CN114923917A - 一种陶瓷型芯的矫形与检测一体化方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及陶瓷型芯领域，具体为一种陶瓷型芯的矫形与检测一体化方法，首先采用光谱成像法确定陶瓷型芯的轮廓与缺陷情况，为局部探头的设定与加载提供数据支撑；采用确定局部多点可控位移的适应性矫形装置与方法，著减小矫形过程对无需加工区域的影响、增大陶瓷型芯局部的矫形程度、实现零件的差异性矫形需求；通过局部温度控制，实现陶瓷整体变形与内应力分布的调整，减少裂纹等缺陷的产生；配合点对点的变形传感监测方法，尽可能降低对陶瓷型芯的损伤可能性，实现变形程度的实时监测，并控制逐步缓慢卸载与循环式加载方式，减小矫形后的回弹量。此方法不仅可用于陶瓷型芯的变形矫正与检测，还可用于其他陶瓷零件、精密零件等的变形矫正与检测。

Description

一种陶瓷型芯的矫形与检测一体化方法与装置
技术领域
本发明涉及陶瓷型芯领域，具体为一种陶瓷型芯的矫形与检测一体化方法与装置。
背景技术
陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点，被广泛应用于航空航天、机械装备等各个领域。其中，陶瓷型芯是熔模铸造工艺中使用的重要陶瓷制品，作为形成铸件空腔的转接体，其作用是形成铸件的内腔结构，与外型模及模壳共同保证铸件对空腔的尺寸精度要求。陶瓷型芯通常用于形成形状复杂或不易成形的铸件的型腔，作为简化工艺难度、降低成本、提高制品合格率的一种特殊的工艺手段。
随着熔模铸造工艺水平不断提高，对型芯的要求也日益提高，尤其是其形位精度等直接影响到铸件质量的参数。但是，陶瓷型芯一般为烧结制成，制造过程中由于水分蒸发、热膨胀与收缩、物相变化等因素，型芯将不可避免的产生内应力，导致型芯的最终形状发生改变，直接影响了成品质量。因此，陶瓷型芯在制备后经常需要进行矫形处理，之后再进行检测确定型芯是否满足尺寸要求。
目前，陶瓷型芯的矫形大多数是使用沙袋等重物，将陶瓷型芯压在特质的模具上，使陶瓷型芯在重力作用下逐渐变形到合适的尺寸。这种方法虽然能对陶瓷型芯的外形进行一定程度的矫形，但是还存在一定不足：
(1)沙袋的重力是作用于陶瓷型芯的全部区域，陶瓷型芯无需矫形的区域也受到了影响；
(2)采用大面积的重压作用，对陶瓷型芯进行强行矫形，由于陶瓷大多数为脆性材料，增加了陶瓷型芯在矫形过程中产生微裂纹甚至直接断裂的可能性；
(3)制备后的陶瓷型芯均具有一定的面型等差异性，采用统一重物压的方法进行矫形，往往不能实现统一的变形矫形效果；
(4)零件的变形矫正情况难以实时监测，回弹也难以直接控制；
(5)需要制作特定的校准模具。
陶瓷型芯矫形处理完毕后，需要使用特定的模具、以及蓝光/白光干涉等方法进行尺寸检测与裂纹缺陷的检测，部分矫形程度不够的零件需要再返回矫形处理、部分出现缺陷及变形难以矫正的陶瓷型芯报废，整个流程工序多、耗时长、且一般多根据经验指导生产、难以实现定量化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陶瓷型芯的矫形与检测一体化方法与装置，解决了使用重物矫形陶瓷型芯存在的压力影响区域大、可能导致陶瓷型芯出现缺陷、工序复杂、耗时长及难以定量化的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种陶瓷型芯的矫形与检测一体化方法，包括以下步骤：
S1、提取陶瓷型芯的待测样品识别模型；
通过光谱成像识别法检测陶瓷型芯的轮廓与缺陷，得到待测样品识别模型；
S2、对比待测样品识别模型与设计模型，判断陶瓷型芯是否存在形变/裂纹；
若存在毫米级以上形变或存在裂纹缺陷，则该陶瓷型芯不合格；
若该陶瓷型芯尺寸与设计模型一致且不存在裂纹缺陷，则样品不需要进行矫形且无缺陷；
如陶瓷型芯存在毫米级及以下的变形，则启动矫形装置的各独立压头，对陶瓷型芯的变形位置进行输出，其中变形位置由待测样品识别模型和设计模型对比得到；
S3、独立压头位移过程中，检测各独立压头的加压压力，直至独立压头达到矫形位置或达到第一断裂强度；
若独立压头已施加第一断裂强度的压力，但仍未达到矫形位置，则进入步骤S4；
