粗糙表面接触状态的激光超声探测装置的制作方法

本发明涉及粗糙表面接触状态的测试领域，具体涉及一种粗糙表面接触状态的激光超声探测装置。

背景技术：

精密仪器和精密机械是由零部件按照一定的技术要求装配而成，零部件之间必然形成相互接触的表面，即粗糙结合面。粗糙结合面本身存在一定的几何形状误差以及微观不平度，当受到动载荷作用时，结合面间会产生具有宏观-微观特性的微小位移，粗糙结合面的这种动态特性将对精密仪器和精密机械的动态特性产生很大影响。研究粗糙结合面动态特性，必须考虑两粗糙表面真实接触状态。采用表面轮廓仪、电子显微镜和数字全息等方法可以探测粗糙表面微观形貌，但是对于粗糙表面在接触趋近过程中接触部的微观程度的研究目前还没有公认的办法。

为了能探测出粗糙表面真实接触状态，提出采用激光超声探测粗糙表面接触状态的方法。本课题组杨洪锋在硕士论文《粗糙表面接触特性的实验研究》中采用激光超声研究粗糙表面接触应力的方法，从理论上证实了激光超声用于粗糙表面接触应力研究的可行性，实验时接触面仅采用两个螺栓预紧方式，局限于用扭矩扳手作为加力方式，容易引起受力不均匀，对实验结果会产生一定的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种粗糙表面接触状态的激光超声探测装置，特别适用于探测在不同预压力作用下，两粗糙表面在接触趋近过程中接触面的微观结合程度。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种粗糙表面接触状态的激光超声探测装置，包括加压系统、第一探头、第二探头、凸透镜、脉冲激光器、光学平台和示波器；所述加压系统包括试块支撑板、顶板、油缸支撑板、底板、夹具、压板、油缸和液压泵。

所述脉冲激光器、凸透镜和底板分别与光学平台固连；试块支撑板和油缸支撑板平行设置，试块支撑板和油缸支撑板顶部分别与顶板固连，底部分别与底板固连；夹具和油缸均设置在试块支撑板和油缸支撑板之间，其中夹具与试块支撑板固连，油缸与油缸支撑板固连；第一探头设置在第一试块上，第一探头与示波器连接，第二探头设置在第二试块上，第二探头与示波器连接；油缸通过油管与液压泵连接；压板、待测的第二试块和第一试块依次通过夹具固定，油缸的活塞杆伸出油缸后，作用在压板中心。

所述脉冲激光器、凸透镜和第二试块位于同一条直线，脉冲激光器发出的激光经凸透镜会聚后，入射至第二试块。

所述凸透镜与第二试块的距离为凸透镜的焦距。

所述待测的第二试块和第一试块均一端位于夹具内，另一端分别位于夹具两侧。

所述夹具为U形，其底部与试块支撑板固连，开口端与油缸相对设置，夹具内设有第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽靠近夹具底部，第二凹槽靠近开口端，压板、待测的第二试块和第一试块依次设置在夹具内；第二试块和第一试块自夹具两侧伸入，两者局部接触，其接触面位于第一凹槽，压板设置在第二凹槽内，且第二试块和压板的接触面位于第二凹槽。

所述夹具、第一试块、第二试块和压板均要求5级形位公差和6级精度等级。

所述第一试块和第二试块表面粗糙度Ra为0.8μm~6.3μm。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）利用加压系统对待测实验试块施加载荷，与传统采用扭矩扳手加压相比，可以保证实验试块接触面预压力在压力值上的连续施加。

（2）第一试块和第二试块接触面嵌入夹具第一凹槽，第二试块和压板接触面嵌入夹具第二凹槽，第一凹槽避开第一试块和第二试块接触面，第二凹槽避开第二试块和压板接触面，减小了声表面波传播时发生容易发生反射而对实验结果的准确性产生影响。

