CN103760102A - 再制造零部件铁磁性涂层结合强度检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种再制造零部件铁磁性涂层结合强度检测仪，包括载荷驱动机构、控制装置、检测装置和支撑机构，载荷驱动机构包括作为动力装置的伺服电机、传动机构和与传动机构连接的压头组件，伺服电机安装在驱动机构外壳的一端面上，传动机构包括螺杆，螺杆与伺服电机连接、螺母活动套，螺母活动套一侧依次设有压簧、承压环形垫片、测力传感器；测力传感器一侧与压头座邻接，压头座嵌装有压头组件，压头组件尖端嵌有压头，螺母活动套和承压环形垫片以周向固定轴向滑动的方式安装在驱动机构外壳内；检测装置包括测力传感器、载物平台上的磁记忆探头以及与磁记忆信号采集装置；控制装置控制伺服电机的运转。优点是：本发明结构简单、检测准确稳定。

Description

再制造零部件铁磁性涂层结合强度检测仪

技术领域

本专利属于再制造的检测技术领域，特别是涉及一种再制造零部件铁磁性涂层结合强度检测仪。

背景技术

再制造（Remanufacture）就是让旧的机器设备重新焕发生命活力的过程。它以旧的机器设备为毛坯(Core)，采用专门的工艺和技术，在原有制造的基础上进行一次新的制造，而且重新制造出来的产品无论是性能还是质量都不亚于原先的新品。再制造工程是以表面工程技术为主要方法修复废旧零件，达到新品、甚至超越新品性能的一系列技术措施。涂层技术作为表面工程技术中广泛应用的一项而被用于工业生产中。其喷涂粒子以熔融或半熔融形式高速撞击基体表面产生变形、镶嵌填补，最终咬合在基体材料表面，形成机械锚合连接，辅以局部的微冶金结合，只能获得相对较好的涂层界面结合强度。由于再制造零件涂层界面存在相当程度的组织缺陷，并且服役工程中首先受到外载荷的作用，因此，涂层界面结合强度的优劣就成为决定再制造零件质量好坏的重要因素。再制造的工程实践迫切需要能够在生产现场对具有各种形状、各种尺寸的再制造零件的表面涂层结合强度测量方法。

目前应用最为广泛的涂层材料主要是铁基、镍基、钴基、稀土合金等铁磁性材料。而对于实际的现场测试，测量方法除了要保证测量精度以外，还应满足一些特殊的要求：对基体零件的形状不太敏感，喷涂零件的形状可能会多种多样，可用于现场测量的方法应具备对多数形状的喷涂层都可以测定的能力；不损伤基体，大大缩短再制造产品的寿命周期；测量过程应操作简单便捷，由于涂层质量的不均匀性，需要多次测量取均值，以得到准确的测量值，这就要求测量过程容易更换压头、装卸试样等操作和控制。

目前被广泛使用的测量涂层结合强度的技术却难以满足以上要求，例如拉伸法只能进行标准试样的拉伸试验，不能直接检测零件，且不适合评价高结合强度的涂层；剪切法常用于测量较厚涂层与基体的界面剪切强度，其同样受到基体材料形状的限制；弯曲法测涂层结合强度中较为常见的是悬臂梁弯曲、三点弯曲和四点弯曲，这种方法对于形状较为复杂的再制造零件表面涂层无能为力；划痕法近年来得到了广泛使用，这种方法对试样的制作没有严格要求，操作十分方便，但主要是用于评价薄膜，并不适合于较厚的喷涂层；动态测量法对试样的形状尺寸的要求更为严格，更加不适合现场评价结合强度。以声发射作为检测装置的再制造涂层结合强度检测仪，利用了压入装置和声发射检测裂纹萌生的特点，主要针对脆硬性陶瓷材料、金属陶瓷材料等涂层，而不能有效检测绝大多数韧性铁磁性金属涂层。

由于热喷涂层成形过程中不可避免地存在着孔隙、微裂纹、未熔颗粒等缺陷。而铁磁性涂层多用于重载机械零部件的修复中，即使利用激光熔敷、表面喷熔等技术制备的涂层仍会存在少量孔隙和微裂纹。现有的声发射等无损检测仪器在检测韧性涂层的压入破坏试验时，由于涂层塑性变形较大，尽管压入深度很大，甚至压坏基体，仍无法实现涂层界面的断裂失效有效采集，所以，也无法适用于重载条件下的再制造零件铁磁性涂层结合强度的测量。