若独立压头达到矫形位置，对矫形程度大于所有压力变形量平均值的局部进行温度加载，并逐渐减小各独立压头的压力，当检测到压力小于第二断裂强度，逐步复位独立压头，进入步骤S5；
S4、对压头对应变形量大于所有压力变形量平均值的局部进行温度加载，并实时检测各独立压头的压力，如一段时间后检测到压力小于第二断裂强度，则进入步骤S3；
S5、采用光谱成像识别再次检测陶瓷型芯的轮廓与缺陷，如存在裂纹，则该陶瓷型芯不合格；如设计模型尺寸与导入的待测样品识别模型尺寸不一致且无裂纹缺陷，则返回步骤S3；
如设计尺寸与导入的待测样品识别模型尺寸一致且无裂纹缺陷，则矫形与缺陷检测完成。
进一步，第一断裂强度为陶瓷型芯断裂强度的20％-30％；第二断裂强度为陶瓷型芯断裂强度的5％-10％。
进一步，温度加载的温度为100-120℃。
本发明公开了一种陶瓷型芯的矫形与检测一体化装置，包括由上至下设置的上面板、导向板和下面板，在上面板上安装有多个由上至下贯穿上面板和导向板的上独立压头，在下面板上安装有多个由下至上贯穿下面板的下独立压头，下面板的上表面用于放置待测零件，上独立压头用于与待测零件的上侧面接触，下独立压头用于与待测零件的下侧面接触；
上独立压头和下独立压头均与上位机连接；
在导向板和下面板之间安装有用于识别待测陶瓷型芯的光谱成像识别器。
进一步，上独立压头和下独立压头的前端嵌入有加热元件，加热元件与上位机连接。
进一步，上独立压头和下独立压头集成有压力传感器和位移探头。
进一步，上独立压头和下独立压头的接触点为柔性材料。
进一步，上独立压头由固定螺母连接到上面板上，下独立压头由固定螺母连接到下面板上。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种陶瓷型芯的矫形与检测一体化方法，在矫形前增加了光谱成像法，以确定陶瓷型芯的轮廓与缺陷情况，为局部探头的设定与加载提供数据支撑，并直接过滤掉易产生缺陷或是尺寸严重不足的零件；采用确定局部多点可控位移的适应性矫形装置与方法，减小矫形过程对无需加工区域的影响、增大陶瓷型芯局部的矫形程度、实现零件的差异性矫形需求；矫形过程配合局部温度控制，实现陶瓷整体变形与内应力分布的调整，减少裂纹等缺陷的产生；矫形过程配合点对点的变形传感监测方法，尽可能降低对陶瓷型芯的损伤可能性，实现变形程度的实时监测，并控制逐步缓慢卸载与循环式加载方式，减小矫形后的回弹量。与传统的重物矫形、模具验证、光谱缺陷检测相比，本发明实现了上述三个步骤的一体化，大幅减小了工序周期并实现了量化。
本发明还公开了一种陶瓷型芯的矫形与检测一体化装置，可以实现各种零件的点对点矫形，矫形与检测方法不需要加工校准模具，对各种零件具有普适性，并能够针对每个零件实现针对性矫形与检测。
附图说明
图1为陶瓷型芯矫形与检测一体化方法的流程图；
图2为矫形与检测一体化装置示意图；
图3为设计模型与待测样品识别模型图；其中，(a)为待测样品识别轮廓，(b)为样品设计轮廓；
图4为模型尺寸对比图；
图5为矫形后轮廓对比图。
1-光谱成像识别器，2-下面板，3-导向板，4-固定螺栓，5-上面板，6-固定螺母；7-压力传感器，8-独立压头，9-陶瓷型芯，10-上位机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。
本发明附图及实施例描述和示出的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，因此，以下附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
需要说明的是：术语“包含”、“包括”或者其他任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，使得包括一系列要素的过程、元素、方法、物品或者设备不仅仅只包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括该其过程、元素、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，术语“水平”“竖直”是基于附图所示装置或部件的方位和位置关系，仅是为了更好的描述本发明，而不是要求所示的装置、部件或设备必须具有该特定方位，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明旨在提出一种陶瓷型芯的矫形与检测一体化方法与装置，以实现陶瓷型芯的差异性、自动化尺寸矫正与缺陷检测，为提高陶瓷型芯的矫形与检测提供了全新方案。