（3）先将力施加到压板上，再通过压板将力施加到第一试块和第二试块接触面，避免待测实验试块直接受到撞击而影响待测实验试块的表面粗糙度。

（4）第一试块和第二试块易于更换，且适用于测量不同的实验条件（表面粗糙度、接触面积、预压力）。

（5）本发明装置操作简单，易于装配，非常适用于采用激光超声探测粗糙表面接触状态的实验研究。

附图说明

图1是本发明粗糙表面接触状态的激光超声探测装置的三维立体图。

图2是本发明粗糙表面接触状态的激光超声探测装置的加压系统结构剖视图。

图3是本发明粗糙表面接触状态的激光超声探测装置的加压系统三维立体图。

图4是本发明粗糙表面接触状态的激光超声探测装置的加压系统中的顶板结构示意图。

图5是本发明粗糙表面接触状态的激光超声探测装置的加压系统中的夹具结构示意图。

图6是利用本发明粗糙表面接触状态的激光超声探测装置研究出的声表面波信号强度与面压的关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图4，一种粗糙表面接触状态的激光超声探测装置，包括加压系统、第一探头11、第二探头12、凸透镜13、脉冲激光器14、光学平台15和示波器16；所述加压系统包括试块支撑板1、顶板2、油缸支撑板3、底板4、夹具5、压板8、油缸9和液压泵10。

所述脉冲激光器14、凸透镜13和底板4分别与光学平台15固连；试块支撑板1和油缸支撑板3平行设置，试块支撑板1和油缸支撑板3顶部分别与顶板2固连，底部分别与底板4固连；夹具5和油缸9均设置在试块支撑板1和油缸支撑板3之间，其中夹具5与试块支撑板1固连，油缸9与油缸支撑板3固连；第一探头11与第一试块6固连并通过数据线接示波器16，第二探头12与第二试块7固连并通过数据线接示波器16；油缸9通过油管与液压泵10固连。压板8、待测的第二试块7和第一试块6依次通过夹具5固定，油缸9的活塞杆伸出油缸9后，作用在压板8中心。施加载荷时，先将力施加到压板8上，再通过压板将力传递到第一试块6和第二试块7接触面，避免实验试块直接受到撞击表面粗糙度受到影响且可以保证受力均匀。

所述脉冲激光器14、凸透镜13和第二试块7位于同一条直线，脉冲激光器14发出的激光经凸透镜13会聚后，入射至第二试块7。所述凸透镜13与第二试块7的距离为凸透镜13的焦距。

所述待测的第二试块7和第一试块6一端位于夹具5内，另一端分别位于夹具5两侧。

结合图5，所述夹具5为U形，其底部与试块支撑板1固连，开口端与油缸9相对设置，夹具5内设有第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽靠近夹具5底部，第二凹槽靠近开口端，压板8、待测的第二试块7和第一试块6依次设置在夹具5内；第二试块7和第一试块6自夹具5两侧伸入，两者局部接触，其接触面（即粗糙结合面）位于第一凹槽，压板8设置在第二凹槽内，且第二试块7和压板8的接触面位于第二凹槽。第一凹槽的设计成功避开了试块一6和试块二7的接触面，第二凹槽的设计成功的避开了第二试块7和压板8的接触面。减小了声表面波传播时容易发生反射而对实验结果的准确性产生影响。

所述夹具5、第一试块6和第二试块7均要求5级形位公差和6级精度等级。

所述第一试块6和第二试块7表面粗糙度Ra为 0.8μm~6.3μm。

实施例1

以第一试块6和第二试块7均为长方体结构，材料为四五钢，要求5级形位公差和6级精度等级，且第一试块6和第二试块7长×宽×厚均为90mm×20mm×5mm，粗糙度要求四个等级：0.8μm，1.6μm，3.2μm，6.3μm，凸透镜13焦距为50mm为例。

结合图1至图6，一种粗糙表面接触状态的激光超声探测装置，包括加压系统、第一探头11、第二探头12、凸透镜13、脉冲激光器14、光学平台15和示波器16；所述加压系统包括试块支撑板1、顶板2、油缸支撑板3、底板4、夹具5、第一试块6、第二试块7、压板8、油缸9和液压泵10。所述脉冲激光器14、凸透镜13和底板4分别与光学平台15固连。

底板4为长方体结构，底板4底部设有14个安装通孔，通过螺钉与光学平台固定链接，其顶部开有两个对称的矩形凹槽，在两个矩形凹槽内分别开有两个腰型沉头通孔，用于固定连接试块支撑板1和油缸支撑板3。

试块支撑板1为长方体结构，在试块支撑板1的顶部和底部各开两个螺纹孔，试块支撑板1底部嵌入底板4左侧的矩形凹槽内，并通过螺钉与试块支撑板1固连。试块支撑板1侧壁开有4个通孔用于固定夹具5。

