一种检测热源成型的微小孔孔壁重铸层厚度的装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种检测热源成型的微小孔孔壁重铸层厚度的装置及方法，本发明基于不同材料重铸层的力学属性与其厚度的关系，提出利用分层样件进行实验与检测，在确定重铸层力学参数后便可快速完成实验后微小孔孔壁重铸层厚度的测量。重铸层厚度检测根据所测力方向的不同，可分为两套不同的检测系统，分别通过测试层间重铸层拉应力或切应力来确定重铸层厚度，本发明可以有效提高相关实验研究的效率。
【专利说明】一种检测热源成型的微小孔孔壁重铸层厚度的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微小孔孔壁重铸层厚度检测领域，具体涉及在利用热源加工(激光、电火花、电子束等)微小孔时，孔壁所形成的重铸层厚度的快速检测装置与方法。
【背景技术】
[0002]在航空发动机与大型能源动力装备的制造领域中，都会涉及到燃气轮机涡轮叶片等热端部件表面海量气膜冷却孔的加工，而当下国内普遍采用的方法为电火花加工或激光加工，这两种方法都属于热源加工，即都是通过局部加热的方式使材料发生熔化和气化，达到去材成孔的目的。然而，热源加工微小孔至今仍有一个未解决的问题，就是加工过程中会在孔壁产生重铸层，重铸层的存在破坏了基体材料性质的一致性，并且其中分布有微裂纹，大大降低了热端部件的服役寿命，构成对整体装备安全性的潜在威胁。
[0003]为了去除热源加工中孔壁的重铸层，国内各研究院所和高校展开了大量的相关实验研究工作。在传统的实验检测方法中，为了检测孔壁重铸层的厚度，需要对实验样品进行以下几个步骤的处理:1.样片切割；2.镶嵌制样；3.粗磨；4.细磨；5.抛光；6.金相腐蚀；
7.利用金相显微镜进行不同位置的观察与测量，求平均值；8.记录。这种检测方法的优点是直观，但缺点是费时费力，单个样品检测周期太长，当需要检测的参数点过多时，利用这种方法将严重影响研究的进度。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种检测热源成型的微小孔孔壁重铸层厚度的装置及方法，能够快速检测热源方法加工的微小孔孔壁重铸层厚度。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案:
[0006]一种检测热源成型的微小孔孔壁重铸层厚度的装置，包括分层样件以及重铸层厚度检测系统，所述分层样件包括相互叠合的上下两层平板样件，分层样件上具有若干个采用相同的热源加工方法加工的微小孔，微小孔穿透分层样件的上下两层平板样件，上下两层平板样件由微小孔孔壁重铸层连接为一个整体；所述重铸层厚度检测系统包括计算机、用于向分层样件施加拉力或剪切力的施力机构以及用于检测上下两层平板样件交界处微小孔孔壁重铸层所能承受的拉应力或剪切应力的应力传感器，应力传感器与计算机相连。
[0007]所述热源加工方法为激光加工、电火花加工、电子束加工或离子束加工。
[0008]所述施力机构包括样件夹持器，样件夹持器包括安装平台、设置于安装平台上的用于放置分层样件的载物台以及设置于载物台两端上的紧固支架，紧固支架上设置有紧固螺栓，紧固螺栓的下端顶压于分层样件的下层平板样件上。
[0009]所述施力机构还包括拉力杆或推力杆，拉力杆竖直设置于载物台上方，拉力杆的下端设置有用于连接分层样件的上层平板样件的样品抓持器；推力杆水平设置，推力杆的一端与分层样件的上层平板样件的一端相对；应力传感器设置于拉力杆或推力杆上。
[0010]所述施力机构还包括门形压块，门形压块的上端与紧固螺栓的下端相连，紧固螺栓通过门形压块顶压于分层样件的下层平板样件上，推力杆设置于门形压块内。
[0011]所述施力机构还包括与推力杆相连的顶块，推力杆通过顶块施力于分层样件的上层平板样件的一端。
[0012]所述载物台包括两个载样台，两个载样台间留有间隔，两个载样台的上表面处于同一水平面内，两个载样台的下表面与安装平台相连。
[0013]上述检测热源成型的微小孔孔壁重铸层厚度的装置的检测方法，包括以下步骤:
[0014]I)完成分层样件加工后将分层样件的下层平板样件紧固；
[0015]2)经过步骤I)后，通过施力于分层样件的上层平板样件的拉力杆或推力杆向分层样件上层施加拉力或剪切力；