本发明公开了一种陶瓷型芯的矫形与检测一体化方法，包括以下步骤：
S1、提取陶瓷型芯9的待测样品识别模型；
通过光谱成像识别法检测陶瓷型芯9的轮廓与缺陷，得到待测样品识别模型；
S2、对比待测样品识别模型与设计模型，判断陶瓷型芯9是否存在形变/裂纹；
若存在毫米级以上形变或存在裂纹缺陷，则该陶瓷型芯9不合格；
若该陶瓷型芯9尺寸与设计模型一致且不存在裂纹缺陷，则样品不需要进行矫形且无缺陷；
如陶瓷型芯9存在毫米级及以下的变形，则启动矫形装置的各独立压头8，对陶瓷型芯9的变形位置进行输出，其中变形位置由待测样品识别模型和设计模型对比得到；
S3、独立压头8位移过程中，检测各独立压头8的加压压力，直至独立压头8达到矫形位置或达到第一断裂强度；
若独立压头8已施加第一断裂强度的压力，但仍未达到矫形位置，则进入步骤S4；
若独立压头8达到矫形位置，对矫形程度大于所有压力变形量平均值的局部进行温度加载，并逐渐减小各独立压头8的压力，当检测到压力小于第二断裂强度，逐步复位独立压头8，进入步骤S5；
S4、对压头对应变形量大于所有压力变形量平均值的局部进行温度加载，并实时检测各独立压头8的压力，如一段时间后检测到压力小于第二断裂强度，则进入步骤S3；
S5、采用光谱成像识别再次检测陶瓷型芯9的轮廓与缺陷，如存在裂纹，则该陶瓷型芯9不合格；如设计模型尺寸与导入的待测样品识别模型尺寸不一致且无裂纹缺陷，则返回步骤S3；
如设计尺寸与导入的待测样品识别模型尺寸一致且无裂纹缺陷，则矫形与缺陷检测完成。
第一断裂强度为陶瓷型芯9断裂强度的20％-30％；第二断裂强度为陶瓷型芯9断裂强度的5％-10％。
温度加载的温度一般为100-120℃。
以弧形氧化铝基陶瓷型芯9的矫形与检测过程为例，结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
实施例1
(1)采用光谱成像识别器1检测陶瓷型芯9的轮廓与缺陷，使用上位机10提取如图3(a)所示的零件待测样品识别模型，；
(2)对比待测样品识别模型与如图3(b)所示的设计模型，判断陶瓷型芯9是否存在形变/裂纹，发现该陶瓷型芯9尺寸与设计模型不一致且不存在裂纹缺陷，进入步骤(3)；
具体地，如图4所示，待测样品识别模型的左上方和左下方弧面尺寸高于设计模型。
(3)该样品变形区域为3*3cm2，启动矫形装置上面板5和下面板2中的对应位置的独立压头8，上下对应共9组，对变形位置的独立压头8进行位置输出，最大变形为0.5mm，其中变形位置与程度由待测样品识别模型和设计模型的对比得到；压头位移过程由导向板3保证位置的稳定性，导向板3与上面板5、下面板2通过固定螺栓4与固定螺母6与基台固定，同时用各个独立压头8端的传感探头、位移探头结合压力传感器7进行压力传感测试，记录压力数据，得到如表1所示的变形数据；
表1 9组压头的编号及其对应的变形
Figure BDA0003701212420000071
(4)检测各独立压头8的加压压力，尤其是变形最大位置(i＝2，j＝2)的压力，发现9组独立压头均达到矫形位置时，其最大压力(i＝2，j＝2位置)为4Mpa，并未达到氧化铝基型芯的25％断裂强度，其中，氧化铝基型芯的断裂强度平均22Mpa。
9组压头对应的平均变形量为(0.2+0.4+0.1+0.2+0.5+0.2+0.1+0.4+0.1)/9＝0.24mm，对变形位置(i＝2，j＝2)、(i＝2,j＝2)、(i＝2,j＝3)开启独立压头8表面升温装置进行温度加载，设定温度为120℃，并实时检测各压头8的压力，尤其是(i＝2，j＝2)、(i＝2,j＝2)、(i＝2,j＝3)压头的压力。3小时后，检测到(i＝2，j＝2)、(i＝2,j＝2)、(i＝2,j＝3)压头压力小于1.5Mpa，即小于1/10断裂强度，停止温度装置、随室温缓慢降温，温度降低至室温缓慢复位独立压头8；
