一种轴类零件表面残余应力检测装置的制作方法

本实用新型属于无损检测技术领域，涉及一种用于轴类零件表面残余应力检测的装置，适用于轴类两件表面残余应力检测，保证高铁扭杆等高要求轴类零件的表面残余应力测量性能的准确测量与评估。

背景技术：

随着材料的结构应力无损检测技术的发展，超声法应力测量技术成为表面残余应力检测的主要检测方法之一。常见普通直探头对于弯曲的表面进行无损残余应力检测，具有简便，快捷，重复性好的优点，应用前景非常广泛。

任何一种检测装置都有其特定的精确度，都需要相应的校准仪对其检测结果进行评估与校准。声弹性理论中说明了超声波法测量的是相对应力值，只有通过相应的校准仪对其进行校准才能得到真实的绝对应力值。因此设计一种探头基体夹持器安装标准超声波直探头使之能产生标准超声波发生装置用于曲面或轴类表面应力检测系统的测量，对保证超声应力检测系统测量的压应力值的准确性，重复性，意义重大。

技术实现要素：

(一)实用新型目的

本实用新型的目的是：提供一种轴类零件表面残余应力检测装置，用于安装标准超声波直探头，使之能产生标准超声波用于曲面或轴类表面应力检测系统的测量。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种轴类零件表面残余应力检测装置，其包括：磁力吸附模块、探头基体夹持器、弹簧钢板、连接角钢；其中，待检测轴类零件为扭力轴，磁力吸附模块吸附在扭力轴外周面上，探头基体夹持器上安装两个标准超声波直探头，两个标准超声波直探头成60度夹角装入探头基体夹持器，一个作为发射器，另一个作为接收器；探头基体夹持器的底部贴合面与扭力轴外周面弧面贴合，探头基体夹持器的顶部可拆卸地连接角钢支撑部，角钢支撑部顶部和磁力吸附模块顶部水平布置弹簧钢板，通过弹簧钢板为探头基体夹持器提供探测所需压力。

其中，所述探头基体夹持器的本体的硬度低于待检测轴类零件表面硬度。

其中，所述探头基体夹持器的本体选用聚甲基丙烯酸甲酯材料。

其中，所述探头基体夹持器的本体上开设有两个探头安装孔，两个探头安装孔的中心轴线分别位于本体法线两侧，且与本体法线成30度夹角。

其中，所述探头基体夹持器设置多个型号，不同型号的探头基体夹持器的底部贴合面形状和弧度不同，分别与扭力轴不同检测方向的外周面表面形状和弧度相匹配。

其中，所述角钢支撑部底部设置夹持器安装孔，用于安装探头基体夹持器，两者之间通过螺纹连接，或者销钉连接。

其中，所述探头基体夹持器的底部贴合面的表面光洁度不大于Ra6.3。

其中，所述磁力吸附模块的底面为永磁V型基面。

其中，所述弹簧钢板有两条，分别通过螺母固定在角钢支撑部顶部和磁力吸附模块顶部。

其中，所述弹簧钢板为200mm×15mm×1.5mm的65Mn弹簧钢板。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的轴类零件表面残余应力检测装置，结构简单、外形美观、体积小，便于携带，稳定性和重复性好。

附图说明

图1轴类零件表面残余应力检测装置的探头基体夹持器结构图示；I图为主视图，II图为I图的俯视图；

图2基于本探头基体夹持器的表面残余应力检测示意图；I图为主视图，II图为I图的俯视图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。

参照图1和图2所示，本实施例轴类零件表面残余应力检测装置包括：磁力吸附模块、探头基体夹持器、弹簧钢板、连接角钢；其中，待检测轴类零件为扭力轴，磁力吸附模块吸附在扭力轴外周面上，探头基体夹持器上安装两个标准超声波直探头，两个标准超声波直探头成60度夹角装入探头基体夹持器，一个作为发射器，另一个作为接收器；探头基体夹持器的底部贴合面与扭力轴外周面弧面贴合，探头基体夹持器的顶部可拆卸地连接角钢支撑部，角钢支撑部顶部和磁力吸附模块顶部水平布置弹簧钢板，通过弹簧钢板为探头基体夹持器提供探测所需压力。

