一种巴克豪森噪声法检测磨削烧伤时标定试样的制备方法与流程

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种利用巴克豪森噪声法检测磨削烧伤时标定试样的制备方法。

背景技术：

机械类产品中如齿轮、轴承、凸轮轴等经过热处理后往往还要进行磨削加工，以提高表面精度。在去除材料加工的几种方法中，磨削加工单位面积上的功率消耗远大于车削、铣削等其他方法。磨削区产生的热量60％-95％会直接传入工件，从而在工件表面形成瞬时高温，容易引起表面金相组织发生改变。当磨削工艺处理不当，如加工参数、冷却方法、砂轮状态等设置不当，会使工件表层金相组织、表层硬度发生改变，同时产生残余拉应力，这种现象称为磨削烧伤。磨削烧伤会影响零件的使用性能和寿命，是制约精密磨削质量的一个关键因素。当烧伤达到一定程度就会存在很大的安全、性能隐患，带来不可估量的经济损失。鉴于其严重的危害性，对磨削烧伤的预测和识别以及能否实现在线检测的问题一直是磨削加工领域研究的重要课题。

以机械装备的重要基础件---齿轮为例。齿轮产品门类齐全，广泛应用于航空船舶、兵器装备、机床工具、工程机械和仪器仪表等二十多个领域。然而，齿轮在磨削加工过程中与砂轮的接触区会产生瞬时高温，大部分热量直接传到齿轮表面，很容易引发齿面磨削烧伤问题。

齿轮齿面的磨削烧伤会影响齿轮的刚度、强度、承载能力和疲劳寿命。根据烧伤面积大小，可以将烧伤分为斑状烧伤、线条状烧伤及全面烧伤三类。为了更好地控制磨削烧伤，对烧伤齿轮及时地进行判别和筛选，避免烧伤齿轮流入销售和使用环节，对齿轮的磨削烧伤进行有效的检测非常重要。传统的检测方法多为破坏性检测法，受主观因素影响较大且存在破坏环境、检测效率低或操作复杂等各种弊端。随着工业自动化和智能化程度的不断发展，一种新型的检测方法---巴克豪森噪声检测技术逐渐显示出其独特的优越性。该方法操作简单、效率高、不损伤工件、安全污染，还可以直接隔着镀层对基体烧伤与否进行检测。

由于该检测方法较新颖，还未曾全面应用并且没有针对该方法相关的标准规范和标定试样，因而在实际检测时无法校验仪器，准确判定烧伤是否存在的临界值并进行烧伤等级评价。

理想的标定试样的制备是直接采用机械磨削加工，通过改变加工工艺，产生磨削烧伤，然而这样得到的烧伤程度不够均匀，不可控因素多；电磁感应加热法也可以对试样进行瞬间加热，产生不同程度的烧伤，但需要的加热时间较长，热影响区较大，最重要的是这种方法加工出的烧伤缺陷难以控制烧伤形状和级别。

技术实现要素：

针对上述巴克豪森噪声检测技术存在的问题，本发明的目的是提出一种通过单脉冲激光加工来制备巴克豪森噪声法检测磨削烧伤时标定试样的方法，激光辐照在试件表面上产生瞬时高温，模拟在齿轮加工过程中的磨削热，产生烧伤；通过调节激光加工参数并进行优化来制作不同程度的烧伤试样。

为实现上述目的，本发明采用的技术解决方案是：

一种巴克豪森噪声法检测磨削烧伤时标定试样的制备方法，采用以下的步骤:

步骤1、选取与待检测齿轮材质和热处理相同的齿轮，使用线切割的方式将单个轮齿分离下来作为待加工试件材料；

步骤2、选用脉冲激光器对单个轮齿进行加工，将单个轮齿用工业橡皮泥固定在工作台上，调整工作台高度，改变轮齿表面到激光焦平面的距离，确定合适的光斑大小；

步骤3、改变激光的储能电压、脉冲宽度加工出不同程度的烧伤斑；

步骤4、优化加工参数，制备合适的不同烧伤程度的标定试样。

作为优选，所述的制备试样的材料、加工工艺、热处理方法及形状均与被检测的试件相同，确保标定试样与真实试件表面相似，并且采用相同的测量方式。

作为优选，标定试样要与被测试件采用相同的测量方式，测量包括表层硬度、残余应力、金相组织、巴克豪森噪声信号的特征值。

作为优选，所述的标定试样采用脉冲激光进行加工，激光烧伤模拟磨削过程由于砂轮—工件接触区的瞬时高温导致的磨削烧伤。

作为优选，所述的脉冲激光加工采用的是nd:yag脉冲激光器，其波长为1064nm，有利于试样表面对激光的吸收。

作为优选，所述的nd:yag脉冲激光器采用单脉冲模式，通过单个脉冲辐照在试样表面上产生斑状烧伤。

作为优选，所述的单脉冲激光加工过程中，对实验有影响的可变加工参数包括储能电压、脉宽、离焦量。

作为优选，综合考虑齿宽、基于巴克豪森原理制成的烧伤检测仪探头尺寸及能量的集中程度根据确定加工位置的间隔和光斑大小，使激光产生的斑状烧伤在齿面上均匀分布。

作为优选，通过调节离焦量可以改变激光烧伤的光斑大小，通过调节储能电压和脉宽参数实现不同烧伤程度的加工。

作为优选，根据能量计显示的激光输出能量对加工参数进行优化，以得到最佳的温度，实现对烧伤程度的控制。

本发明还提供一种巴克豪森噪声法检测磨削烧伤时标定试样的制备方法，包括以下步骤:

步骤1、选取与待检测齿轮材质和热处理相同的直齿轮，使用线切割的方式将单个轮齿分离下来作为待加工试件材料；

步骤2、选用nd:yag激光器对单个轮齿进行加工，将待加工的轮齿用工业橡皮泥固定在工作台上，调整试件角度，保证垂直辐照的激光每次以相同的入射角进行加工。调节工作台高度，确定最佳光斑大小为焦平面以下13mm；

步骤3、激光器选择单脉冲模式，初始状态设定为1/2量程,即电压600v、脉宽5ms，在工作齿面进行激光辐照，记录好加工时的各参数及每个烧伤斑标号对应的烧伤现象；

步骤4、根据烧伤后的表面颜色对烧伤试样进行简单的分级。黄色为轻微烧伤，褐色为中度烧伤，青色、蓝色、灰白色为严重烧伤；

步骤5、根据初始参数的烧伤现象，进一步划分参数改变范围及间隔，结合能量计显示的脉冲激光的能量对激光加工的参数进行优化，针对这一试样确定了电压开始出现明显轻度烧伤时为600v,脉宽5ms，对应能量计的示数为18.4w·s，为了制备不同烧伤程度标定试样的可通过改变电压或脉宽参数实现，电压参数间隔为50v，脉宽间隔为1ms，间隔增大一次，烧伤程度增大一个等级；

步骤6、观察烧伤表面颜色初步估计烧伤程度后，再通过金相切片及应力进行检测，验证并细化烧伤等级的划分。

步骤7、重复步骤步骤2-5，可以得到不同材料、不同外形、不同烧伤程度的标定试样，所述外形为齿轮、轴承、钢板形状。

本发明所述的技术方案具有如下优点：

(1)激光烧伤制备巴克豪森噪声法检测磨削烧伤时标定试样的方法对于烧伤缺陷的形状和级别可以实现人工控制，重复性好，适用于工程领域的应用。

(2)由于选用了相同工艺下的试件材料和热处理方式，得到的标定试样与被检测齿轮有良好的相关性，确保了轮齿表面对激光的吸收率相同，校准设备具有较强的可信度。

(3)本发明采用的激光为单脉冲激光，激光加工设备操作及试样制备过程比较简单，并且无需横向进给，因而对实验台要求较低，应用范围广泛。

附图说明

图1：激光加工系统示意图；

图2：nd:yag激光器基本结构图；

图3：工作齿面激光烧伤斑点位置分布；

图4：齿轮磨削烧伤巴克豪森检测的标定试样。

图1中，1—工作台，2—支架，3—光纤，4—能量计，5—激光器，6—电气柜，7—主开关，8—水冷系统，9—被加工试样，10—激光头，11—透镜；

图2中，1—全反射镜，2—nd:yag晶体，3—聚光腔，4—输出镜，5—激光，6—泵浦氙灯。

具体实施方式

本发明提供一种巴克豪森噪声法检测磨削烧伤时标定试样的制备方法，通过单脉冲nd:yag脉冲激光辐照试样表面形成烧伤，激光烧伤模拟磨削过程由于砂轮—工件接触区的瞬时高温导致的磨削烧伤，来制备巴克豪森噪声法检测磨削烧伤的标定试样。nd:yag激光器波长为1064nm，小于常用的co2激光器波长(10.6um)。又由于激光的波长越短，试样表面对激光的吸收率越高，因此实验选用nd:yag激光器。此外，单脉冲激光加工的扫描速度为零，从而可以产生斑状烧伤，如图2所示，所述nd:yag激光器包括：全反射镜、nd:yag晶体、聚光腔、输出镜、激光、泵浦氙灯。

激光加工系统中，激光器是固定不动的，出射的激光会垂直照射到试样表面，实验过程中只需调整试件的位置即可，如图1所示，激光加工系统包括：工作台、支架、光纤、能量计、激光器、电气柜、主开关、水冷系统、被加工试样、激光头、以及透镜。