(5)采用光谱成像识别器1检测陶瓷型芯9的轮廓与缺陷，如图5所示，
发现尺寸与导入的三维设计尺寸一致且无裂纹缺陷，则矫形与缺陷检测完成，陶瓷型芯8样品可进入下一环节。
其中，装置中独立压头呈现20*20的矩阵分布在20*20cm2的面积上，压头与待矫形样品的接触点面积为1～5mm2，接触点为柔性材料如橡胶材料，上独立压头和下独立压头分别由上下面板固定螺母连接到上、下面板上，通过压力监测和位置监测进行各个独立压头的运动控制，通过计算机处理器根据压力数据判断各压头对应位置的变形情况、设置对应独立压头的矫形温度。压头位移过程由导向板3保证位置的稳定性，导向板3与上面板5、下面板2通过固定螺栓4与固定螺母6与基台固定，同时用各个压头端的传感探头、位移探头结合压力传感器7进行压力传感测试，由计算机处理器记录压力数据。
实施例2
(1)采用光谱成像识别器1检测陶瓷型芯9的轮廓与缺陷，使用上位机10提取如图3(a)所示的零件待测样品识别模型，；
(2)对比待测样品识别模型与如图3(b)所示的设计模型，判断陶瓷型芯9是否存在形变/裂纹，发现该陶瓷型芯9尺寸与设计模型不一致且不存在裂纹缺陷，进入步骤(3)；
具体地，如图4所示，待测样品识别模型的左上方和左下方弧面尺寸高于设计模型。
(3)该样品变形区域为3*3cm2，启动矫形装置上面板5和下面板2中的对应位置的独立压头8，上下对应共9组，对变形位置的独立压头8进行位置输出，最大变形为0.5mm；压头位移过程由导向板3保证位置的稳定性，导向板3与上面板5、下面板2通过固定螺栓4与固定螺母6与基台固定，同时用各个独立压头端的传感探头、位移探头结合压力传感器7进行压力传感测试，记录压力数据，得到如表1所示的变形数据；
(4)检测各独立压头8的加压压力，尤其是变形最大位置(i＝2，j＝2)的压力，发现9组独立压头中(i＝2，j＝2)移动0.28mm、(i＝2,j＝2)移动0.25mm、(i＝2,j＝3)移动0.25mm已施加了氧化铝基型芯的25％断裂强度，未达到矫形位置，其余6组独立压头达到矫形位置。
此时，9组压头对应的平均变形量为(0.2+0.25+0.1+0.2+0.28+0.2+0.1+0.25+0.1)/9＝0.18mm。对变形位置(i＝1,j＝1)(i＝2,j＝1)、(i＝1,j＝2)、(i＝2,j＝2)、(i＝3,j＝2)、(i＝2,j＝3)开启独立压头8表面升温装置进行温度加载，设定温度为120℃，并实时检测各压头8的压力，尤其是(i＝1,j＝1)(i＝2,j＝1)、(i＝1,j＝2)、(i＝2,j＝2)、(i＝3,j＝2)、(i＝2,j＝3)压头的压力。3小时后，检测到(i＝1,j＝1)(i＝2,j＝1)、(i＝1,j＝2)、(i＝2,j＝2)、(i＝3,j＝2)、(i＝2,j＝3)压头压力小于1.5Mpa，即小于1/10断裂强度。
9组独立压头继续向矫形最终位置移动，并检测各独立压头的加压压力，发现9组独立压头均达到矫形位置时，其最大压力(i＝2，j＝2位置)为4Mpa，并未达到氧化铝基型芯的1/4断裂强度，其中，氧化铝基型芯的断裂强度平均22Mpa。
9组压头对应的平均变形量为(0.2+0.4+0.1+0.2+0.5+0.2+0.1+0.4+0.1)/9＝0.24mm，对变形位置(i＝2，j＝2)、(i＝2,j＝2)、(i＝2,j＝3)开启独立压头8表面升温装置进行温度加载，设定温度为120℃，并实时检测各压头8的压力，尤其是(i＝2，j＝2)、(i＝2,j＝2)、(i＝2,j＝3)压头的压力。3小时后，检测到(i＝2，j＝2)、(i＝2,j＝2)、(i＝2,j＝3)压头压力小于1.5Mpa，即小于1/10断裂强度，停止温度装置、随室温缓慢降温，温度降低至室温缓慢复位独立压头8；
(5)采用光谱成像识别器1检测陶瓷型芯9的轮廓与缺陷，如图5所示，
发现尺寸与导入的三维设计尺寸一致且无裂纹缺陷，则矫形与缺陷检测完成，陶瓷型芯样品可进入下一环节。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种陶瓷型芯的矫形与检测一体化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、提取陶瓷型芯(9)的待测样品识别模型；