其中，探头基体夹持器的本体选用聚甲基丙烯酸甲酯材料。探头基体夹持器的本体上开设有两个探头安装孔，两个探头安装孔的中心轴线分别位于本体法线两侧，且与本体法线成30度夹角。

为了实现对扭力轴0度、45度、90度等不同方向的表面残余应力检测，根据扭力轴在不同方向的表面形状和弧度，探头基体夹持器相应地设置多个型号，不同型号的探头基体夹持器的底部贴合面形状和弧度不同，以满足在不同角度检测时，探头基体夹持器均能与扭力轴外周面稳妥贴合，其中，0度为扭力轴母线方向。

角钢支撑部底部设置夹持器安装孔，用于安装探头基体夹持器，两者之间可以通过螺纹连接，或者销钉连接。

本实施例将两个标准超声波直探头以60度装入探头基体夹持器，一个作为发射器，另一个作为接收器，组成专用双晶探头。相对标准直探头而言，复合超声波探头具有更好的近表面缺陷检出能力；对于弯曲的检测面，具有更好的耦合效果。因此，基于本超声应力检测方案，对曲面工件表面校准区域内的压应力值进行测量，提高压应力测量结果的准确性、可重复性。

本实施例探头基体夹持器的设计原则：轴类零件表面残余应力探头设计时要让它产生共振，因为共振时电声能量转换效率最高，1.共振的条件就是当策动力频率和晶片的固有频率相等，此时受迫振动的振幅最大。2.另外脉冲波在薄层中的反射会形成驻波。此外，在超声波探伤中，选择适当的K值(或横波折射角)是为了更有效地发现缺陷；但因为温度的关系，K值发生了变化，那就必须予以修正，否则就可能发生漏检。这一点，通过温度传感器输入计算机后进行软件修正。

以下主要说明探头基体夹持器材料的选择和探头基体夹持器结构的设计加工。

1.探头基体夹持器材料的选择

根据被探测材料选择探头基体夹持器材料。被探测材料多为精加工后钢质曲面，其接触表面要求：经过精密加工的轴类零件表面在进行残余应力检测时，必须保小心保护其原始表面，不做任何有损原始表面的处理，要求探头基体夹持器材质硬度低于被测零件表面硬度。

在进行超声波探测过程中，超声波通过所用材料时声速随温度上升而降低，而声速变化必然引起入射声波在工件中折射角(横波)的变化，最终影响缺陷定位，也可能影响缺陷定量。

当改变探头的入射角时，探头基体夹持器必须保证声波的主要能量按不同角度射入介质内部，保证声波的指向性，提高分辨率。

通过实验，在影响缺陷定位定量的主要因素中，工件温度的影响也是重要的一个方面，钢中横波声速随温度上升而降低。从获知，当钢中温度为26℃时，钢中横波声速为3229m/s；60℃时，约为3205m/s.在这种情况下，假定探头聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)斜楔为常温，选用K值为1且入射角为36.7°的探头，我们来计算这时横波折射角的变化。选择聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)主体为探头基体夹持器基体材料，当温度20℃时，其声速(纵波)为2730m/s；而当60℃时，则为2480m/s.在这种情况下，假定被探工件为常温，选用K值为1的探头，我们来计算横波折射角的变化。再代入下式计算：K＝tgBS＝tg51.11b＝1.24探头的K值一般是在常温下测定的，由计算得知，随着温度升高，工件中横波折射角从常温下的45°变为约51°，而这时的K1探头，实际上也已经是K1.24探头了。

常用的超声波斜探头的角度选择方案参考：

根据下式计算：BS＝arcsin(CS2/CL1sinAL)＝arcsin(3205/2730sin36.7°)＝44.55°，再代入下式计算：K＝tg44.55b＝0.98，由计算得知，随着工件温度升高，工件中横波折射角已从常温下的45°变为约44.55°，而这时的K1探头，实际上只是K＝0.98探头。

