CN104487838A - 表征至少局部地包括对称平面的物体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于表征物体(300)的方法，物体(300)至少局部地包括对称平面(P1)，该方法包括由所述物体发射的超声波的至少一次观察，每次观察均在垂直于对称平面(P1)的一轴线上进行，每次观察沿着分别根据所述轴线(d)生成并以入射角(-1)沿着不同于法线的所述轴线(d)而与物体(300)接触的超声波发射，该超声波接触物体(300)的方式为沿着对称于对称平面(P1)的路径。

Description

表征至少局部地包括对称平面的物体的方法

技术领域

本发明涉及研究并表征工业中的零件，特别是用于确定它们的主要机械性能和它们的表面特性的方法的领域。

背景技术

本发明具体应用于无法进行机械牵引测试的小尺寸的零零件。例如，这应用于球轴承的滚珠，所述滚珠具有厘米量级的直径。本发明具体用于具有在一截平面中弯曲的表面的零件。

目前，没有已知的方案用于确定这种小零件的内部各向同性或用于确定其机械特性，例如，其弹性横量或其柏松比。然而，重要的是具有关于这种零件的丰富知识，以确保轴承是可靠的。

已知的表征表示特性的技术利用超声波测量，尤其使用反射波，但也使用折射波或表面波。

这样，文件FR 2 806 162和EP 1 691 193使用测量反射波的换能器来描述缺陷检测系统，其中由超声波所辐射的材料的表面是平面。

文件EP 1 767 898公开了使用瑞利波，所述瑞利波是一种表面波，其在暴露于入射超声波的零件的表面处生成，以测量例如渗氮层的表面层的厚度。

文件FR 2 930 034讲授了使用纵向反射波来测量已被处理的材料的残留应力。

为了这些不同的目的，使用用于通过接触来实施检查的超声换能器，或用于在浸没的零件上实施检查的超声换能器。使用这种换能器的方法具有无破坏性的优点。

发明内容

所提出的本发明是一种表征物体的方法，所述物体至少局部地包括对称平面，该方法包括传播穿过所述物体的超声波的至少一次观察，各观察在垂直于对称平面的轴线上执行，各观察由超声波的发射产生并沿着所述轴线以入射角而不是法线遇见物体。超声波以这种方式与该物体相遇，以跟随相对于对称平面对称的路径。

超声波的传播时间和/或在其上实施发射和观察的轴线的位置的分析使得可表征物体，无论其是小的还是大的，因此与无法表征较小零件的现有技术相比较而构成主要优点。

超声波以入射角而不是法线接触物体的事实使得可使用做为模式转换工具(体波或表面波)的物体的表面，从而提供与传播或反射的波的观察相比较的额外信息。

相对于一对称平面对称的路径的使用使得可面朝发射和接收易于放置和调整的换能器来使用。

在一具体实施例中，位于公共轴线上的发射和接收超声换能器移动，同时发射超声波并观察传播的超声波，在选自由发射超声波产生的纵波、横波和瑞利波的至少两个波上进行观察。由这种表征表征方法所确定的性能可包括该物体的弹性横量或柏松比。

可有利地观察在纵波、横波和瑞利波中的所有三个波，以及通过使用Viktorov的公式来验证该方法。

在另外的实施例中，对于具有垂直于第一对称平面的第二对称平面的物体，位于公共轴线上的发射和接收超声波在第二对称平面的任何一侧上移动，同时发射超声波并观察所传播的超声波，两个纵波或两个横波在第二对称平面的相对侧上观察。由这种表征方法所确定的物体的性能可包括其是否具有在至少一个平面中的各向同性或各向异性的特征。

