CN107084810A - 一种残余应力的检测装置 - Google Patents

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刘帅
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Abstract

本发明实施例提供了一种残余应力的检测装置，包括：第一超声纵波换能器、第二超声纵波换能器、及声楔块；其中，所述第一超声纵波换能器与所述第二超声纵波换能器间隔预置长度的距离、且分别内置于所述声楔块的上表面；所述第一超声纵波换能器用于发射超声纵波；所述第二超声纵波换能器用于接收超声纵波；所述声楔块包括与所述小齿轮的尺寸相适应的内凹槽，以将所述声楔块固定在所述小齿轮表面上。本发明实施例能够用于批量检测小齿轮表面的残余应力、避免了对人体健康造成威胁的问题、及降低了检测小齿轮表面的残余应力所需的成本。

Description

一种残余应力的检测装置
技术领域
本发明涉及残余应力的检测技术领域，特别是涉及一种残余应力的检测装置。
背景技术
齿轮是汽车、拖拉机、机床等机器中的重要零件，它担负着传递运动、改变运动速度和运动方向的重要任务。但是在齿轮的制造过程中、和/或齿轮工作过程中，齿轮均会存在不同程度的残余应力。
齿轮中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力，则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失去尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。因此，齿轮的残余应力的检测一直都是人们进行的重要研究课题。
现有的检测残余应力的方法具体可以包括：小孔法、X射线衍射法、中子衍射法。但是，上述小孔法检测残余应力需要在齿轮上设计小孔，这样容易对齿轮产生破坏作用，可以用于抽样检查，并不适用于批量检查；上述X射线衍射法、中子衍射法对人体有辐射，对人的健康造成威胁，且检测设备较复杂。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题是提供用于检测小齿轮表面残余应力的装置，以能够用于批量检测小齿轮表面的残余应力、避免了对人体健康造成威胁的问题、及降低了检测小齿轮表面的残余应力所需的成本。
为了解决上述问题，本发明公开了一种残余应力的检测装置，包括：第一超声纵波换能器、第二超声纵波换能器、及声楔块；
其中，所述第一超声纵波换能器与所述第二超声纵波换能器间隔预置长度的距离、且分别内置于所述声楔块的上表面；所述第一超声纵波换能器用于发射超声纵波；所述第二超声纵波换能器用于接收超声纵波；
所述声楔块包括与所述小齿轮的尺寸相适应的内凹槽，以将所述声楔块固定在所述小齿轮表面上。
优选的，所述第一超声纵波换能器及所述第二超声纵波换能器与所述声楔块所成的夹角为第一临界角；其中，所述第一临界角为使所述第一超声纵波换能器发射的超声纵波在与所述小齿轮的交界面产生的折射纵波的折射角的角度等于90°时的入射角。
优选的，所述内凹槽的数目大于等于1。
优选的，所述声楔块与所述小齿轮之间填充有耦合剂。
优选的，其特征在于，所述声楔块的材料为所述超声纵波在其内的传播速度小于在所述小齿轮内的传播速度的材料。
与现有技术相比，本发明实施例包括以下优点：
本发明实施例提供的一种用于检测小齿轮表面残余应力的装置，具体可以包括第一超声纵波换能器、第二超声纵波换能器、及声楔块；其中，所述第一超声纵波换能器与所述第二超声纵波换能器间隔预置长度的距离、且分别内置于所述声楔块的上表面；所述声楔块包括与所述小齿轮的尺寸相适应的内凹槽；所述第一超声纵波换能器用于发射超声纵波；所述第二超声纵波换能器用于接收超声纵波；由于本发明实施例装置采用第一超声纵波换能器发射超声纵波，第二超声纵波换能器接收超声纵波的方式来检测小齿轮表面的残余应力，一方面，本发明实施例不会对小齿轮产生破坏作用，因此可以用于批量检测小齿轮表面的残余应力；另一方面，本发明实施例中发射、及接收的超声纵波对人体无害，因此，避免了对人体健康造成威胁的问题；并且，本发明实施例提供的一种残余应力的检测装置体积小巧，制作工艺简单，因此降低了检测小齿轮表面的残余应力所需的成本。
附图说明
图1是本发明的一种残余应力的检测装置的结构示意图；
图2是本发明超声纵波在声楔块103及小齿轮104的交界面处的折射示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