发明内容

本专利为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种再制造零部件铁磁性涂层结合强度检测仪，该检测仪结构简单、检测准确稳定。

一种再制造零部件铁磁性涂层结合强度检测仪，包括载荷驱动机构、控制装置、检测装置和支撑机构，其特征在于：

所述载荷驱动机构包括作为动力装置的伺服电机、传动机构和与传动机构连接的压头组件，所述伺服电机安装在驱动机构外壳的一端面上，所述传动机构包括：

螺杆，所述螺杆的一端与伺服电机通过联轴器连接，

螺母活动套，螺纹连接在螺杆上，

螺母活动套依次与压簧、承压环形垫片、环形载荷垫圈测力传感器；

所述环形载荷垫圈测力传感器一侧面与压头座邻接，压头座具有一凹陷部，凹陷部内嵌装有压头组件，压头组件的尖端嵌有压头，所述压头座被固定安装在驱动机构外壳内的环形螺母限位，所述螺母活动套和承压环形垫片以周向固定轴向滑动的方式安装在驱动机构外壳内；

所述支撑机构包括可升降支撑柱和载物平台，所述可升降支撑柱由支撑横柱和支撑立柱构成，所述支撑横柱一端安装有载荷驱动机构，另一端安装于升降立柱上，所述可升降支撑柱安装于底座之上，载物平台安装在底座上的载荷驱动机构下方；

所述检测装置包括设置于驱动机构外壳之内的环形载荷垫圈测力传感器、设置于载物平台上的磁记忆探头以及与磁记忆探头电连接的磁记忆信号采集装置；

所述控制装置控制伺服电机的运转。

本专利还可以采用以下技术方案：

优选的，所述载物平台以可围绕其内部非圆心轴转动的方式安装于底座上。

本专利具有的优点和积极效果是：

由于本专利采用上述技术方案，通过控制装置与载荷驱动机构配合，可以实现有效控制载荷驱动机构的压头以不同的压入加载速度、压入交变频率、压入载荷量级等向被测物的表面涂层，并对压入情况进行检测；通过计算伺服电机和螺杆的旋进量得到压头的压入位移；通过环形载荷垫圈测力传感器反馈信号精确控制载荷施加。并以金属磁记忆无损检测装置实时监测压头压入的整个过程，从而以金属磁记忆信号特征、压入临界载荷来有效评价涂层与基体的结合强度。该检测仪可以应用于现场快速检测铁磁性涂层结合强度，可完全代替费时费力实验室环境下诸多测试方法，大大节省了涂层实施修复质量检测的时间、成本和人力。本检测仪极大的提高了工作效率，节省能源消耗，同时该装置具有结构简单、携带方便、检测准确稳定以及使用寿命长等优点。

附图说明

图1是本专利的结构示意图；

图2是载荷驱动机构的结构示意图；

图3是压入过程的示意图；

图中：

1、伺服电机；2、驱动机构外壳；3、联轴器；4、螺杆；5、螺母活动套；6、压簧；7、承压环形垫片；8、环形载荷垫圈测力传感器；9、压头座；10、压头组件；11、环形螺母；12、可升降支撑柱；13、载物平台；14、导向块；15、磁记忆探头；16、磁记忆信号采集装置；17、控制装置；18、显示器；20、限位环；21、压头；23、压痕；24、铁磁性涂层试样；25、载物转轴。

具体实施方式

为能进一步了解本专利的发明创造内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1和2和3所示，

一种再制造零部件铁磁性涂层结合强度检测仪，包括载荷驱动机构、控制装置17、检测装置和支撑机构，

载荷驱动机构包括作为动力装置的伺服电机1、传动机构和与传动机构连接的压头21，伺服电机1安装在驱动机构外壳2的一端面上，传动机构包括螺杆4和螺母活动套5、导向块14，螺杆4的一端与伺服电机1通过联轴器3连接，螺母活动套5螺纹连接在螺杆4上，导向块14与螺母活动套5为导轨配合。

螺母活动套5的远离伺服电机1一侧依次设有压簧6、承压环形垫片7、环形载荷垫圈测力传感器8。

环形载荷垫圈测力传感器8一侧面与压头座9邻接，承压环形垫片7底端设有环形载荷垫圈测力传感器安装位；环形载荷垫圈测力传感器8测量压头21施加载荷量，并以电信号输出。压头座9具有一凹陷部，凹陷部内嵌装有压头组件10，压头组件10的尖端嵌有压头21，压头21为金刚石压头或碳化钨压头；所述碳化钨压头为球形压头，其直径为4mm。压头座9被固定安装在驱动机构外壳2内的环形螺母11限位。压头座9从驱动机构外壳2底端探出，压头座9为空心短锥结构，压头21与空心短锥结构的压头座9无缝隙紧密结合固定。压头座9通过限位环20和环形螺母11固定在腔体内，压头座9和压头21可在导轨上小位移范围内滑动。驱动机构外壳2上可设有简易提手部件。

