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技术

本发明专利技术公开一种通过单脉冲激光加工来制备巴克豪森噪声检测磨削烧伤时标定试样的方法，用于基于巴克豪森噪声效应磨削烧伤检测仪的标定。该方法采用Nd:YAG脉冲激光作为标定试样制备的工具，选用单个脉冲辐照在试件表面，加工出斑状烧伤，以此模拟磨削烧伤。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。该方法对于烧伤缺陷的形状和烧伤级别可以实现人工控制，重复性好，并且标定试样与被测试件的材料、加工工艺和热处理方式均相同，二者具有良好的相关性，确保标定试样具有较强的可信度，适用于工程领域的应用。

A test of grinding burn of Barkhausen noise when the calibration sample preparation method

The invention discloses a method by single pulse laser processing for the preparation of grinding burn of Barkhausen noise detection of samples for calibration, calibration of Barkhausen noise detector based on the effect of grinding burn. The method adopts Nd:YAG pulse laser as the calibration sample preparation tool, using single pulse irradiation on the surface of the specimen processing porphyritic burn, in order to simulate the grinding burn. By adjusting the laser processing parameters and optimizing, different degrees of burn samples were made. This method can realize manual control for burn defect shape and burn level, good repeatability, and the calibration samples and test the materials, processing technology and heat treatment are the same, has a good correlation between the two, to ensure that the calibration specimen has strong reliability, suitable for engineering application.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于无损检测
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对上述巴克豪森噪声检测技术存在的问题，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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)本专利技术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。具体实施方式本专利技术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，激光烧本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种巴克豪森噪声法检测磨削烧伤时标定试样的制备方法，其特征在于，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。2.如权利要求1所述的巴克豪森噪声法检测磨削烧伤时标定试样的制备方法，其特征在于，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。3.权利要求2述的巴克豪森噪声法检测磨削烧伤时标定试样的制备方法，其特征在于，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。4.权利要求3述的巴克豪森噪声法检测磨削烧伤时标定试样的制备方法，其特征在于，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。5.权利要求4述的巴克豪森噪声法检测磨削烧伤时标定试样的制备方法，其特征在于，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。6.权利要求5述的巴克豪森噪声法检测磨削烧伤时标定试样的制备方法，其特征在于，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。7.权利要求6述的巴克...

【专利技术属性】
技术研发人员：何宝凤，魏翠娥，吕新超，刘柄显，陈涛，石照耀，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11