装置实施例一
参照图1，示出了本发明的一种残余应力的检测装置的结构示意图，具体可以包括：第一超声纵波换能器101、第二超声纵波换能器102、及声楔块103；
其中，所述第一超声纵波换能器101与所述第二超声纵波换能器102间隔预置长度的距离、且分别内置于所述声楔块103的上表面；所述第一超声纵波换能器101用于发射超声纵波；所述第二超声纵波换能器102用于接收超声纵波；
所述声楔块103包括与所述小齿轮的尺寸相适应的内凹槽，以将所述声楔块103固定在所述小齿轮104表面上。
本发明实施例中，上述第一超声纵波换能器101发射的超声纵波经声楔块103传播至小齿轮104，在小齿轮表面传播预置长度的距离后，被上述第二超声纵波换能器102接收，由于小齿轮表面的残余应力会对上述超声纵波的传播速度造成一定的影响，具体的：使上述超声纵波的传播速度增加、或者，使上述超声纵波的传播速度减小；因此可以根据上述超声纵波的传播速度的变化，来获知当前小齿轮表面的残余应力，其中，上述超声纵波的传播速度的变化可以是相对于零残余应力的情况下、超声纵波在小齿轮表面的传播速度的变化；具体上述超声纵波的传播速度的变化与上述小齿轮表面的残余应力之间的关系可满足下述公式1：
(公式1)
其中，上述dδ可以表示小齿轮表面的残余应力；dv可以表示超声纵波在小齿轮表面的传播速度的变化量；上述k可以表示声弹性系数；上述v0可以表示在零残余应力的情况下，超声纵波在小齿轮表面的传播速度。
由于超声纵波在小齿轮表面的传播速度往往是无法直接获得的，而超声纵波在小齿轮表面的传播速度和传播所用的时间往往是密切相关的，因此本发明实施例中，可以通过上述超声纵波传播距离L所用的时间的改变量来得到小齿轮表面的残余应力，具体的：上述超声纵波传播距离L所用的时间的改变量与上述小齿轮表面的残余应力之间的关系满足如下公式2：
(公式2)
其中，上述dδ可以表示小齿轮表面的残余应力；dt可以表示超声纵波在小齿轮表面的传播距离L所用的时间的变化量；上述k可以表示声弹性系数；上述T0可以表示在零残余应力的情况下，超声纵波在小齿轮表面的传播距离L所用的时间；
本发明实施例中，首先，可以测试一个零残余应力的标准小齿轮，以得到超声纵波在零残余应力的小齿轮表面传播距离L所用的时间T0，具体的，可以通过上述第二超声纵波换能器102接收到的上述超声纵波的波谱1，以得到超声纵波在零残余应力的小齿轮表面传播距离L所用的时间；然后，获得第二超声纵波换能器102接收的、从待测小齿轮表面传来的超声纵波的波谱2，根据波谱2相对于波谱1的超声纵波的幅值对应的时间的变化，获得超声纵波在小齿轮表面的传播距离L所用的时间的变化量，例如：在波谱1中超声纵波的幅值出现在时间T0处，在波谱2中超声纵波的幅值出现在时间T1处，则可得知当前超声纵波在待测小齿轮表面传播距离L所用的时间的变化量dt，也即(dt＝(T1-T0))，从而可以根据上述公式2即可计算得知当前的小齿轮表面的残余应力dδ；
本发明实施例中，可以将上述小齿轮表面的残余应力dδ的应力常数K设置为则此时上述公式2中的待测小齿轮表面的残余应力dδ具体可以为：(dδ＝Kdt)；
本发明实施例中，根据声弹性理论，由于超声纵波在临界面的折射纵波在小齿轮表面的渗透深度是超声纵波激发频率的函数，频率越低渗透深度越深，因此可以通过改变超声纵波的频率来检测不同深度下的小齿轮表面的残余应力，本发明实施例对此不在赘述。
在本发明的一种可选实施例中，所述第一超声纵波换能器101及所述第二超声纵波换能器102与所述声楔块所成的夹角为第一临界角；其中，上述的第一临界角具体可以为使超声纵波产生的折射纵波的折射角的角度等于90°时的入射角；
本发明实施例中，上述第一超声纵波换能器101发射的超声纵波从上述声楔块103传播至小齿轮104表面时，由于上述声楔块103及小齿轮104的声阻抗不同，因此在上述声楔块103及小齿轮104的交界面处会发生折射现象，参照图2，示出了本发明超声纵波在声楔块103及小齿轮104的交界面处的折射示意图，具体包括：入射角θ1，折射角θ2；本发明实施例中θ2为90°时的即可以确定为θ1第一临界角；具体的，超声纵波的折射角大小θ2不仅与入射时的超声纵波的入射角大小θ1有关，还与超声纵波在两种介质(声楔块103及小齿轮104)中的传播速度有关，上述折射角与入射角之间满足公式3所示的斯涅尔(Snell)定律；
(公式3)