[0016]3)经过步骤2)后，计算机根据应力传感器的检测结果、分层样件上微小孔的数量以及重铸层厚度与重铸层力学属性的关系计算并输出上下两层平板样件交界处微小孔孔壁重铸层的平均厚度，即微小孔对应孔深位置处的平均重铸层厚度。
[0017]所述分层样件的加工方法为:
[0018]选择两层平板样件并进行叠合，将叠合后的两层平板样件夹紧后进行微小孔的加工得到分层样件，两层平板样件在加工微小孔时因生成的孔壁重铸层而连接在一起。
[0019]所述两层平板样件的厚度根据需要检测的微小孔孔深位置确定。
[0020]本发明的有益效果为:
[0021]与现有金相检测重铸层厚度技术相比，本发明利用重铸层的力学属性与其厚度的对应关系，采用重铸层厚度检测系统对分层样件内的重铸层进行力学检测，基于计算机中的各类实验材料的力学属性与重铸层关系的数据库，可以快速实现微小孔孔壁重铸层厚度的检测；本发明无需通过步骤繁琐的金相观察获取重铸层厚度，具有成本低、耗时短、操作简单的特点，可有效提升工作效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是热源(激光)加工微小孔时的样品夹持形式示意图；
[0023]图2是实施例所述检测形式一的检测原理示意图(通过检测分层样件层间的拉应力确定重铸层厚度)；
[0024]图3是实施例所述检测形式二的检测原理示意图(通过检测分层样件层间的剪切应力确定重铸层厚度)；
[0025]图中:1为透镜，2为激光束，101为载样台，102为样品抓持器，103为紧固螺栓，104为拉力杆，105为应力传感器，106为传感器信号处理器，107为计算机，108为紧固支架，109为安装平台，201为载样台，202为紧固螺栓，203为门形压块，204为推力杆，205为应力传感器，206为传感器信号处理器，207为计算机，208为紧固支架，209为安装平台，210为顶块，3为重铸层，A为样件上层，B为样件下层，F1为拉力，F2为推力。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
[0027]本发明提出了一种微小孔孔壁重铸层厚度检测装置以及方法。本发明将重铸层的力学属性与其厚度建立起对应关系，通过对重铸层力学参数的测量间接地得到重铸层的厚度数据。重铸层的力学参数，包括不同孔壁位置重铸层所能承受的最大拉应力或者切向应力。这种检测方法的特点是效率和准确度都很高，因为只要将微小孔加工实验完成后的分层样件放在本发明所设计的设备上，就可以从显示屏上读出重铸层厚度的整周长平均值。这种检测方法的前提是，已经通过传统的检测方法对所测试的实验材料系统地进行了力学属性与重铸层厚度关系的统计，形成了可靠的数据库。
[0028]所述装置主要包括:样件夹持器以及基于样件夹持器的两种形式的重铸层厚度检测系统。
[0029]如图1所示，样件夹持器包括可将不同厚度样件A、B层平行夹紧的夹具体和紧固元件。夹具体包括安装平台以及分别设置于安装平台上两端的两个载样台，载样台上设置有紧固支架，紧固元件设置于紧固支架上，夹具体将样件固定后，在样件下方留有一定空间(载样台间的间隔)，以便加工屑的排出和装卸样件，两端载样台在同一水平面；紧固元件为可上下调节的螺栓，螺栓垂直于载样台，能以顶压的形式将样件固定在载样台上；夹具体通过安装平台可整体固定于加工实验的运动平台上。
[0030]重铸层厚度检测系统形式一(检测拉应力)，通过测量重铸层承受的最大法向拉应力确定其厚度。如图2所示，检测系统主要包括:载样台101，样品抓持器102，紧固螺栓103，拉力杆104，应力传感器105，电控动力机构，传感器信号处理器106，计算机107，紧固支架108以及安装平台109。安装平台109上的两个载样台101在同一平面内，样件可平行放置于载样台上。调整紧固螺栓103可将不同厚度的样件B层顶压在对应载样台上。调整样品抓持器102,由于样件A层略宽于B层,样品抓持器下端可向上施力于样件A层下表面。样品抓持器上端连接拉力杆104，拉力杆104上安装有应力传感器105，拉力杆可由电控动力机构驱动向上运动。在计算机中设置好所测样件材料类型和样件上微小孔的数量。应力传感器所测电信号经线缆传至传感器信号处理器106，然后经线缆传入计算机107，计算机经过对比分析计算，将样件A、B层交界处微小孔的平均重铸层厚度显示在计算机屏幕上。
