CN101975821B - 发动机旧曲轴内部缺陷的自动化超声波检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
发动机旧曲轴内部缺陷的自动化超声波检测方法及检测装置属于自动化超声波检测领域。该方法的检测步骤首先是采用曲轴探头校准试块对单晶双斜探头进行校准，确定探头的实际前倾角β、实际侧倾角β′、探头零点及曲轴的材料声速等检测参数；然后再采用曲轴自动化超声检测装置对曲轴进行检测，该检测装置包含两部分：一是曲轴夹具，用以夹持曲轴，并使曲轴匀速转动；二是超声探头夹具，用以夹持探头，并当曲轴旋转一周后，同时探头也能够对轴颈扫查一周。本方法只采用一种探头即可对轴颈和R角处的内部缺陷进行自动化检测，最大限度地提高检测可靠性和检测效率。本方法可以检测轴颈内部及R角处当量尺寸1mm以上的裂纹、夹杂、气孔等缺陷。
Description
技术领域：
本发明涉及一种针对发动机旧曲轴内部缺陷的自动化超声波检测方法及检测装置。
背景技术：
进入21世纪，保护地球环境、保持社会的可持续发展已成为世界共同关心的话题。采用先进的再制造工程技术对发生疲劳的机械零件进行修复，使其质量和性能达到或超过新品，是废旧设备升级改造的有效途径，符合可持续发展战略、建设节约型社会和发展“低碳”经济的要求。而发动机再制造是再制造工程中最典型的应用实例，曲轴是发动机的主要运动部件，承受复杂的交变载荷与冲击，经过一段时间的使用后，很容易产生疲劳裂纹。在再制造前若没有对废旧曲轴的内部质量进行检测，则不能保证再制造后曲轴的使用安全性能，因此，检测再制造前废旧曲轴的内部质量对曲轴的再制造具有重要意义。
目前，曲轴的检测多采用超声波检测方法，但废旧曲轴由于在轴颈上具有通油孔，并且在曲柄和轴颈间存在R角，常规超声波检测方法需要更换多个检测探头，且很容易漏检和误判。例如无损检测标准JB/T10554.2-2006(球墨铸铁曲轴的检测)中规定采用双晶聚焦曲轴探头检测R角处缺陷，采用凹面直探头检测轴颈内部缺陷，而曲柄内部缺陷则采用普通直探头检测，这种检测方法需要更换多个探头，而且整个检测过程都是手动进行，人为因素影响较大，势必会降低检测效率和检测精度。在这种情况下，研发针对再制造前旧曲轴内部质量的超声波检测方法及其检测装置具有重要的现实意义和紧迫性。
发明内容：
本发明的目的是提供一种发动机旧曲轴内部缺陷的自动化超声波检测方法及检测装置，用以解决目前曲轴常规超声波检测方法检测效率低，容易漏检和误检的问题。发动机旧曲轴内部缺陷的自动化超声波检测装置包括曲轴夹具和超声探头夹具两部分；曲轴夹具包括曲轴转动驱动电机、三脚夹盘、顶尖装置、头架、机座、给水箱和软管；头架固定在机座上，曲轴转动驱动电机固定在头架的一侧，三脚夹盘固定在头架的另一侧，顶尖装置在机座的滑道上，曲轴在三脚夹盘和顶尖装置之间，曲轴的小头端通过三脚夹盘固定，曲轴的大头端通过顶尖装置支撑，给水箱放置在曲轴夹具的一侧，输水软管的一端连接在给水箱上，输水软管的另一端位于超声探头夹具的正上方；超声探头夹具包括上探头套、下探头套、定位滑块、拉力弹簧、底座、悬臂梁、探头固定壳、压紧螺栓及压紧弹簧；上探头套和下探头套均为半圆环，上探头套和下探头套的一端利用合叶式的销柱进行连接，另一端用锁紧螺栓连接，在上探头套的正上方开有一个探头定位槽，探头定位槽穿透上探头套；有凹型槽的底座通过螺栓固定在上探头套靠近合叶连接的一侧，悬臂梁为一段弯曲的梁，曲率与上探头套相同，固定超声探头的探头固定壳的形状与超声探头相同，悬臂梁的一端通过螺栓与底座连接，悬臂梁的另一端通过定位销与探头固定壳连接；探头固定壳位于探头定位槽中，压紧螺栓通过螺栓孔穿过悬臂梁，探头固定壳和压紧螺栓利用压紧弹簧连接，拉力弹簧的一端与下探头套的正下方相连，拉力弹簧的另一端与定位滑块相连。
