CN113916434A - 一种高精度高稳定性超声波传感器螺纹紧固件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高精度高稳定性超声波传感器螺纹紧固件及制备方法，包括紧固件本体，所述紧固件本体后端设有传感器，紧固件本体前端设有突出部，所述突出部呈弧形。本发明所述的紧固件通过在反射端加工制备突出部结构，可以将超声波聚集，信号加强，且将反射的超声波方向束缚在有效方向范围内，提高反射信号的质量，扩大了超声波传感器监测预紧力技术在紧固件中应用领域，同时也大大提升了预紧力监测的可靠性及稳定性，具有较为积极的实际使用效果。
Description
技术领域
本发明属于紧固件领域，尤其是涉及一种高精度高稳定性超声波传感器螺纹紧固件及制备方法。
背景技术
目前，通过在外螺纹紧固件上制备超声波传感器，利用传感器激发的超声波信号来测量外螺纹紧固件预紧力的技术具有较好的应用前景。
根据图1中超声波传感器检测紧固件预紧力的原理可知，外加激励电压激发传感器产生超声波，超声波在紧固件中传播，经紧固件尾端反射后的超声波激发传感器产生接收电信号。其中紧固件尾端反射后的超声波信号及强度直接影响到接收电信号的质量，最终影响到传感器的质量可靠性及稳定性。
对于紧固件而言，为实现某个功能，常设计不同的结构，而这些结构常常会影响到超声波在紧固件中的传播和反射，如保险孔，螺栓杆部直径变化，螺栓长度过长，减轻孔等均会导致超声波信号减弱或消失。还有些紧固件材料对超声波具有削弱作用，导致信号减弱，如钴基高温合金等。
以上情况的存在会严重影响到预紧力监测技术在紧固件领域中应用的范围，同时也会影响到批次产品紧固件预紧力监测质量的稳定性及可靠性。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种高精度高稳定性超声波传感器螺纹紧固件及制备方法，以有效提升超声波反射信号的强度及稳定性，进而提升超声波传感器的质量稳定性及可靠性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种高精度高稳定性超声波传感器螺纹紧固件，包括紧固件本体，所述紧固件本体后端设有传感器，紧固件本体前端设有突出部，所述突出部呈弧形。
进一步地，所述紧固件本体包括头部及杆部，所述传感器设于头部，所述突出部设于杆部。
进一步地，所述头部高度为H，所述杆部长度为L，杆部直径为d，突出部的高度为w，
其中r为突出部的弧形的半径，且r＝(H+L)/2。
进一步地，所述突出部的粗糙度Rz＝5μm。
如上所述的高精度高稳定性超声波传感器螺纹紧固件的制备方法，包括以下步骤：
在紧固件本体的杆部自由端加工出弧形的突出部。
进一步地，还包括以下步骤：
在紧固件本体的头部依次形成压电膜层、保护膜层及电极化层。
进一步地，所述压电膜层的厚度为5-10μm，所述保护膜层的厚度为2-5μm，所述电极化层的厚度为1-2μm。
相对于现有技术，本发明所述的高精度高稳定性超声波传感器螺纹紧固件及制备方法具有以下优势：
本发明所述的紧固件通过在反射端加工制备突出部结构，可以将超声波聚集，信号加强，且将反射的超声波方向束缚在有效方向范围内，提高反射信号的质量，扩大了超声波传感器监测预紧力技术在紧固件中应用领域，同时也大大提升了预紧力监测的可靠性及稳定性，具有较为积极的实际使用效果。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为超声波传感器检测紧固件预紧力的原理示意图；
图2为本发明实施例所述的第一工序的结构示意图；
图3为本发明实施例所述的第二工序的结构示意图；
图4为本发明实施例所述的第三工序的结构示意图；
图5为本发明实施例与对比例的产品结构示意图；
图6为本发明实施例所述的具有保险孔的紧固件的结构示意图。
附图标记说明：
1、头部；2、杆部；3、突出部；4、阶梯台。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例
如图6所示，某规格M6六角头螺纹紧固件要求在其头部端面制备传感器，以实现预紧力检测的目的。但该产品的尾部螺纹处有保险孔，对超声波信号有阻断、削弱以及发散等不良影响，严重影响到信号的反射强度和接收质量，最终影响到超声波传感器监测预紧力技术在该产品中的应用。
