一种螺栓对比试块的疲劳裂纹人工模拟方法与流程

本发明属于疲劳探伤检测技术领域，尤其涉及一种螺栓对比试块的疲劳裂纹人工模拟方法。

背景技术：

对接螺栓是飞机上的关键承力构件，飞机机身与中央翼对接、水平安定面和垂直安定面与机身对接、主起落架内外侧支柱与机身连接、发动机安装架与承力构架对接等等都是采用螺栓连接。这些对接螺栓的安全与否关系整个飞机的飞行和试验安全。

如在某飞机疲劳试验中，平尾通过连接螺栓固定在机身上，该机整机设计寿命为14000飞行小时，在经历4500小时后平尾连接螺栓出现断裂。根据该处螺栓的受力分析、螺栓断口分析的裂纹扩展的数据和损伤容限设计的分析计算，要保证该处螺栓结构在维修期内螺栓整体不出现断裂破坏，需要在该处螺栓出现裂纹深度为1.0mm时更换新的螺栓。该处螺栓采用过盈配合装配，拆卸后难于二次装配，因此需要对该处螺栓采用非拆卸状态下的原位超声检测。

超声原位检测中最为关键的一步为检测灵敏度调节，而灵敏度的调节依据是在对比试块上完成的，因此对比试块的制作直接影响着最终的检测结果。

目前常用的对比试块制作方法是采用钼丝切割的方法制作的。采用钼丝切割制作的对比试块，得到的检测平面为一月牙型圆弧面，如图1所示，图中h为钼丝切割深度也就是需要检测的人工裂纹深度，阴影面即为切割面也就是超声原位检测时的检测反射面。

对疲劳试验件进行断口分析，发现很多试件裂纹扩展早期，裂纹的扩展所形成的断面是以裂源为中心不同半径长的类扇形面，如图2所示。裂纹的这种扩展形式在螺栓断口中尤为突出。

将钼丝切割面(弧形面)与自然裂纹断面(多个扇形面)画于同一圆中，如图3所示，可以清晰的看到钼丝切割所得的人工检测切割面大于自然裂纹断面。所得的截面也就是超声检测反射面不同，所需的超声检测灵敏度也就不同。在超声检测中反射面的面积决定着超声灵敏度的大小，反射面越大检测所需灵敏度越小，这就会导致一些较小的裂纹不容易被发现，随意的提高灵敏度又会对裂纹的定性判断及裂纹大小的判断带来影响。

技术实现要素：

本发明是针对上述现有钼丝切割超声螺栓对比试块人工切割面模拟疲劳裂纹面与真实疲劳裂纹面存在较大的面积差异的难题，而研究针对模拟更加接近于真实疲劳裂纹面大小的对比试块制作的方法，其目的是为飞机上的连接螺栓提供的一种可靠的超声检测对比试块。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种螺栓对比试块的疲劳裂纹人工模拟方法，采用中心旋转圆或圆弧形刀具对螺栓进行加工，加工出具有与螺栓疲劳扩展断口相同的弧形疲劳裂纹断面。

进一步地，利用疲劳断口分析得到的疲劳裂纹断面形态，根据断面裂纹深度及弦长计算出中心旋转圆的半径或所使用圆弧形刀具的半径，

关系式如下：

$r=\frac{2h-2R+\sqrt{4R^2-d^2}}{4}+\frac{d^2}{2h-2R-\sqrt{4R^2-d^2}},(0\<h\≤R,0\<d\≤R)$

式中，r为中心旋转圆或圆弧形刀具的半径，h为检测裂纹深度，R为螺栓半径，d为圆弧弦长。

进一步地，采用中心旋转圆或圆弧形刀具的厚度在1mm以内。

进一步地，加工时所使用的中心旋转圆或圆弧形刀具的中心轴线与所述螺栓的轴线平行，用于得到与螺栓轴线垂直的切割面。

本发明的螺栓对比试块的疲劳裂纹人工模拟方法可真实有效的模拟螺栓断口处的自然裂纹反射面，使得对螺栓的探伤更加精确，具有简单、精确、易加工等优点。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为现有技术的钼丝切割螺栓对比试块剖面图。