针对再制造前旧发动机曲轴，其自动化超声检测方法分以下几个步骤进行：
步骤一、根据曲轴材料和尺寸选择探头频率为2.5MHz～5MHz、晶片尺寸9mm×9mm、前倾角γ为45°～75°、侧倾角φ为10°～30°范围内的曲面单晶双斜探头，探头下表面弧度与曲轴主轴颈曲率相同。其中，单晶双斜探头是指在普通斜探头的基础上增加一个侧向倾角，使超声波向侧前方发射，这样能有效避免通油孔和R角对超声波的阻挡，实现对轴颈和R角处缺陷的检测。
步骤二、由于曲轴探头是斜向前发射声波且曲轴表面是曲面，所以普通的探头校准试块无法对该探头进行校准，需采用本发明设计的曲轴探头校准试块对探头的实际前倾角β、实际侧倾角β′、探头零点及曲轴的材料声速进行校准。曲轴探头校准试块的加工过程如下：首先选取材质与曲轴材质相同的半球形试块坯料，球面半径与主轴颈半径相同；将半球形试块坯料的圆形平面向上、球面向下放置，平行于圆形平面对球面进行切削，得到校准试块的底面，底面与圆形平面的距离比球面半径小5～10mm；在圆形平面上任取一条过圆心的直线为中心线，在圆形平面上中心线两侧选取两条与中心线平行的直线，与中心线的距离相同，比球面半径小5～15mm，沿着两条平行线垂直向下切削，得到校准试块的两个侧面；在圆形平面上取垂直于中心线并且过圆心的直线为基准线，然后，延着基准线将上表面磨削出一段顶端曲面，使得该曲面弧度与曲轴连杆轴颈表面曲率相同；再沿着与顶端曲面两侧相切的方向将试块的圆形平面切出两个侧平面；最后，将整个试块表面进行精磨，使其粗糙度达到0.5～2μm。
探头的校准方法如下：首先，将超声检测仪器设置成单探头模式，再将超声探头耦合在校准试块的顶端曲面上，选择水作为耦合剂，沿着基准线方向移动探头，找到最大回波，固定探头位置；然后，调整仪器增益值，使其显示出三次回波。采用双闸门形式，分别套住一次回波和二次回波。调整声速使二次回波与一次回波的声程差为球面直径，然后调整探头零点使一次回波声程值为球面半径，这样就可以确定材料声速、探头零点和增益；最后，将仪器设置成双探头模式，另用一小直径凹面直探头在试块的球面上进行扫查，找到最大回波，记下此时探头的位置，再根据几何尺寸算出探头的前倾角γ和侧倾角φ在试块内的折射角β角和β′角。
步骤三、将待检曲轴的小头端夹持在夹盘上，沿着导轨移动顶尖装置到合适位置，顶住曲轴的大头端。由于要进行超声检测，所以曲轴转动驱动电机的转动速度不能过快，转速在5～10r/min为宜。检测时，将上探头套和下探头套打开，套在待检的曲轴轴颈上，拧紧锁紧螺栓。然后，将定位滑块沿着机座上的燕尾槽边缘滑动，当上探头套、下探头套、拉力弹簧和定位滑块的中心线在一条直线时，拧紧定位螺栓固定定位滑块。然后，将超声探头放入探头固定壳中，调整悬臂梁与底座的角度，使得超声探头能够放入探头定位槽中，并使得压紧弹簧可以给超声探头提供一定的压力时，拧紧螺栓。最后，通过压紧螺栓适当地调节压力大小，使得超声探头与曲轴轴颈表面紧密接触以便进行检测。其中，上探头套和下探头套的直径应比曲轴主轴颈直径稍大约3～5mm。上探头套上的探头定位槽的宽度比探头宽5～10mm，长度比探头长10～20mm，这样有利于滴入耦合剂。拉力弹簧的作用是提供一定的拉力，使得上探头套、下探头套能够随着曲轴转动的同时，绕着待检轴颈进行周向运动。