其中，上述v3可以表示超声纵波在声楔块103中的传播速度，v4可以表示超声纵波在零残余应力的标准小齿轮表面的传播速度。
本发明实施例中，上述第一超声纵波换能器101发射的超声纵波在上述声楔块103及小齿轮104的交界面处发生折射，在入射角度为第一临界角时，超声纵波经折射后可以沿着小齿轮的表面进行传播；
本发明实施例中，上述θ2为90°时，上述第一临界角θ1具体可以为：(θ1＝arcsin(v3/v4))；例如：假设上述声楔块103的材料为有机玻璃，上述小齿轮的材料为普通碳素钢，上述超声纵波在有机玻璃中的传播速度为2730m/s，而在普通碳素钢中的传播速度为5900m/s，则经计算可得，上述第一临界角θ1为27.5°，则可以将上述第一超声纵波换能器101及第二超声纵波换能器102与所述声楔块103所成的夹角为27.5°，以使得第一超声纵波换能器101发射的上述超声纵波在上述声楔块103及小齿轮的表面发生折射，折射后的超声纵波可以沿小齿轮表面传播至第二超声纵波换能器102。
在本发明的一种可选实施例中，所述声楔块103的材料的为超声纵波在其内的传播速度小于在所述小齿轮104的传播速度的材料，这样一来，上述超声纵波在两种介质(声楔块103及小齿轮104)中的传播速度、及上述折射角与入射角之间可以满足斯涅尔(Snell)定律。
在本发明的一种可选实施例中，上述声楔块103上所述内凹槽的数目大于等于1，这样一来，本发明实施例可以同时对小齿轮的多个凸起部分进行表面的残余应力dδ的检测，增加了残余应力检测的面积，提高了残余应力检测的效率。
在本发明的一种可选实施例中，可以在所述声楔块103与所述小齿轮104之间填充有耦合剂，以使所述声楔块103与所述小齿轮104完全接触。
综上，本发明实施例提供的一种用于检测小齿轮表面残余应力的装置，具体可以包括第一超声纵波换能器、第二超声纵波换能器、及声楔块；其中，所述第一超声纵波换能器与所述第二超声纵波换能器间隔预置长度的距离、且分别内置于所述声楔块的上表面；所述声楔块包括与所述小齿轮的尺寸相适应的内凹槽；所述第一超声纵波换能器用于发射超声纵波；所述第二超声纵波换能器用于接收超声纵波；由于本发明实施例采用第一超声纵波换能器发射的超声纵波，第二超声纵波换能器接收超声纵波的方式来检测小齿轮表面的残余应力，一方面，本发明实施例不会对小齿轮产生破坏作用，因此可以用于批量检测小齿轮表面的残余应力；另一方面，本发明实施例中发射、及接收的超声纵波对人体无害，因此，避免了对人体健康造成威胁的问题；并且，本发明实施例提供的残余应力的检测装置体积小巧，制作工艺简单，因此降低了检测小齿轮表面的残余应力所需的成本。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
需要说明的是，本发明实施例是为了解决国家自然科学基金项目(51305028)中残余应力对设备造成损害，进而会导致产生事故等威胁的问题，其在国防领域中、工业领域中、及西气东输工程中均能起到重大意义。
以上对本发明所提供的一种残余应力的检测装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种残余应力的检测装置，其特征在于，包括：第一超声纵波换能器、第二超声纵波换能器、及声楔块；
其中，所述第一超声纵波换能器与所述第二超声纵波换能器间隔预置长度的距离、且分别内置于所述声楔块的上表面；所述第一超声纵波换能器用于发射超声纵波；所述第二超声纵波换能器用于接收超声纵波；
所述声楔块包括与所述小齿轮的尺寸相适应的内凹槽，以将所述声楔块固定在所述小齿轮表面上。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一超声纵波换能器及所述第二超声纵波换能器与所述声楔块所成的夹角为第一临界角；其中，所述第一临界角为使所述第一超声纵波换能器发射的超声纵波在与所述小齿轮的交界面产生的折射纵波的折射角的角度等于90°时的入射角。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内凹槽的数目大于等于1。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述声楔块与所述小齿轮之间填充有耦合剂。
5.根据权利要求1至4所述的任一装置，其特征在于，所述声楔块的材料为所述超声纵波在其内的传播速度小于在所述小齿轮内的传播速度的材料。
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