于2*换能器占地面积+转变半径+突变边缘半径。转变半径为台阶表面之间的机械加工半径。

接下来，该方法前进到步骤207，其中，确定台阶转变的轴向尺寸是否大于换能器死区。如果确定台阶转变的轴向尺寸大于换能器死区，则该方法前进到步骤211并结束。然而，如果在步骤207确定台阶转变的轴向尺寸不大于换能器死区，则该方法前进到步骤209。

在步骤209，定位已制成的机器零件，使得该零件不位于用于从锻件的相对侧进行检查的换能器的超声束宽度内。接着，该方法终止于步骤211。可以理解，上面参照图1-2描述的每一种方法都可以通过计算机软件和/或硬件执行，如接下来参照图3所描述的那样。图3显示了根据本发明一个方面的计算机70的方框图。计算机70通常包括处理器72、操作系统74、存储器(memoruy)76、输入/输出(I/O)接口82、存储设备(storage)84和总线80。总线80包括数据和地址总线，以便于在处理器72、操作系统74和模块70中的其它元件(包括存储器76、输入/输出(I/O)接口82和存储设备84之间进行通信。处理器72执行操作系统74，并且处理器72和操作系统74均可用于执行计算机70实现的功能，包括储存在存储器76中的软件应用，这是本领域所公知的。特别是，为了执行本文参照图1和2所描述的方法，处理器72和操作系统74可以与I/O接口82一起使用，以获得由系统操作者所提供的输入值。根据本发明的一个方面，存储器76可以包括一种或多种算法，用于执行以上参照图1和2所描述的方法和过程。

可以理解，存储器76可以包括随机存取存储器、只读存储器、硬盘驱动器、软盘驱动器、CD-ROM驱动器或光盘驱动器，用于将信息存储在各种计算机可读介质上，如硬盘、可移动的磁盘或CD-ROM盘。通常，存储器76通过I/O接口82来接收由计算机70输入或接收的信息，包括在本发明的实施例中描述的规则应用中所使用的各种参数。利用它接收的信息，存储器76执行上面参照图1和2详细描述的方法，以便为锻件包封计算正确的参数，其将允许改进已制成的机械加工零件的超声检查覆盖范围。因此，存储器76执行参数的计算、将参数与标准相比较、处理信息等，这是执行本文中描述的方法所需要的。

计算机70的存储设备84通过适当的接口而连接到总线80，该存储设备可以包括随机存取存储器、只读存储器、硬盘驱动器、软盘驱动器、CD-ROM驱动器或光盘驱动器，用于将信息存储在各种计算机可读介质上，如硬盘、可移动的磁盘或CD-ROM盘。通常，存储设备84的目的是向计算机70提供非易失存储。该存储设备可以包括一种或多种标准，可以将计算的参数与其进行对比。

重要的是注意，上面针对存储器76和存储设备84描述的计算机可读介质可以由本领域公知的任何一种其它类型的计算机可读介质替代。这些介质包括例如磁带、闪存卡、数字视频盘和Bernoulli盒式磁带。本领域的普通技术人员也将理解，一种或多种计算机70的元件可以在地理上远离其它的计算机70元件而定位。

也应当理解，图3中显示的元件支持用于执行本文描述的特定功能的装置组合。如上所指出的，也将理解上述每一种方法，包括参照图1和2所描述的过程和计算，可以由特殊目的的基于硬件的计算机系统所执行，其执行特定的功能或步骤、或特殊目的的硬件和计算机指令的组合。例如，在本发明的一种实施例中，描述的方法可以通过CAD计算机系统而应用。而且，计算机70可以实现为计算机可读存储介质上的计算机程序产品或数据处理系统，该计算机可读存储介质具有包含在该存储介质中的计算机可读程序代码装置。可以使用任何适当的计算机可读存储介质，包括硬盘、CD-ROM、DVD、光学存储设备或磁性存储设备。此外，尽管单独图示在图3中，计算机70的每一元件可以和计算机70内的其它元件组合以执行本文描述的功能。因此，计算机70可以采用完全硬件的形式、完全软件的形式或软件和硬件组合的形式(例如固件)。

图4描述了根据本发明一种实施例的锻件包封401的实例。包封401始于已制成的机械加工零件形状403并包括许多台阶407。在该特定的实例中，确保已制成的机器零件形状403不位于与台阶407相对的区域405中，其轴向尺寸等于换能器死区，并且径向尺寸等于2倍的换能器占地面积加上转变半径加上突变边缘半径，其中，转变半径为台阶表面之间的机械加工半径。

此外，如果台阶转变的轴向尺寸不大于换能器死区，则确保已制成的机器零件403不位于区域409中，区域409包括用于从锻件401的相对侧进行检查的换能器的超声束宽。在该实例中，假定台阶转变的轴向尺寸不大于换能器死区。

本领域技术人员可以想到与本发明相关的在本文中描述的本发明的许多修改和其它实施例，它们具有在前述说明书和有关附件中提到的教诲的益处。因此，应当理解，本发明不局限于公开的特定实施例，并且修改和其它实施例应当包括在本发明公开的范围内。尽管本文中采用了特定的术语，它们仅是一般性和描述性的使用，并非用于进行限制。

附图标记列表

70模块/计算机

72处理器

74操作系统

76存储器

80总线

82输入/输出

84存储设备

101步骤101

103步骤103

105步骤105

107步骤107

109步骤109

111步骤111

113步骤113

201步骤201

203步骤203

205步骤205

207步骤207

209步骤209

211步骤211

401锻件包封

403完成的机器部件/零件

405与机械加工台阶相对的区域，轴向尺寸等于换能器死区，径向尺寸等于两倍的换能器占地面积加转变半径加突变边缘半径

407机械加工的台阶

409由换能器超声束宽度构成的区域

Claims (5)

1.一种改进已制成的机器零件(403)锻件的超声检查的方法，该方法包括以下步骤：

以围绕机器零件(403)锻件的直圆柱体形状构造锻件包封(401)；

在锻造方向将大约等于超声检查设备波长的2倍的材料添加到该锻件包封(401)；

如果不能在锻造方向上从两个相对的表面对该锻件进行超声检测，将等于换能器死区尺寸的额外材料添加到锻件包封(401)的检查表面，以及

在垂直于锻造方向的方向将等于换能器占地面积加上突变边缘半径的额外材料添加到锻件包封(401)，

其中，换能器占地面积对应于从换能器中心到其边缘测得的距离。

2.根据权利要求1的方法，还包括步骤：

将锻件包封(401)中的台阶(407)径向偏移一尺寸，该尺寸大约等于2倍的换能器占地面积加上转变半径加上突变边缘半径，其中，转变半径为台阶(407)表面之间的机械加工半径；

确定已制成的机器零件(403)不位于与台阶相对的区域(405)中，其轴向尺寸等于换能器死区，并且径向尺寸等于2倍的换能器占地面积加上转变半径加上突变边缘半径，其中，转变半径为台阶(407)表面之间的机械加工半径；

如果台阶(407)转变的轴向尺寸不大于换能器(409)死区，确保已制成的机器零件(403)不位于用于从锻件相对侧进行检查的换能器的超声束宽度内。

3.根据权利要求2的方法，其中，已制成的机器零件锻件在横截面积上有变化，使得锻件包封(401)中的变化可以通过将台阶引入锻件而生成。

4.根据权利要求3的方法，其中，锻件在轴向被锻造和检测。

5.根据权利要求3的方法，其中，锻件为圆盘型锻件。

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