步骤四、完成以上检测步骤后，通过给水箱和软管不断的向探头定位槽滴入耦合剂，使超声探头和轴颈接触表面一直保持充足的耦合剂，然后，同时启动曲轴转动驱动电机和超声波检测仪器，对曲轴进行检测。在曲轴旋转的过程中，超声探头能实时地对轴颈内部及R角处进行检测，当产生缺陷回波时，停止曲轴转动驱动电机，记录并分析缺陷回波波形，确定缺陷的种类和位置，通过当量对比法，计算出缺陷的当量尺寸。当没有缺陷回波时，探头在轴颈表面扫查一周后，停止曲轴转动驱动电机，然后重复步骤三和步骤四所述的过程，直到将整个曲轴检测完毕。
本发明方法通过采用曲面单晶双斜探头、合适的检测参数及专用的检测装置来实现自动化检测曲轴主轴颈、连杆轴颈和R角处的裂纹、气孔、夹杂等缺陷，该方法具有检测速度快、检测精度高等特点。
附图说明
图1发动机旧曲轴的自动化超声探头校准试块主视图
图2发动机旧曲轴的自动化超声探头校准试块侧视图
图3发动机旧曲轴的自动化超声检测装置示意图
图4发动机旧曲轴的自动化超声探头夹具正视图
图5发动机旧曲轴的自动化超声探头夹具俯视图
图6曲轴超声检测原理示意图
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明：实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
选择一根斯泰尔发动机的45#钢正火处理的废旧曲轴进行超声检测，整根曲轴有7个主轴颈和6个连杆轴颈。首先，选择探头频率为2.5MHz、晶片尺寸9mm×9mm、前倾角γ为45°、侧倾角φ为10°的曲面单晶双斜探头，探头的尺寸为38mm×18mm×30mm，探头下表面弧度与曲轴主轴颈曲率相同，主轴颈的直径为100mm。选择校准试块的材质为45#钢，并按照图1和图2所示的形状采用精加工方式制造，粗糙度为1.2μm。校准试块顶端曲面弧度与曲轴连杆轴颈表面曲率相同，而试块的球面半径与曲轴主轴颈半径相同，连杆轴颈与主轴颈的直径分别为82mm和100mm。将超声检测仪器设置成单探头模式，再将探头耦合在试块顶端曲面上，选择水作为耦合剂，沿着基准线方向移动探头，找到最大回波，固定探头位置；然后，调整仪器增益值为70dB，使其显示出三次回波。采用双闸门形式，分别套住一次回波和二次回波。当材料声速为3870m/s时，二次回波与一次回波的声程差为100mm。当探头零点为2.323μs时，一次回波声程值为50mm。将仪器设置成双探头模式，另用直径为8mm的凹面直探头在试块的球面上进行扫查，找到最大回波，记下此时探头的位置，再根据几何尺寸计算出探头的前倾角γ和侧倾角φ在试块内的折射角β为50°和β′为12°。通过以上校准方式得到的检测参数为：增益值为70dB、材料声速为3870m/s、探头零点为2.323μs、β为50°、β′为12°。发动机旧曲轴的自动化超声检测装置如图3所示，将待检曲轴一端夹持在三脚夹盘上，沿着导轨移动顶尖装置到合适位置，用于支撑曲轴，选择电机的转速为5r/min。图4和图5所示的是曲轴超声探头夹具，检测时，将上探头套和下探头套打开，套在待检的曲轴轴颈上，拧紧锁紧螺栓。然后，将定位滑块沿着机座上的燕尾槽边缘滑动，当上探头套、下探头套、拉力弹簧和定位滑块的中心线在一条直线时，拧紧定位螺栓固定定位滑块。