综合以上两种(20℃～60℃)情况，选择PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材料作探头安装基体，该材料透光度好、耐冲击、机械强度高，重量轻，易于加工等特点，其良好的声学性能可把探头基体夹持器材料对超声波的发射接收干扰影响降到最小，从而保证探测精度和重复稳定性；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)斜楔中的纵波声速CL1为2480m/s，钢中的横波声速CS2为3205m/s时，选用接近K值为2且入射角(探头与法线)为31.7°的探头，其横波折射角按下式计算：BS＝arcsin(CS2/CL1sinAL)＝arcsin(sin31.7°×3205/2480)≈63°，再将此折射角代入下式计算：K＝tgBS＝tg65°≈2也就是说，根据实际探伤工艺的要求和测量软件的修正范围，同时为保证探头基体夹持器CNC加工工艺的批量加工，故将发射探头与接收探头的夹角范围设计为60°±1°。

如图1所示，左右两个安装孔Ф12经CNC数控机床用3/8-32牙刀具加工，可保证其形状和螺纹精度。圆柱的直径为Ф12mm，其轴线夹角对应60°。加工时按照国标的规定方法将螺栓的外螺纹加工成螺纹规格3/8-32，并保证标准直探头传感器元件受力均匀。

探头基体夹持器与被测轴接触弧面的加工要求说明：

弧面贴合度保证(降低透射和反射)：超声波从一种介质传播到另一种介质时，在介质分界面上会产生反射和透射，通过三坐标测量机对被测轴类零件的外型尺寸测量结果，取其外弧面的1/4作为基准，利用坐标镗床进行加工，保证探头基体夹持器周向曲率的同时也要保证表面光洁度为Ra≤6.3被测轴表面光洁度；

接触面光洁度保证(消除散射)：超声波从一种介质传播到另一种介质时，在介质分界面上会产生散射，介质表面光洁度越好，散射越小，越能保证发射探头的主波能量和方向不受散射影响，且据超声波探伤表面回波性质：探测与被探测表面光洁度越接近，故根据被探测轴类零件均满足GB/T6402-2008Ⅲ之要求：通过经加工手段可使聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)之表面光洁度加工至Ra值6.3以下。

直探头固定部分和无损探测固定方式的制作详见图2。

为保证表面参与应力检测的可重复性，测量数据的稳定性，探头基体夹持器安装简便及便携性，特制作复合探头夹持和探测时磁力吸附模块；该装置是本探头基体夹持器的重要组成部分，保证了检测结果的可重复性，测量数据的稳定性有效排除了人为因素的影响。具有以下特点:

夹持探头基体所采用的电木板体材料，绝缘优良，与探头装夹基体(聚甲基丙烯酸甲酯)摩擦不产生对超声探头的静电干扰；温度稳定性好，耐磨、强度高。

因被探测材料多为高强碳素结构钢，其表面光洁度较高，制造成本昂贵，要求不允许损伤其高精表面；探测时匀强的探测力，是保证测量结果的一致性和可重复性的关键；为此采用永磁V型基面的磁性吸附座为磁力吸附模块，其V型基面可保证在不同轴径范围表面拥有均匀的吸附力。

采用两条200mm×15mm×1.5mm的65Mn弹簧钢板，均连接磁力吸附模块与角钢支撑部，此钢板良好的恢复性和弹力是保证每次探测时测量力均匀和测量结果一致性的重要保障。

如图1所示，Ф12安装孔主要是用来安装固定标准超声波探头传感器，两传感器安装轴线与法线成30度角保证探测角度，探头基体夹持器底部弧面通过坐标测量计探测的被测轴类表面几何量数据为基准进行CNC加工，基本消除了探测接触面透射、反射及散射杂波的影响，可以保证探测重复性、稳定性和准确性，获得最佳耦合效果和准确度。

如图2所示，通过磁力吸附模块的V型面吸附在被测扭力轴表面，磁力吸附模块通过弹簧钢板与探头基体夹持器连接，为保证探头基体夹持器弧面与被探测轴表面良好耦合，除弹簧钢板弹力保证外还可以通过调节螺母调整。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。