[0031]重铸层厚度检测系统形式二(检测切应力)，通过测量重铸层承受的最大剪切应力确定其厚度。如图3所示，检测系统主要包括:载样台201，紧固螺栓202，门形压块203，推力杆204，应力传感器205，电控动力机构，传感器信号处理器206，计算机207，紧固支架208，安装平台209以及顶块210。安装平台209上的两个载样台在同一平面内，样件可平行放置其上。调整紧固螺栓202，样件B层一端可直接被紧固螺栓压紧固定，另一端通过顶压门形压块203压紧。应力传感器205安装在推力杆204上，在电控动力机构驱动下推力杆带动顶块施推力于样件A层侧面。在计算机中设置好所测样件材料类型和样件上微小孔的数量。应力传感器所测信号通过线缆传入传感器信号处理器206，然后传入计算机207，计算机经过分析计算，将样件A、B层交界处微小孔的平均重铸层厚度显示在计算机屏幕上。
[0032]采用上述微小孔孔壁重铸层厚度检测装置进行检测，具体过程如下:
[0033](I)样件准备:为了数据准确和测试方便，样件由A层(样件上层)和B层(样件下层)组成，两层的厚度可以根据需要测量的不同孔深位置而改变(例如，若实际工件的厚度为H，在工件上垂直加工微小孔，微小孔为深度为H的通孔，当需要测量孔深为h处微小孔孔壁重铸层的厚度时，则将A层的厚度定为h，将B层的厚度定为H-h)，A层的下表面和B层的上表面的粗糙度为Ra = 6.3 (和统计数据采集时保持一致，统计数据采集时，先准备A层和B层以及加工微小孔，然后测量力学参数，再采用传统的金相分析方法测量重铸层厚度)。如果是测拉应力(形式一)，A层的长度需小于B层，但宽度大于B层(约2_);如果是测切应力(形式二)，A层长度小于B层，宽度可相同；
[0034](2)加工实验:将准备好的样件A、B层叠合后平行放在样件夹持器的载样台上，并旋紧两侧的紧固螺栓使样件固定(即夹紧样件A、B层)，为了避免样件A层厚度较小时发生翘边导致两样件(A层和B层)不能紧密贴合，可在紧固螺栓下放置一面积较大较厚的压块，固定后将样件夹持器整体装于加工实验的运动平台上，然后开始利用激光或其它热源加工方法进行微小孔加工实验，加工完成后从加工实验的运动平台上取下样件夹持器；如图1所示，微小孔加工完成后，样件A、B两层会因为微小孔孔壁重铸层3的存在而被粘结在一起；单次测试中微小孔的加工数量越多，则所测得的重铸层平均厚度的准确度越高。
[0035](3)检测
[0036]形式一:调整微小孔加工完成后的样件在样件夹持器上的紧固方式，即旋紧两侧的紧固螺栓103顶压样件B层上表面两端，如图2所示，然后，调节样品抓持器102使其可夹持住样件A层下表面。在计算机107中设置所测样件的材料类型和微小孔孔数。然后使拉力杆104向上缓慢匀速运动，应力传感器105感受到力变化后，将信号经传感器信号处理器106传入计算机，最终经计算机分析计算(先采用求平均值的方式计算单个微小孔的重铸层力学参数，然后参照力学参数与重铸层厚度的关系得出重铸层平均厚度)后，将所测孔深位置的平均重铸层厚度显示在计算机屏幕上，并记录，完成检测。
[0037]形式二:调整微小孔加工完成后的样件在样件夹持器上的紧固方式，即旋紧紧固螺栓202，一侧的紧固螺栓直接顶压样件B层的一端，另一侧的紧固螺栓通过一门形压块203压紧样件B层的另一端。如图3所示，然后调整顶块210高度(顶块与推力杆连接，顶块各边到轴线距离不一样，可通过旋转调节顶块到B层上表面的距离)，使其恰好可顶在样件A层侧面。在计算机207中设置所测样件的材料类型和微小孔孔数，然后推力杆204水平缓慢匀速运动使顶块施推力于样件A层侧面，应力传感器205感受到力变化后，将信号经传感器信号处理器206传入计算机，最终经计算机分析计算后，将所测孔深位置的平均重铸层厚度显示在计算机屏幕上，并记录，完成检测。