再将超声探头放入探头固定壳中，调整悬臂梁与底座的角度为45°，使得超声探头放入探头定位槽中，并使得压紧弹簧可以给超声探头提供一定的压力，然后拧紧螺栓。其中，上探头套、下探头套的直径为103mm，上探头套上的探头定位槽的尺寸为50mm×25mm，定位槽的边缘与上探头边缘的最近距离为10mm。通过压紧螺栓适当地调节压力大小，使得超声探头与曲轴轴颈表面紧密接触以便进行检测。通过给水箱和软管不断的向探头定位槽滴入耦合剂，然后，同时启动曲轴转动驱动电机和超声波检测仪器，对曲轴进行检测。在曲轴旋转的过程中，超声探头能实时地对轴颈内部及R角处进行检测，检测原理如图6所示，R角指的是处于轴颈和曲臂之间的过渡圆角，超声探头放在轴颈的表面就可以检测出轴颈及R角内部的缺陷的位置，计算公式如下：
PN＝EP×sinβ′ (1)
MP＝QN＝EN×sinβ＝EP×cosβ′×sinβ (2)
EQ＝EN×cosβ＝EP×cosβ′×cosβ (3)
式中实际前倾角β、实际侧倾角β′和声程EP是已知的，通过公式(1)、公式(2)和公式(3)的几何计算就可测出内部缺陷的具体位置。当产生缺陷回波时，停止曲轴转动驱动电机，记录并分析缺陷回波波形，确定缺陷的种类和位置，通过当量对比法，计算出缺陷的当量尺寸。当没有缺陷回波时，探头在轴颈表面扫查一周后，停止曲轴转动驱动电机，然后重复上述检测过程，将整个曲轴检测完毕。通过检测，发现在该曲轴连杆轴颈的R角下方6mm处存在当量尺寸为2mm的夹杂缺陷，并通过金相分析验证了检测结果。
本方法的优点在于只采用一种探头即可对轴颈和R角处的缺陷进行自动化检测，最大限度地提高检测的可靠性和检测效率。应用本发明就可在再制造前对退役曲轴进行检测，提高再制造曲轴的安全性，降低报废率，符合再制造工程的需求。
Claims (3)
1.发动机旧曲轴内部缺陷的自动化超声波检测装置，其特征在于：自动化超声波检测装置包括曲轴夹具和超声探头夹具两部分；曲轴夹具包括曲轴转动驱动电机(1)、三脚夹盘(4)、顶尖装置(6)、头架(3)、机座(2)、给水箱(22)和软管(23)；头架(3)固定在机座(2)上，曲轴转动驱动电机(1)固定在头架(3)的一侧，三脚夹盘(4)固定在头架(3)的另一侧，顶尖装置(6)在机座(2)的滑道上，曲轴(5)在三脚夹盘(4)和顶尖装置(6)之间，曲轴(5)的小头端通过三脚夹盘(4)固定，曲轴(5)的大头端通过顶尖装置(6)支撑，给水箱(22)放置在曲轴夹具的一侧，输水软管(23)的一端连接在给水箱(22)上，输水软管(23)的另一端位于超声探头夹具的正上方；超声探头夹具包括上探头套(7)、下探头套(8)、定位滑块(20)、拉力弹簧(19)、底座(11)、悬臂梁(13)、探头固定壳(14)、压紧螺栓(15)及压紧弹簧(16)；上探头套(7)和下探头套(8)均为半圆环，上探头套(7)和下探头套(8)的一端利用合叶式的销柱(9)进行连接，另一端用锁紧螺栓(10)连接，在上探头套(7)的正上方开有一个探头定位槽(18)，探头定位槽(18)穿透上探头套(7)；有凹型槽的底座(11)通过螺栓固定在上探头套(7)靠近合叶连接的一侧，悬臂梁(13)为一段弯曲的梁，曲率与上探头套(7)相同，固定超声探头(26)的探头固定壳(14)的形状与超声探头(26)相同，悬臂梁(13)的一端通过螺栓(12)与底座(11)连接，悬臂梁(13)的另一端通过定位销(17)与探头固定壳(14)连接；探头固定壳(14)位于探头定位槽(18)中，压紧螺栓(15)通过螺栓孔穿过悬臂梁(13)，探头固定壳(14)和压紧螺栓(15)利用压紧弹簧(16)连接，拉力弹簧(19)的一端与下探头套(8)的正下方相连，拉力弹簧(19)的另一端与定位滑块(20)相连。