螺母活动套5和承压环形垫片7以周向固定轴向滑动的方式安装在驱动机构外壳2内，具体说来；螺母活动套5和承压环形垫片7均设置在光滑圆柱形导轨中，在导向块14的作用下将电机产生的旋转运动转换为沿导轨直线滑动；

支撑机构包括可升降支撑柱12和载物平台13，可升降支撑柱12由支撑横柱和支撑立柱构成，支撑横柱一端安装有载荷驱动机构，另一端安装于升降立柱上，支撑横住通过支撑立柱升降，可升降支撑柱12安装于底座之上，载物平台13安装在底座上的载荷驱动机构下方；圆柱形载物平台13可围绕载物转轴25转动，载物转轴25处于载物平台13的非圆心部位。试验时旋转载物平台13，可以在铁磁性涂层试样24的表面压出多个压痕23，方便多次测量求均值。通过支撑机构可用于检测暴露于外表面的再制造零件涂层，稳定性更好，从而提高测量的准确性。

检测装置包括设置于驱动机构外壳2之内的环形载荷垫圈测力传感器8、设置于载物平台13上的磁记忆探头15以及与磁记忆探头15电连接的磁记忆信号采集装置16；具体说来，磁记忆装置的磁记忆探头15设置在压头21处的被测试样涂层上，磁记忆探头15与磁记忆装置的便携式主机连接。金属磁记忆装置可用现有的金属磁记忆装置，如厦门爱德森电子有限公司的EMS-2003+型磁记忆/远场涡流检测仪，磁记忆探头15与压头21处的铁磁性涂层试样24对应。通过磁记忆装置可以对压头21的压入过程在线监测，提高压头21压入检测的准确性。

控制装置17控制伺服电机1的运转，伺服电机1输出不同大小的转矩，可提供给压头21足够的压入力。

控制及检测装置与载荷驱动机构的驱动装置——伺服电机1电连接，用于接收压入参数，并根据压入参数直接控制驱动装置，传动机构对压头21进行加载，并实现了多样性的压入载荷；

检测仪中的压入位移通过伺服电机1轴和螺杆4的旋进计算得出，通过环形载荷垫圈测力传感器8获得电信号并输出，即可通过控制系统准确控制压入深度与压入载荷。

检测仪还包括：信号处理及显示装置，与所述位移检测部件连接，处理所述位移检测部件输出的电信号得出检测结果并显示输出。

检测仪还可以包括处理显示装置，与载荷检测部件——测力传感器电连接，处理载荷检测部件的电信号得出检测结果并显示输出。处理显示装置中可以通过单片机、显示器18或显示仪表实现。

本专利的动作原理为：

如图1所示，该检测仪可对通过载荷驱动机构的压头21向所检测的再制造零件的涂层表面施加载荷，诱使涂层发生断裂失效或者应力集中阈值，通过检测涂层失效的临界值表征涂层界面的结合强度，主要包括控制装置17、载荷驱动机构和可升降支撑柱12；其中，控制装置17接收输入的压入参数，直接控制载荷驱动机构的压头21加载方式，实现了载荷的多样性；载荷驱动机构精确地将伺服电机1的输出扭矩转换为了压头21垂直压入涂层试样表面的驱动力，从而对涂层的结合强度进行检测。

载荷驱动机构可以配有两种材料的压头21：金刚石压头与碳化钨压头。当试样涂层的硬度过大时，选用金刚石压头，其他则选用碳化钨压头。可根据被测试样涂层的不同材料特性选择尺寸合适的压头21。必要时亦可根据特殊需求更换定制压头21，以满足不同涂层的压入检测需求。