在另外一个实施例中，对通过与其相遇的超声波在所述物体的表面处产生的至少一个瑞利波进行观察。测量传播时间使得可检测由将表明处理应用到该物体所产生的层或区域的存在。

当物体具有包括至少一个椭圆件的弧或圆形件的弧的表面时，本发明特别可适用。特别是，该物体是轴承滚珠或轴承滚柱，但其他应用是可能的。

附图说明

图1显示本发明的实施例中的方法的预备步骤。

图2显示本发明的方法的实施例的后续步骤。

图3显示本发明的实施例的重要零件。

图4-9显示在图3中所显示的重要零件的展示，用于本发明的方法的两次利用。

图10显示本发明另一实施例的重要零件。

具体实施方式

图1显示调整用于表征轴承滚珠的表征设备的步骤。该设备基于使用浸没的超声换能器。

该设备包括在大量的水10中的第一超声换能器100和第二超声换能器200。它们位于一公共轴线上，在一构成球体300的轴承滚珠的相对侧上相互面对。在此例中，它们是Harisonic I7-1012-R型的四英寸聚焦换能器，具有10MHz的频率，直径为0.75英寸，在焦点处的焦斑估计为0.808mm。可使用其他的换能器。

在调整步骤的过程中，换能器以发射模式和接收模式启动。它们通常在该球体的点上进行调整。因此，以传输模式，两个换能器100和200精确地对齐。在水10中产生的超声波波束在相同的轴线上。

由所述球体和两个换能器所构成的装置具有对称的平面P1。该球体的垂直于平面P1并在包含换能器轴线的平面中的截面具有是一圆的表面S。

测量对应于聚焦在该球体的与接收波的最大振幅相关联的点上的换能器的表面波的往返行程的行进时间。在换能器100与球体300的表面之间的水柱L1的高度通过将由示波器的屏幕读出的时间t1与水中波的速度，即V_水＝1486.5米/秒(m/s)相关联而获得。在换能器200与球体300的表面之间的水柱L2的高度以相同的方式获得。

图2显示本发明的方法的基本步骤。换能器100和200两者均从图1中所示出的结构开始，或从某一其他结构开始，沿着垂直于它们的公共轴线的方向，平移相同的距离。

其后，测量由一个以接收模式工作的换能器(在此例中为换能器100)所接收的信号，另一换能器(换能器200)以发射模式工作。

对于给定的换能器的平移，通过相对于初始位置的距离d，超声波穿过水的路径伸长以下所表示的距离：

修正＝2.R(1-cosθ₁)

存储所测量的信号，可看到的是，首先通过观察两个传输的波呈现的两个最大值，呈现在距离换能器的初始轴线两个距离d处。

波的路径在图2中显示，其中给出附图标记400。从发射换能器200开始，该波以相对于法线的角度θ₁到达球体300的表面。其通过折射现象在水/球体交界面处偏转，并以相对于法线的角度Cθ₁向前穿过球体。在行进距离L后其到达球体的表面，对于所关心的部分，其由该表面反射。其后，其沿着第二路径穿过球体，并再次到达其被折射的该表面。随后，该波穿过水传播。

最大值被观察的距离d的特别特征为，反射发生在与两个换能器距离相等处，在两次折射后，该波朝向接收换能器100传播。

而且，通过利用由于滚珠的对称性质而以角度2×Cθ₁发生反射的事实，应用以下：

于是，斯涅尔定律使得可获得角度Cθ₁，所述角度Cθ₁如以下：

${\mathrm{C\θ}}_1={\tan }^{-1}\frac{R-b}{R\cos {\mathrm{\θ}}_1}$

在折射中的一个(在进口或在出口上)与反射之间的波的传播的距离L在以下给出：

$L=\frac{R-d}{\sin {\mathrm{C\θ}}_1}$

在球体300内侧的波的行进时间可通过考虑与水柱L1和L2的延长相关联的修正来推断。波在球体中的传播速度可从中推断。

对于纵波进行此计算，当换能器从它们的初始位置移动时，所述纵波首先显现，然后对于横波进行此计算，所述横波随着更大的振幅随后显现。

通过继续移动换能器，观察到一第三波，所述第三波是已知为瑞利波的表面波。此波仅针对特定的入射角呈现。一旦其产生，其在沿着表面传播的同时辐射，其角度等于产生其的入射波的角度在此例中具体为角度θ₁。