一种巴克豪森噪声法检测磨削烧伤时标定试样的制备方法，齿轮磨削烧伤巴克豪森检测的标定试样，如图4所示，采用以下步骤进行操作:

(1)选取与待检测齿轮材质和热处理工艺相同的齿轮，采用线切割加工将单个轮齿从整体上分离出来，作为待加工的试样材料。

(2)用无水乙醇清洗轮齿表面的脏污(油脂、污迹、指纹和尘土等)，否则会影响齿面对激光的吸收率。

(3)将单个轮齿用工业橡皮泥固定在工作台上，调整工作台高度，改变轮齿表面到激光焦平面的距离，确定合适的光斑大小。

(4)改变激光的储能电压(电压)、脉宽加工出不同程度的烧伤斑。

(5)优化加工参数，制备合适的不同烧伤程度的标定试样。

nd:yag激光器选择单脉冲模式进行加工；储能电压的范围为400-800v，激光的脉宽为0.1-10ms。

通过控制单一变量法可以研究电压、脉宽对激光烧伤程度的影响。不同材料、不同表面粗糙度对激光的吸收率不同，所以针对某一特定表面得到的加工参数对其他被加工试样的参考意义不大。参量改变间隔应≤20％*(最大量程-最小量程)。

每次更换轮齿后都需将轮齿重新调整位置，确保每次实验时的激光入射角度保持一致。综合考虑齿宽、基于巴克豪森原理制成的烧伤检测仪探头尺寸及能量的集中程度根据确定加工位置的间隔和光斑大小，使激光光斑在齿面上均匀分布，其中心应处于整个齿宽方向的1/3、2/3处、齿高方向的1/2处，便于后续测量，如图3所示。

更换被加工材料后需要根据试样重新调节离焦量，找到合适的光斑大小及位置。试件放置的方向及倾角要一致，确保激光每次都以相同的入射角辐照在表面上。

根据烧伤后试样表面颜色变化初步划分烧伤等级。黄色为轻微烧伤，蓝黑色乃至于灰色为严重烧伤。最后结合表面硬度、残余应力及金相组织，进一步验证和细化烧伤等级的划分。

结合烧伤后表面颜色和能量计显示的单脉冲激光能量对激光加工参数进行优化，目的在于得到产生最合适的温度。温度过高，会造成残余应力发生显著改变而使巴克豪森噪声信号达到饱和状态，温度过低，则达不到想要的结果。

观察烧伤表面颜色初步估计烧伤程度后，再通过金相切片及应力进行检测，验证并细化烧伤等级的划分，使加工出的标定试样更加可靠，经过标定的磨削烧伤检测仪的测量结果更有说服力。

以法士特变速箱直齿轮试样为例，介绍标定试样的制备过程，但不局限于这一种材料。

1、选取与待检测齿轮材质和热处理相同的直齿轮，使用线切割的方式将单个轮齿分离下来作为待加工试件材料。

2、选用nd:yag激光器对单个轮齿进行加工，将待加工的轮齿用工业橡皮泥固定在工作台上，调整试件角度，保证垂直辐照的激光每次以相同的入射角进行加工。调节工作台高度，确定最佳光斑大小为焦平面以下13mm。

3、激光器选择单脉冲模式，初始状态设定为1/2量程,即电压600v、脉宽5ms，在工作齿面进行激光辐照，记录好加工时的各参数及每个烧伤斑标号对应的烧伤现象。

4、根据烧伤后的表面颜色对烧伤试样进行简单的分级。黄色为轻微烧伤，褐色为中度烧伤，青色、蓝色、灰白色为严重烧伤。

5、根据初始参数的烧伤现象，进一步划分参数改变范围及间隔，结合能量计显示的脉冲激光的能量对激光加工的参数进行优化。针对这一试样确定了电压开始出现明显轻度烧伤时为600v,脉宽5ms，对应能量计的示数为18.4w·s。为了制备不同烧伤程度标定试样的可通过改变电压或脉宽参数实现，电压参数间隔为50v，脉宽间隔为1ms，间隔增大一次，烧伤程度增大一个等级。

6、观察烧伤表面颜色初步估计烧伤程度后，再通过金相切片及应力进行检测，验证并细化烧伤等级的划分。

7、重复步骤2-5，可以得到不同材料、不同外形、不同烧伤程度的标定试样。

本发明方法以齿轮为例进行说明，但本发明涉及的标定式样的方法，不仅仅局限于齿轮，还包括轴承、套圈等利用巴克豪森噪声原理制成的检测仪进行磨削烧伤检测的所有铁磁性材料，试样的形状依据被测试件而定，不局限于单个轮齿或平面钢板。