载荷驱动机构是本发明检测仪的核心部件，作为该检测仪的为压头21提供动力的驱动系统，其功能是通过丝杆结构将伺服电机1的输出扭矩转换为压头21垂直压入涂层试样表面的驱动力，该驱动机构，如图1所示，由压头21，压头座9，承压环形垫片7，压簧6，螺杆4，螺母活动套5，联轴器3和伺服电机1等部件组成，工作原理如下：伺服电机1转动，通过联轴器3带动螺杆4旋转，在导向块14的作用下螺母活动套5将旋转运动转化为直线运动；通过压簧6和承压环形垫片7将驱动力传递给压头座9，继而为压头21提供驱动力；调节升降支撑柱12，使压头21缓缓接触铁磁性涂层试样24，直到压头座9达到导轨限位置；此时控制伺服电机1运转，不断提供压头21驱动力，使得压头21缓缓压入机体；如果伺服电机停1止运动，压头21上产生的压力与机体阻力平衡，一直保持压入状态，如果伺服电机1不做反向运动，将一直保持这种压入状态直到伺服电机1复位实现卸载。其中为了保证螺母活动套5，承压环形垫片7，压头座9直线运动，其都固定在直线导轨上；在卸去压力时螺母活动套5自动复位，压簧6、承压环形垫片7、压头座9与压头组件10恢复到最初安装位；快速升降支撑立柱，并角度标记旋转载物平台13，再次试验多次测量求均值。

检测仪中，测力传感器安装在承压环形垫片7和压头座9之间，将获得的载荷信号输出给控制装置17，达到较准确控制加载力的目的，可实现针对不同力学性能的涂层分别设计压入载荷，并且可以为作为驱动装置伺服电机1提供过载保护，即将过载时报警并切断电源。

检测仪还可以包括支撑机构，在工作时检测仪与支撑机构保证了测量的稳定性和准确性，也满足了涂层暴露于外表面的再制造零件和内孔类再制造零件的铁磁性涂层结合强度检测。升降支撑柱12包括支撑柱和载物平台13；其中，支撑柱上端设有安装载荷驱动机构的安装位；载物平台13设置在支撑柱的中间部位，与支撑柱上端的所述安装位内装入的载荷驱动机构的压头21相对应。当检测标准试块或涂层位于暴露的外表面的再制造零件时，该检测仪可以与支撑机构联合使用，达到使用稳定的要求如图1所示。当对发动机缸筒等内孔类零件检测时，该检测仪通过更换压头21可以实现探入式检测，通过加装定位环实现操作平稳的目的，如图3所示。可见，该检测仪所采用的外形辅以不同支撑也可以满足普适性的要求。

检测仪还可以设置处理显示装置，将采集到的测力传感器转换后的电信号，进行处理后得出检测结果，并将检测结果在处理显示装置(可包括显示器18或智能仪表盘)上显现出来，达到了控制压入载荷的目的；

检测仪还可以设置磁记忆装置，从而实现在线动态监测压入过程中涂层裂纹扩展行为。金属磁记忆检测时俄罗斯Dubov.A.A教授于20世纪90年代初提出，并于90年代后期发展起来的一种材料应力和疲劳损伤无损检测与诊断的方法。磁记忆检测技术（MMM）是一种漏磁场检测技术，和其他磁方法不同的是，检测时，不需要外加磁场，整个过程都在地磁场中进行。在地磁场作用下，磁力线通过缺陷的不均匀分布，出现应力集中现象；同时，由于金属内部存在着多种内耗效应（粘弹性内耗、位错内耗等）。因此，为了抵消应力集中区的应力能，磁畴壁开始位移，并改变其自发磁化方向，从而引发磁畴组织的重新取向排列而形成磁极，在构件表面产生漏磁场。金属磁记忆技术（MMM）的基本原理就是利用高灵敏度的磁敏探头记录和分析产生的铁磁构件和设备应力集中区或缺陷区中的自有漏磁场的分布情况，据此可以判断构件的缺陷或应力集中状态。磁记忆技术（MMM）是一种成熟的无损检测技术，已经在多个工业应用和材料实验领域得到了广泛的认可。基于磁记忆信号对于材料断裂及残余应力反馈的敏感性和准确性，本发明的检测仪中选用磁记忆技术作为涂层界面结合失效在线监测和检测的手段。可采用厦门爱德森电子有限公司的EMS-2003+型智能多功能电磁检测仪进行铁磁性涂层压入试验的在线监测。该磁记忆无损检测装置可实现八通道条件下的在线监测，其主要由磁记忆探头（点式探头、内穿探头、远场探头、特种探头等）、前置放大器、信号采集卡、主机、显示器、信号传输设备等部件组成。利用磁记忆探头采集金属涂层材料表面与基体材料结合面负载压入时断裂产生的漏磁场强度切向分量（切向分量有最大值且随载荷增加分量值增大）信号，该检测模块的工作温度为-25至60℃，能够满足常规需要，频响范围64Hz-5MHz（常规多频），八个独立可选频率；前置放大器可以将探头转换的电信号进行一定程度的加强，以防止在电缆线传输过程中电信号发生过度散射和衰减，增益范围：0-96dB，每档0.5dB；数字滤波范围：高通0-500Hz，低通10Hz-10KHz，滤波点数：0-100，通过主机中数据采集卡将送至的电信号转换为数字信号，同时分析信号特性参数，提取特征波形；便携式主机是信号传输设备的中转端；信号传输设备有电缆线、连接卡等组成，起到传输数据至PC机的作用。

