超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置及方法，具体地说是利用超 声波原理测量丝杠表面淬火层厚度，属于机械工程领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着装备制造业的整体水平不断提高，对数控机床核心部件滚珠丝杠副 的性能要求越来越高，丝杠表面淬火是丝杠重要工艺，严重影响着丝杠质量、使用寿命。而 当今对丝杠表面淬火层厚度测量还停留在有损检测，具体作法为先切片，然后酸蚀，最后用 显微镜测量，其过程啰嗉、复杂、不易控制，人作为主要因素会带来很大的误差，严重影响滚 珠丝杠表面淬火层厚度的测量，降低了测量精度，大多数的丝杠为双圆面或单圆面，其表面 淬火层厚度测量本身非常复杂，作为圆面，其直径非常小，测量过程不易控制，淬火层厚度 只有几毫米甚至更小，测量精度难以得到保证，所以研发一种超声波测量丝杠表面淬火层 厚度的装置是很有必要的。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种超声波测量丝杠表面淬火 层厚度装置及方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0005] 超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置，包括收发探头，收发探头与控制器连接；所 述收发探头由收发探头稳定定位装置进行准确定位，收发探头稳定定位装置与耦合剂涂抹 装置相配合，耦合剂涂抹装置将耦合剂涂抹在收发探头和被测表面之间；
[0006] 所述收发探头稳定定位装置包括固定装置，所述固定装置上固定偶数个支撑架， 支撑架分布于收发探头两侧；所述耦合剂涂抹装置固定于固定装置上，耦合剂涂抹装置包 括旋转机构，旋转机构下部与耦合剂喷嘴连接。
[0007] 所述固定装置为回字型支架，所述支撑架通过连接元件固定于回字型支架的下部 支架上，所述支撑架以回字型支架的中心线对称分布；所述收发探头固定在回字型支架的 下部支架的中心处；使支撑架在收发探头的两侧起到均匀支撑作用，保证收发探头位置的 准确。
[0008] 优选的，所述支撑架的中心线与回字型支架的竖直中心线的夹角为30度；保证收 发探头中间线测量沿丝杠曲面法线方向进行，测量结果重复性在5 μ m以内。
[0009] 进一步优选的，所述回字型支架的下部支架为弧形结构，使连接元件更方便的固 定在下部支架上。
[0010] 进一步优选的，所述连接元件位于弧形结构的法线方向上；可以使连接元件在与 回字型支架的固定处利用螺栓螺母与下部支架相贴合固定，避免螺栓螺母与下部支架有夹 角造成固定不稳。
[0011] 所述支撑架的底部为半圆球形，配合在丝杠圆弧曲面上，起到对收发探头的支撑 作用。
[0012] 所述旋转机构包括倒L型传动轴，所述倒L型传动轴固定在回字型支架的上部支 架的中心处；所述倒L型传动轴下部连接主动齿轮，所述主动齿轮与从动齿轮相啮合连接。
[0013] 所述倒L型传动轴的横向结构位于回字型支架的上部支架外，且横向结构与手动 摇杆连接；所述倒L型传动轴的竖向结构位于回字型支架内。
[0014] 所述从动齿轮的中心固定与从动齿轮轴线相平行的喷嘴连接管，所述喷嘴连接管 底部与耦合剂喷嘴连接。
[0015] 所述耦合剂喷嘴为弧形结构，且耦合剂喷嘴的底端部弯向主动齿轮的轴线位置； 使耦合剂在淬火层上均匀涂抹，并且使耦合剂在收发探头与淬火层的接触四周都涂抹耦合 剂。
[0016] 优选的，所述回字型支架的下部支架中部设有转台，所述收发探头固定在转台上； 所述转台与从动齿轮通过连接件固定连接，所述喷嘴连接管穿过转台，使喷嘴连接管在随 从动齿轮转动过程中不受回字型支架的影响。
[0017] 优选的，所述喷嘴连接管上设有调节开关，调节开关根据从动齿轮的转速和收发 探头与淬火层的间隙调节耦合剂流速。
[0018] 所述控制器连接有显示器，将测量结果用数显式方式显示出来。
[0019] 超声波测量丝杠表面淬火层厚度方法，包括以下步骤：
[0020] 步骤1 :将超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置放置于被测物的被测表面，收发 探头稳定定位装置将其稳定在被测表面上，利用耦合剂涂抹装置在淬火层均匀涂抹耦合 剂；
[0021] 步骤2 :控制器控制收发探头的超声波的发射与接收，根据超声波的反射时间和 选定的声速确定被测表面的淬火层厚度。
[0022] 所述步骤1的具体步骤为：