通过将该球体的直径设定为由接收换能器提取的瑞利波所传播的距离是一圆的扇形的长度，所述长度如以下所表示：

如果已知此距离以及水柱的修正长度，则易于确定瑞利波的传播速度。

图3显示在换能器移动过程中连续检测的三个波。纵波A，横波B，和瑞利波C。

使用波速，就可推断出球体300的材料的柏松比和杨氏模量。

此方法应用于由不锈钢制成的，半径为9.523mm的轴承滚珠。所获得的结果如下：

纵波

d＝1.729mm

θ₁＝10.46°

在水里的行进时间＝132.64微秒(μs)

Cθ₁＝39.77°

L＝12.183mm

所测量的传播时间＝136.73μs

在球体中的速度＝5957.4m/s

横波

d＝3.539mm

θ₁＝21.82°

在水里的行进时间＝133.35微秒

Cθ₁＝34.09°

L＝21.351mm

所测量的行进时间＝139.94微秒

在球体中的速度＝3238.8m/s

瑞利波

d＝4.677mm

θ₁＝29,415°

在水里的行进时间＝131,106微秒

L＝20.139mm

所测量的行进时间＝137.80微秒

在球体表面处的速度＝3008.9m/s

该方法可基于纵波和横波的速度，使用以下的公式，通过与针对瑞利波通过以由Viktorov定律所获得的速度进行测量而推断出的速度相比较而被验证：

$V_R=V_T\frac{0.718-\frac{V_T^2}{V_L^2}}{0.75-\frac{V_T^2}{V_L^2}}.$

由Viktorov定律所获得的瑞利波的速度是3010.7m/s，其非常接近于通过测量所获得的值。

选自横波、纵波和瑞利波的至少两个波的值随后用来推断假定为均匀的该球体的材料的杨氏模量或柏松比。

获得以下数值：

杨氏模量E＝211.7GPa

柏松比＝0.290

图4至6显示由接收换能器100观察到的频谱。在图4中，对于纵波，在d＝1.729mm时可观察到最大振幅。在图5中，对于横波，在d＝3.539mm时，可观察到最大振幅，在图6中，对于瑞利波，在d＝4.677mm时，可观察到最大振幅。可以看到，横波以最大振幅传输，然而，瑞利波是三种波中传输最弱的。

此方法还应用于半径为4.7615mm的由氮化硅(Si₃N₄)制成的滚珠。所获得的结果如下：

纵波

V＝11,827.3m/s

横波

V＝6377.9m/s

瑞利波

V＝5916.6m/s

由Viktorov定律得出5933.4m/s，这再次验证该方法。

基于此所获得的滚珠的机械性能如下：

杨氏模量E＝333.6GPa

柏松比＝0.295

图7至9显示由接收换能器100所观察到的频谱。纵轴显示所测量的电压，横轴显示时间。在图7中，对于纵波，当d＝0.359mm时可观察到最大振幅。在图8中，对于横波，当d＝0.753mm时可观察到最大振幅，在图9中，对于瑞利波，当d＝1.007mm时，可观察到最大振幅。

图10显示本发明的第二实施例。换能器仍然相互平行地移动，但这次是从初始对齐开始沿着两个方向，沿着一个方向，随后沿着相反的方向移动。这样，滚珠的材料沿着四个方向扫描。特别利用以下事实：该球体与第三对称平面P3(未示出，即附图的平面)一起具有记为P2的第二对称平面(参见图1至3)。这两个平面包括换能器的初始对齐轴线。

对于换能器的移动，如果所有四个测量值均给出相同的行进时间，其中在所述移动中呈现任何给定的波，横波或纵波，则可得出结论，滚珠的材料是各向同性的。

对于上述由不锈钢制成的滚珠，对于横波获得以下值：Oz＝-3.540mm(t＝139.94μs)，Oz＝+3.540mm(t＝139.96μs)，Ox＝-3.537mm(t＝139.96μs)和Ox＝+3.541mm(t＝139.94μs)。

如果给定所述数值的接近，则可得出结论，滚珠实际上是各向同性的。

对于由氮化硅制成的滚珠，获得以下仍然用于横波的值：Oz＝-1.010mm(t＝133.94μs)，Oz＝+1.125mm(t＝134.03μs)，Ox＝-1.001mm(t＝133.99μs)和Ox＝+1.200mm(t＝133.99μs).