结合图4，顶板2为长方体结构，其底面开两个对称的矩形凹槽，在两个矩形凹槽内分别开有两个腰型沉头通孔，试块支撑板1顶部嵌入顶板2左侧的矩形凹槽内，并通过螺钉与顶板2固连。

油缸支撑板3为长方体结构，在油缸支撑板3的底部和顶部各开两个螺纹孔，油缸支撑板3底部嵌入底板4右侧的矩形凹槽内，并通过螺钉与油缸支撑板3固连。油缸支撑板3顶部嵌入顶板2右侧的矩形凹槽内，并通过螺钉与油缸支撑板3固连。油缸支撑板3侧壁开4个通孔，用于固定连接油缸9。

结合图5，夹具5为U形，其底部与试块支撑板1固连，开口端与油缸9相对设置，夹具5内设有第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽靠近夹具5底部，第二凹槽靠近开口端，压板8、待测的第二试块7和第一试块6依次设置在夹具5内；第二试块7和第一试块6自夹具5两侧伸入，两者局部接触，其接触面位于第一凹槽，压板8设置在第二凹槽内，且第二试块7和压板8的接触面位于第二凹槽。

所述待测的第二试块7和第一试块6一端位于夹具5内，另一端分别位于夹具5两侧。根据实验所需接触面积大小调整第一试块6和第二试块7的位置。第一探头11设置在第一试块6上，第一探头11与示波器16连接，第二探头12设置在第二试块7上，第二探头12与示波器16连接。

压板8为长方体结构，要求5级形位公差和6级精度等级，压板8根据公差嵌入到夹具5的第二凹槽内，第二凹槽右侧预留1mm活动空间。油缸9施加载荷时，活塞杆先将力施加到压板8上，再通过压板8将力传递到第一试块6和第二试块7的接触面，避免实验试块直接受到撞击表面粗糙度受到影响且可以保证受力均匀。

加压系统安装步骤如下：

夹具5通过螺钉固定在试块支撑板1上；油缸9通过螺钉固定在油缸支撑板3上；油缸9通过油管固定连接液压泵10；试块支撑板1和油缸支撑板3分别嵌入底板4的矩形凹槽中，并且用螺钉固定连接；顶板2盖在试块支撑板1和油缸支撑板3上，并通过螺钉固定连接；压板8放入夹具5的第二凹槽内，并中心对齐油缸9的活塞杆；第一试块6和第二试块7放入夹具5和压板8之间，根据实验要求调整第一试块6和第二试块7到合适位置。

本发明粗糙表面接触状态的激光超声探测装置的实验流程如下：

步骤1：调整凸透镜13的高度，使脉冲激光器14激光输出口、凸透镜13和第二试块7的中心在一条水平线上，且保证第二试块7距离凸透镜13中心为凸透镜13焦距。

步骤2：根据实验所需的表面粗糙度选取合适的实验试块（即第一试块6和第二试块7），并将他们放入夹具5和压板8之间，根据实验要求的第一试块6和第二试块7的接触面积调整第一试块6和第二试块7的位置。

步骤3：分别在第一试块6和第二试块7的非接触面上分别安装第一探头11和第二探头12，并接入示波器16。

步骤4：通过液压泵10改变液压系统内部压强，推动油缸9活塞杆先将压力施加到压板8上，再通过压板8将力传递到第一试块6和第二试块7的接触面，完成对第一试块6和第二试块7的接触面加压，根据所需预压力调整电磁阀。

步骤5：打开脉冲激光器14，调整脉冲激光器14输出电压大小、单脉冲能量和输出激光的频率，使脉冲激光器14发出的激光经凸透镜13会聚后，入射至第二试块7。

步骤6：利用示波器16观察实验现象，并记录相关实验数据。

步骤7：根据实验所需，改变实验条件（表面粗糙度，接触面积，预压力），如此循环步骤2至步骤6。

步骤8：结合图6，根据实验所得，随着实验试块接触面面压的增加，声表面波信号强度的变化趋势为先增加再下降，在中间某个面压处达到最大，且声表面波信号强度的变化趋势不会随着激发能量和其他实验因素的改变而改变。