实际中，本发明的检测仪的磁记忆装置可采用仪器自带软件对磁记忆信号进行实时监控、分析。通过对软件的合理设置（如通道、时钟模式、显示方式、滤波点数、增益、特征值K、阈值等相关参数），可以对反应不同信息的磁记忆信号各个特征参数进行实时分析，并通过设置合适的门槛值实现对临界剥离失效状态的准确捕捉，并发出预警信息，同时还可以与其他软件兼容处理数据，实现功能的多元化。检测过程中可以将磁敏探头放置于待测点位置或者固定于探头安装位上，如图3所示，实时捕捉压入过程试样裂纹信息。

本发明的检测仪还具有以下显著的特点：

第一，作为压入加载系统的载荷驱动机构采用运行平稳的伺服电机1，能够保证对检测的零件实现连续加载或交变加载，且可由控制装置17控制加载速度、交变频率、载荷量级等参数；

第二，可配有不同材料、不同直径的压头21，通过分析不同涂层基体体系的特性，选取材料、形状最为适宜的压头21；

第三，该检测仪安装有环形载荷垫圈测力传感器8，可准确控制压入载荷量；

第四，通过设置支撑机构，可保证测量时的稳定性和准确性，检测仪在工作时与支撑机构进行联用，可实现对各类涂层的压入加载，并且可旋转载物平台13方便多次测量求均值；

第五，引入磁记忆装置，利用磁记忆无损检测技术对压入过程进行动态实时在线检测，通过漏磁场强度信号反馈准确捕捉裂纹萌生和扩展信息；

第六，对受检对象不要求任何准备（抛光等），可以对原始涂层进行检查，节省了试验时间；

第七，不仅能在线监测，也能对测量结果进行二次检验，可以有效排查可疑数据，保证了测量值的准确；

第八，对于韧性金属涂层（不易产生较大裂纹涂层）可以有效采集应力集中信息，且得保持了磁记忆的优点：提离作用小，灵敏度高，检测速度快和高精度等优点；

第六，该检测仪具有简单、轻便的外形，操作过程相当方便，测量结果也非常直观，可满足工厂现场对涂层类再制造零件的要求。

尽管上面结合附图对本专利的优选实施例进行了描述，但是本专利并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本专利的启示下，在不脱离本专利宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本专利的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种再制造零部件铁磁性涂层结合强度检测仪，包括载荷驱动机构、控制装置、检测装置和支撑机构，其特征在于：

所述载荷驱动机构包括作为动力装置的伺服电机、传动机构和与传动机构连接的压头组件，所述伺服电机安装在驱动机构外壳的一端面上，所述传动机构包括：

螺杆，所述螺杆的一端与伺服电机通过联轴器连接，

螺母活动套，螺纹连接在螺杆上，

螺母活动套的远离伺服电机一侧依次设有压簧、承压环形垫片、环形载荷垫圈测力传感器；

所述环形载荷垫圈测力传感器一侧面与压头座邻接，压头座具有一凹陷部，凹陷部内嵌装有压头组件，压头组件的尖端嵌有压头，所述压头座被固定安装在驱动机构外壳内的环形螺母限位，所述螺母活动套和承压环形垫片以周向固定轴向滑动的方式安装在驱动机构外壳内；

所述支撑机构包括可升降支撑柱和载物平台，所述可升降支撑柱由支撑横柱和支撑立柱构成，所述支撑横柱一端安装有载荷驱动机构，另一端安装于升降立柱上，所述可升降支撑柱安装于底座之上，载物平台安装在底座上的载荷驱动机构下方；

所述检测装置包括设置于驱动机构外壳之内的环形载荷垫圈测力传感器、设置于载物平台上的磁记忆探头以及与磁记忆探头电连接的磁记忆信号采集装置；

所述控制装置控制伺服电机的运转。

2.根据权利要求1所述的检测仪，其特征在于：所述载物平台以可围绕其内部非圆心轴转动的方式安装于底座上。

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