基于以上问题，为实现该型号产品预紧力的监测，按备料-镦制-清洗-数车-无心磨-滚丝-钳工(制孔)-数车凸端-滚R-探伤-表面处理-包装入库流程制备具有突出部结构紧固件以及超声波传感器，其中紧固件本体坯体的头部1高度H为3.5mm，杆部2长度L为26mm以上，直径为6mm，具体包括以下工序：
工序1：数车时在杆部的端部加工阶梯台4，阶梯台的高度为2.378mm左右，即阶梯台的高度比突出部3的高度要高1mm以上，阶梯台与杆部连接处做倒角处理；
工序2：对杆部进行滚丝，滚丝后的结构如图3所示；
工序3：数车凸端时将阶梯台加工为圆弧形的突出部3，其中凸出部的高度为1.378mm左右，制得的紧固件如图6所示，突出部的粗糙度要求为Rz＝5μm，可通过机械抛磨或化学抛光的方式满足粗糙度要求。
对比例
对比例与实施例的区别在于紧固件本体坯体的头部高度H为3.5mm，杆部长度L为24mm，直径为6mm，数车工序时无需加工阶梯台，同时不进行数车凸端处理，其余与实施例的操作步骤相同。
后处理：分别采用具有突出部结构的紧固件以及无突出部结构的紧固件作为试样，采用真空磁控溅射的方法在头部端面沉积一层压电膜层，采用材料为氧化锌，厚度为(6～8)μm。然后在压电膜层上沉积一层保护膜层，采用材料为二氧化硅，厚度为(2～3)μm，最后在保护膜层表面沉积一层电极化层，采用的材料为金属钛，厚度为(1～2)μm，最终得到的紧固件如图5所示。
采用超声波测量仪对两种紧固件进行信号检测，结果如表1所示；
表1反射端为突出部结构和无突出部结构信号检测结果
随机选取实施例制得的具有突出部结构的4件紧固件产品，在型号为INSTRON公司型号为3369U1451的拉伸试验机上对具有突出部结构紧固件标定的精度进行检测，试验结果如表2所示。
表2反射端为突出部结构紧固件预紧力监测精度
其中，绝对误差＝仪器实测载荷-拉力机设定载荷；
相对误差＝[(仪器实测载荷-拉力机设定载荷)/拉力机设定载荷]*100。
从表1和表2中可以看出，尾部无突出部结构的紧固件无法应用超声波传感器预紧力监测技术，而尾部有突出部结构的紧固件可以实现超声波传感器预紧力监测技术的应用，且监测的预紧力较实际载荷值误差控制在±3％之内，这是由于突出部的结构类似一个凸透镜，可以聚焦沿螺栓光杆传播的超声波，同时也可以将反射的超声波方向束缚在螺纹小径范围内，防止反射的超声波反射到螺纹中径处再次发生反射而引起过多的杂波，进而影响到接收波信号的强度及稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高精度高稳定性超声波传感器螺纹紧固件，其特征在于：包括紧固件本体，所述紧固件本体后端设有传感器，紧固件本体前端设有突出部，所述突出部呈弧形。
2.根据权利要求1所述的高精度高稳定性超声波传感器螺纹紧固件，其特征在于：所述紧固件本体包括头部及杆部，所述传感器设于头部，所述突出部设于杆部。
3.根据权利要求2所述的高精度高稳定性超声波传感器螺纹紧固件，其特征在于：所述头部高度为H，所述杆部长度为L，杆部直径为d，突出部的高度为w，
其中r为突出部的弧形的半径，且r＝(H+L)/2。
4.根据权利要求1所述的高精度高稳定性超声波传感器螺纹紧固件，其特征在于：所述突出部的粗糙度Rz＝5μm。
5.如权利要求1-4任一所述的高精度高稳定性超声波传感器螺纹紧固件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在紧固件本体的杆部自由端加工出弧形的突出部。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：
在紧固件本体的头部依次形成压电膜层、保护膜层及电极化层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述压电膜层的厚度为5-10μm，所述保护膜层的厚度为2-5μm，所述电极化层的厚度为1-2μm。
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