图2为现有技术的螺栓疲劳扩展断口示意图。

图3为现有技术的钼丝切割面与疲劳扩展断面对比示意图。

图4为本发明一实施例的螺栓对比试块切割图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例型的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造型劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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保护范围的限制。

本发明的螺栓对比试块的疲劳裂纹人工模拟方法是利用圆或圆弧型切割工具加工超声螺栓对比试块用来人工模拟疲劳裂纹，对已发现疲劳裂纹的多个螺栓进行断口分析，找到螺栓疲劳裂纹断面的共同特点，既裂纹的扩展所形成的断面是以裂源为中心不同半径的类扇形面，如图2所示。

本发明的螺栓对比试块的疲劳裂纹人工模拟方法在加工螺栓时，使螺栓疲劳裂纹断面与螺栓轴线垂直，通过比较各种不同的加工方法，采用中心旋转圆或圆弧形刀具可以切割出与类扇形相同的断面。

本发明的螺栓对比试块的疲劳裂纹人工模拟方法利用断口分析得到的疲劳裂纹断面形态，根据裂纹深度及弦长推计算与圆的半径(即中心旋转圆或圆弧形刀具的半径)即关系式如下(如图4所示)：

$r=\frac{2h-2R+\sqrt{4R^2-d^2}}{4}+\frac{d^2}{2h-2R-\sqrt{4R^2-d^2}},(0\<h\≤R,0\<d\≤R)$

式中，r为圆的半径，h为检测裂纹深度，R为螺栓半径，d为圆弧弦长。

本发明的螺栓对比试块的疲劳裂纹人工模拟方法根据所需切割裂纹的深度，确定中心旋转圆或圆弧形刀具的半径，刀具的厚度应控制在1mm以内，因为真实疲劳裂纹均比较细小，所示切割出来的裂纹也应比较细小，所以采用较薄的刀具可以使切割出来的断面与真实的疲劳断面更加吻合。

本发明的螺栓对比试块的疲劳裂纹人工模拟方法所使用的中心旋转圆或圆弧形刀具的中心轴线与螺栓轴线平行，切割面螺栓轴线垂直。

本发明的螺栓对比试块的疲劳裂纹人工模拟方法采用中心旋转圆或圆弧形刀具切割所得人工切割反射面与自然裂纹反射面较为一致，使得相同灵敏度条件下的采用中心旋转圆或圆弧形刀具切割的人工切口反射面较钼丝切割所得人工切口反射面较小，精度检测较高。

本发明的螺栓对比试块的疲劳裂纹人工模拟方法原理如下：

本发明的方法使用的原理是超声脉冲回波法，超声纵波声束从螺栓头部或尾部端面入射螺栓内部，脉冲波在螺栓中传播，当遇到界面时产生反射，反射波被接收晶片接收到，经声—电转换反射信号显示在荧光屏上，通过分析反射信号，可以获取螺栓是否存在缺陷等被检螺栓质量信息。超声波反射的程度主要取决形成界面的大小。形成的界面越大，反射信号越强烈，反之反射信号越弱。只有切割反射面与自然裂纹反射面较为一致才能正确反映裂纹的真实情况。

采用中心旋转圆或圆弧形刀具加工模拟疲劳裂纹，可以得到与自然裂纹反射面较为一致的人工反射面，达到正确反映裂纹真实情况的目的。

本发明的螺栓对比试块的疲劳裂纹人工模拟方法具体切割步骤如下：

步骤一：根据要求检测裂纹深度计算所需圆或圆弧刀具的半径；

步骤二：安装并固定切割刀具；

步骤三：将螺栓固定在夹具上，保证刀具的中心轴线与螺栓轴线平行，切割面螺栓轴线垂直；

步骤四：设置所需进刀深度及旋转速度；

步骤五：旋转切割；

步骤六：取下螺栓清洗干净，测量裂纹深度及弦长是否符合要求。若不符合要求重复二至五步骤；

步骤七：用超声脉冲反射法检测对螺栓裂纹，调节灵敏度，达到裂纹评判要求。

本发明的螺栓对比试块的疲劳裂纹人工模拟方法可真实有效的模拟螺栓断口处的自然裂纹反射面，使得对螺栓的探伤更加精确，具有简单、精确、易加工等优点。

以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。