[0038]总之，本发明所述微小孔孔壁重铸层厚度检测装置，包括:分层样件(A、B层)以及重铸层厚度检测系统，样件夹持器包括可将不同厚度样件平行夹紧的固定元件(载样台、紧固螺栓以及门形压块等)，样件夹持器既可整体固定于加工实验的运动平台以进行微小孔加工，又作为检测系统的一部分；重铸层厚度检测系统包括两种检测形式，形式一测量重铸层承受的最大法向拉应力，形式二测量重铸层承受的最大剪切应力。形式一通过样品抓持器将样件上层(A层)与拉力杆连接，拉力杆上安装有应力传感器，传感器信号接入计算机，经过程序与实验数据库对比计算，将重铸层厚度结果在计算机屏幕中显示出来；形式二通过顶块从侧面向样件上层(A层)施加推力，最终导致样件上下层切向分离，与顶块相连的推力柱上安装有应力传感器，传感器信号接入计算机，经过程序与实验数据库对比计算，将重铸层厚度结果在计算机屏幕中显示出来。本发明所涉及的热源加工微小孔孔壁重铸层厚度的检测装置及方法，利用分层样件完成实验，通过测试层间重铸层材料力学参数来确定微小孔孔壁重铸层厚度，具有成本低、效率高、操作简单的特点，可以快速实现微小孔孔壁重铸层的检测，可有效提升相关研究工作的效率。
【权利要求】
1.一种检测热源成型的微小孔孔壁重铸层厚度的装置，其特征在于:包括分层样件以及重铸层厚度检测系统，所述分层样件包括相互叠合的上下两层平板样件，分层样件上具有若干个采用相同的热源加工方法加工的微小孔，微小孔穿透分层样件的上下两层平板样件，上下两层平板样件由微小孔孔壁重铸层连接为一个整体；所述重铸层厚度检测系统包括计算机、用于向分层样件施加拉力或剪切力的施力机构以及用于检测上下两层平板样件交界处微小孔孔壁重铸层所能承受的拉应力或剪切应力的应力传感器，应力传感器与计算机相连。
2.根据权利要求1所述一种检测热源成型的微小孔孔壁重铸层厚度的装置，其特征在于:所述热源加工方法为激光加工、电火花加工、电子束加工或离子束加工。
3.根据权利要求1所述一种检测热源成型的微小孔孔壁重铸层厚度的装置，其特征在于:所述施力机构包括样件夹持器，样件夹持器包括安装平台、设置于安装平台上的用于放置分层样件的载物台以及设置于载物台两端上的紧固支架，紧固支架上设置有紧固螺栓，紧固螺栓的下端顶压于分层样件的下层平板样件上。
4.根据权利要求3所述一种检测热源成型的微小孔孔壁重铸层厚度的装置，其特征在于:所述施力机构还包括拉力杆(104)或推力杆(204)，拉力杆竖直设置于载物台上方，拉力杆的下端设置有 用于连接分层样件的上层平板样件的样品抓持器(102);推力杆水平设置，推力杆的一端与分层样件的上层平板样件的一端相对；应力传感器设置于拉力杆或推力杆上。
5.根据权利要求4所述一种检测热源成型的微小孔孔壁重铸层厚度的装置，其特征在于:所述施力机构还包括门形压块(203)，门形压块的上端与紧固螺栓的下端相连，紧固螺栓通过门形压块顶压于分层样件的下层平板样件上，推力杆(204)设置于门形压块内。
6.根据权利要求4所述一种检测热源成型的微小孔孔壁重铸层厚度的装置，其特征在于:所述施力机构还包括与推力杆(204)相连的顶块(210)，推力杆通过顶块施力于分层样件的上层平板样件的一端。
7.根据权利要求3所述一种检测热源成型的微小孔孔壁重铸层厚度的装置，其特征在于:所述载物台包括两个载样台，两个载样台间留有间隔，两个载样台的上表面处于同一水平面内，两个载样台的下表面与安装平台相连。
8.—种如权利要求1所述检测热源成型的微小孔孔壁重铸层厚度的装置的检测方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)完成分层样件加工后将分层样件的下层平板样件紧固； 2)经过步骤I)后，通过施力于分层样件的上层平板样件的拉力杆或推力杆向分层样件上层施加拉力或剪切力； 3)经过步骤2)后，计算机根据应力传感器的检测结果、分层样件上微小孔的数量以及重铸层厚度与重铸层力学属性的关系计算并输出上下两层平板样件交界处微小孔孔壁重铸层的平均厚度。
9.根据权利要求8所述一种检测热源成型的微小孔孔壁重铸层厚度的装置的检测方法，其特征在于:所述分层样件的加工方法为: 选择两层平板样件并进行叠合，将叠合后的两层平板样件夹紧后进行微小孔的加工得到分层样件，两层平板样件在加工微小孔时因生成的孔壁重铸层而连接在一起。
10.根据权利要求9所述一种检测热源成型的微小孔孔壁重铸层厚度的装置的检测方法，其特征在于:所述两层 平板样件的厚度根据需要检测的微小孔孔深位置确定。
【文档编号】G01B21/08GK104048633SQ201410283579
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】王恪典, 段文强, 梅雪松, 王文君, 凡正杰, 袁新 申请人:西安交通大学