通过光谱成像识别法检测陶瓷型芯(9)的轮廓与缺陷，得到待测样品识别模型；
S2、对比待测样品识别模型与设计模型，判断陶瓷型芯(9)是否存在形变/裂纹；
若存在毫米级以上形变或存在裂纹缺陷，则该陶瓷型芯(9)不合格；
若该陶瓷型芯(9)尺寸与设计模型一致且不存在裂纹缺陷，则样品不需要进行矫形且无缺陷；
如陶瓷型芯(9)存在毫米级及以下的变形，则启动矫形装置的各独立压头(8)，对陶瓷型芯(9)的变形位置进行输出，其中变形位置由待测样品识别模型和设计模型对比得到；
S3、独立压头(8)位移过程中，检测各独立压头(8)的加压压力，直至独立压头(8)达到矫形位置或达到第一断裂强度；
若独立压头(8)已施加第一断裂强度的压力，但仍未达到矫形位置，则进入步骤S4；
若独立压头(8)达到矫形位置，对矫形程度大于所有压力变形量平均值的局部进行温度加载，并逐渐减小各独立压头(8)的压力，当检测到压力小于第二断裂强度，逐步复位独立压头(8)，进入步骤S5；
S4、对压头对应变形量大于所有压力变形量平均值的局部进行温度加载，并实时检测各独立压头(8)的压力，如一段时间后检测到压力小于第二断裂强度，则进入步骤S3；
S5、采用光谱成像识别再次检测陶瓷型芯(9)的轮廓与缺陷，如存在裂纹，则该陶瓷型芯(9)不合格；如设计模型尺寸与导入的待测样品识别模型尺寸不一致且无裂纹缺陷，则返回步骤S3；
如设计尺寸与导入的待测样品识别模型尺寸一致且无裂纹缺陷，则矫形与缺陷检测完成。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷型芯的矫形与检测一体化方法，其特征在于，第一断裂强度为陶瓷型芯(9)断裂强度的20％-30％；第二断裂强度为陶瓷型芯(9)断裂强度的5％-10％。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷型芯的矫形与检测一体化方法，其特征在于，温度加载的温度为100-120℃。
4.一种陶瓷型芯的矫形与检测一体化装置，其特征在于，包括由上至下设置的上面板(5)、导向板(3)和下面板(2)，在上面板(5)上安装有多个由上至下贯穿上面板(5)和导向板(3)的上独立压头，在下面板(2)上安装有多个由下至上贯穿下面板(2)的下独立压头，下面板(2)的上表面用于放置待测零件，上独立压头用于与待测零件的上侧面接触，下独立压头用于与待测零件的下侧面接触；
上独立压头和下独立压头均与上位机(10)连接；
在导向板(3)和下面板(2)之间安装有用于识别待测陶瓷型芯(9)的光谱成像识别器(1)。
5.根据权利要求4所述的一种陶瓷型芯的矫形与检测一体化装置，其特征在于，上独立压头和下独立压头的前端嵌入有加热元件，加热元件与上位机(10)连接。
6.根据权利要求4所述的一种陶瓷型芯的矫形与检测一体化装置，其特征在于，上独立压头和下独立压头集成有压力传感器(7)和位移探头。
7.根据权利要求4所述的一种陶瓷型芯的矫形与检测一体化装置，其特征在于，上独立压头和下独立压头的接触点为柔性材料。
8.根据权利要求4所述的一种陶瓷型芯的矫形与检测一体化装置，其特征在于，上独立压头由固定螺母连接到上面板(5)上，下独立压头由固定螺母连接到下面板(2)上。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115753804A (zh) * 2022-12-06 2023-03-07 广东壹信智能科技有限公司 一种工业陶瓷外壁裂纹检测装置
CN116086348A (zh) * 2023-01-10 2023-05-09 江苏智疆航空科技发展有限公司 一种陶瓷型芯外形尺寸的快速检测器
CN116295108A (zh) * 2023-05-25 2023-06-23 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种矩阵式轮廓测量方法及装置

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