2.应用权利要求1所述发动机旧曲轴内部缺陷的自动化超声波检测装置进行检测的方法，其特征在于，针对发动机旧曲轴内部缺陷的自动化超声波检测步骤如下：
首先，根据曲轴材料和尺寸选择探头频率为2.5MHz～5MHz、晶片尺寸9mm×9mm、前倾角γ为45°～75°、侧倾角φ为10°～30°范围内的曲面单晶双斜探头作为超声探头，超声探头(26)下表面弧度与曲轴主轴颈曲率相同；其次，采用曲轴探头校准试块对探头的实际前倾角β、实际侧倾角β′、探头零点及曲轴的材料声速进行校准；然后，将曲轴(5)和超声探头(26)装配到检测装置上，调整好相对位置，并通过给水箱(22)和输水软管(23)在待检曲轴轴颈表面滴入水作为耦合剂；最后，同时启动检测装置旋转按钮和超声检测仪器，对曲轴的轴颈(24)内部和处于轴颈(24)及曲臂(25)之间的R角内部的缺陷进行检测；
自动化检测旧曲轴时，将上探头套(7)和下探头套(8)打开，套在待检的曲轴轴颈上，拧紧锁紧螺栓(10)；然后，将定位滑块(20)沿着机座(2)上的燕尾槽边缘滑动，当上探头套(7)、下探头套(8)、拉力弹簧(19)和定位滑块(20)的中心线在一条直线时，拧紧定位螺栓(21)固定定位滑块(20)；然后，将超声探头放入探头固定壳(14)中，调整悬臂梁(13)与底座(11)的角度，使得超声探头能够放入探头定位槽(18)中，当压紧弹簧(16)可以给超声探头提供一定的压力时，拧紧螺栓(12)；最后，通过压紧螺栓(15)调节压力使得超声探头与曲轴轴颈表面紧密接触以便进行检测；
所述的曲轴探头校准试块的加工过程如下：首先选取材质与曲轴材质相同的半球形试块坯料，球面半径与主轴颈半径相同；将半球形试块坯料的圆形平面向上、球面向下放置，平行于圆形平面对球面进行切削，得到校准试块的底面；在圆形平面上任取一条过圆心的直线为中心线，在圆形平面上中心线两侧选取两条与中心线平行的直线，其与中心线的距离相同，沿着两条平行线垂直向下切削，得到校准试块的两个侧面；在圆形平面上取垂直于中心线并且过圆心的直线为基准线，然后，沿着基准线将上表面磨削出一段顶端曲面，使得该曲面弧度与曲轴连杆轴颈表面曲率相同；再沿着与顶端曲面两侧相切的方向将试块的圆形平面切出两个侧平面；最后，将整个试块表面进行精磨，使其粗糙度达到0.5～2μm。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，曲轴超声探头校准方法及步骤如下：首先，将超声检测仪器设置成单探头模式，再将超声探头耦合在校准试块的顶端曲面上，沿着基准线方向移动探头，找到最大回波，固定探头位置；然后，调整仪器增益值，使其显示出三次回波；采用双闸门形式，分别套住一次回波和二次回波；调整声速使二次回波与一次回波的声程差为球面直径，然后调整探头零点使一次回波声程值为球面半径，这样就可以确定材料声速、探头零点和增益；最后，将仪器设置成双探头模式，另用一小直径凹面直探头在试块的球面上进行扫查，找到最大回波，记下此时探头的位置，再根据几何尺寸算出探头的前倾角γ和侧倾角φ在试块内的折射角β角和β′角。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20111221 Termination date: 20120903 |