[0023] 将超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置放置于被测物的被测表面，收发探头稳定 定位装置将其稳定在被测表面上，匀速摇动手动摇杆通过倒L型传动轴带动主动齿轮转 动，从动齿轮跟随主动齿轮做公转，转台与从动齿轮做同样转动，喷嘴连接管与耦合剂喷嘴 跟随从动齿轮转动，利用调节开关调节耦合剂流速，由耦合剂喷嘴匀速转动，使耦合剂均匀 涂抹在收发探头与被测表面淬火层之间。
[0024] 所述步骤2的具体步骤为：
[0025] 为控制器输入选定的声速V，将收发探头放置于涂有耦合剂的被测表面上，保证收 发探头与被测表面耦合良好；
[0026] 发送超声波进入被测表面淬火层，超声波从被测表面淬火层临界表面开始计时， 到达被测表面淬火层边界底面会将超声波反射，收发探头接收到反射回的超声波，得到此 周期时间tl ;同时超声波由被测表面淬火层临界表面返回，第二次在被测表面淬火层边界 底面反射后收发探头接收第二次周期时间t2,超声波在淬火层飞行时间确定为t = t2_tl ; 以指定的周期重复发送和接收多次，则被测表面淬火层厚度S为：
[0028] 优选的，所述步骤2中，在对被测表面的同一测定点进行测量淬火层厚度时，利用 收发探头进行两个方位测量，在两个方位测量中收发探头的同一轴向分割面要互为90°， 取测量值的较小值为被测表面该位置的淬火层厚度值。
[0029] 所述步骤2中，在两个方位测量得到测量值极差大于0. 3mm(GB/T5617-2005)时， 以该测定点为圆心，在被测表面的切面方向上做直径为30mm的圆，该圆在被测表面上存在 投影，在被测表面上投影内利用收发探头取多个测定点进行多次测量，取测量值的最小值 为被测表面淬火层厚度值。
[0030] 本发明的有益效果为：
[0031] 本发明的超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置可以在不破坏滚珠丝杠工作状态 的前提下，对丝杠淬火层厚度进行检验，测厚；操作简单，周期短、成本低、灵活方便、效率 高，对人体无害等优点，并能把检测结果用数显式方式精确的表示出来，测量结果更加准 确。
【附图说明】
[0032] 图1为本发明超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置的应用示意图；
[0033] 图2为本发明超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置的结构示意图；
[0034] 图中，1、轴承，2、丝杠，3、丝杠螺母，4、收发探头稳定定位装置，5、联轴器，6、电机， 7、控制器，8、手动摇杆，9、传动轴，10、固定装置，11、齿轮I，12、齿轮II，13、螺母，14、垫片， 15、螺栓，16、淬火层，17、支撑架，18、转台，19、调节开关，20、喷嘴连接管，21、耦合剂喷嘴， 22、收发探头。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0036] 如图1所示，为超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置在测量丝杠淬火层厚度时的 应用示意图，丝杠2由左右两个轴承1连接，右侧轴承1通过联轴器5与电机6连接，丝杠2 上配合有丝杠螺母3,丝杠的外圆弧面上放置收发探头稳定定位装置4,收发探头稳定定位 装置4与控制器7连接。
[0037] 如图2所示，超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置，是由收发探头22 (超声波发射 头，超声波接收头）、控制器7 (液晶显示屏，控制系统）、收发探头稳定定位装置4和耦合剂 涂抹装置组成，其中收发探头稳定定位装置4,是由固定装置10、螺母13、垫片14、螺栓15、 支撑架17组成，耦合剂涂抹装置，是由手动摇杆8、传动轴9、齿轮I 11、齿轮II 12、转台18、 调节开关19、喷嘴连接管20、耦合剂喷嘴21组成。
[0038] 超声波发射探头频率为5~10MHz，测量精度达到±0. 01mm，声波频率越高，测量 精度越高，在控制好成本的情况下应尽量选择高频率测量。确定超声波的发射速度，高温 下，超声波速度会降低，应保证丝杠2温度在93度以下，选取两块淬火层16试块，利用不同 的超声波速度测量试块厚度，测量正确后确定声速v。丝杠2淬火层16厚度小于18mm，测 厚装置工作方式选取延时方式，第一次底面反波为nl，第二次底面反波为n2,第二次接收 声波时间与第一次接受声波时间之差为声波在淬火层飞行时间t。
[0039] 目前，国内应用最广泛的丝杠2滚道截面形有单圆弧和双圆弧，丝杠2圆弧曲面测 量面为凹面，凹面接触时存在空腔间隙μ，而耦