再次地，如果给定所述数值的接近，则可得出结论，该滚珠实际上是各向同性的。

该滚珠的各向同性或各向异性的性质可通过对比对于纵波所获得的值来研究。在给出有关于在一个平面中的各向同性的信息的情况下，还可通过沿着一个轴线测量两个值来完成，所述轴线例如是沿着正方向的Oz以及沿着负方向的Oz。

在一第三实施例中，在图3中的附图标记为C的瑞利波可通过图3中的装置来观察。测量观察轴线的位置和/或确定波在表面上的行进时间使得可确定球体300是否经过表面处理，例如是渗氮，该表面处理改变瑞利波的传播速度，因为位于一个层的表面或一区域的表面，所述层或区域的表面的化学性质或物理性质不同于初始材料。

在一变例中，对于物体300的一给定例子，观察在图3中所示出的三个波中的一个或多个，将距离d和/或行进时间的值与对于物体300的参考例子所获得的距离和行进时间进行比较，以验证所研究的例子匹配于参考例子。

本发明还应用于具有例如圆形截面的滚轴汽缸。本发明还应用于截面是椭圆形的轴承滚珠或滚柱，更通常地应用于优选为凸的且具有对称平面的物体，以及例如在垂直于所述对称平面的平面中弯曲的表面。该由两个换能器构成的组件平行于对称平面移动，以便以不同的入射角将超声波引到该表面上。当所传输的波在一对称平面中反射时，其由接收换能器获取，行进时间和/或距离d使得可表征该物体。对称平面可是局部的对称平面，该对称可应用到待表征的物体的仅特定部分上。

本发明不限于上述实施例，而是延伸到在权利要求书的范围的上下文中的任何变型。

Claims (9)

1.一种表征物体(300)的方法，所述物体(300)至少局部地包括一对称平面(P1)，该方法包括穿过所述物体传输的超声波(A，B，C)的至少一次观察，每次观察均在垂直于所述对称平面(P1)的轴线(d1，d2，d3)上进行，每次观察均由分别沿着所述轴线(d1，d2，d3)中的一个生成，并以入射角(θ₁)沿着所述轴线(d1，d2，d3)，而不是沿法线与所述物体(300)相接触的超声波的发射而产生，所述超声波与所述物体(300)相接触的方式为沿着相对于所述对称平面(P1)对称的路径，分析所述超声波的行进时间和/或在其上进行发射和观察的所述轴线的位置，以表征所述物体。

2.根据权利要求1所述的方法，其中位于一公共轴线上的发射和接收超声换能器(100，200)在发射超声波时和观察所传输的超声波(A，B，C)时移动，在选自由所发射的超声波所产生的纵波、横波和瑞利波中的至少两个波上进行观察。

3.根据权利要求2所述的方法，其中在来自所述纵波、横波和瑞利波的所有三个波(A，B，C)上进行观察，该方法通过使用Viktorov公式来验证。

4.根据权利要求1至3中任何一项所述的方法，其中对于具有垂直于第一对称平面(P1)的第二对称平面(P2，P3)的物体，位于一公共轴线上的发射和接收超声换能器(100，200)在发射超声波和观察所述传输的超声波时在所述第二对称平面(P2，P3)的任一侧上移动，在所述第二对称平面(P2，P3)的相对侧上观察两个纵波或两个横波。

5.根据权利要求1至4中任何一项所述的方法，其中对通过与超声波接触而在所述物体的表面上产生的至少一个瑞利波(C)进行观察。

6.根据权利要求1至5中任何一项所述的方法，其中使用浸没式的超声换能器(100，200)。

7.根据权利要求1至6中任何一项所述的方法，其中所述物体具有包括一椭圆的至少一个弧的表面(S)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述表面(S)包括一圆的至少一个弧。

9.根据权利要求1至8中任何一项所述的方法，其中所述物体(300)是轴承滚珠或滚柱。