本發(fā)明屬于無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用巴克豪森噪聲法檢測磨削燒傷時(shí)標(biāo)定試樣的制備方法。

背景技術(shù)：

機(jī)械類產(chǎn)品中如齒輪、軸承、凸輪軸等經(jīng)過熱處理后往往還要進(jìn)行磨削加工，以提高表面精度。在去除材料加工的幾種方法中，磨削加工單位面積上的功率消耗遠(yuǎn)大于車削、銑削等其他方法。磨削區(qū)產(chǎn)生的熱量60％-95％會直接傳入工件，從而在工件表面形成瞬時(shí)高溫，容易引起表面金相組織發(fā)生改變。當(dāng)磨削工藝處理不當(dāng)，如加工參數(shù)、冷卻方法、砂輪狀態(tài)等設(shè)置不當(dāng)，會使工件表層金相組織、表層硬度發(fā)生改變，同時(shí)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。磨削燒傷會影響零件的使用性能和壽命，是制約精密磨削質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素。當(dāng)燒傷達(dá)到一定程度就會存在很大的安全、性能隱患，帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。鑒于其嚴(yán)重的危害性，對磨削燒傷的預(yù)測和識別以及能否實(shí)現(xiàn)在線檢測的問題一直是磨削加工領(lǐng)域研究的重要課題。

以機(jī)械裝備的重要基礎(chǔ)件---齒輪為例。齒輪產(chǎn)品門類齊全，廣泛應(yīng)用于航空船舶、兵器裝備、機(jī)床工具、工程機(jī)械和儀器儀表等二十多個(gè)領(lǐng)域。然而，齒輪在磨削加工過程中與砂輪的接觸區(qū)會產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，大部分熱量直接傳到齒輪表面，很容易引發(fā)齒面磨削燒傷問題。

齒輪齒面的磨削燒傷會影響齒輪的剛度、強(qiáng)度、承載能力和疲勞壽命。根據(jù)燒傷面積大小，可以將燒傷分為斑狀燒傷、線條狀燒傷及全面燒傷三類。為了更好地控制磨削燒傷，對燒傷齒輪及時(shí)地進(jìn)行判別和篩選，避免燒傷齒輪流入銷售和使用環(huán)節(jié)，對齒輪的磨削燒傷進(jìn)行有效的檢測非常重要。傳統(tǒng)的檢測方法多為破壞性檢測法，受主觀因素影響較大且存在破壞環(huán)境、檢測效率低或操作復(fù)雜等各種弊端。隨著工業(yè)自動化和智能化程度的不斷發(fā)展，一種新型的檢測方法---巴克豪森噪聲檢測技術(shù)逐漸顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性。該方法操作簡單、效率高、不損傷工件、安全污染，還可以直接隔著鍍層對基體燒傷與否進(jìn)行檢測。

由于該檢測方法較新穎，還未曾全面應(yīng)用并且沒有針對該方法相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和標(biāo)定試樣，因而在實(shí)際檢測時(shí)無法校驗(yàn)儀器，準(zhǔn)確判定燒傷是否存在的臨界值并進(jìn)行燒傷等級評價(jià)。

理想的標(biāo)定試樣的制備是直接采用機(jī)械磨削加工，通過改變加工工藝，產(chǎn)生磨削燒傷，然而這樣得到的燒傷程度不夠均勻，不可控因素多；電磁感應(yīng)加熱法也可以對試樣進(jìn)行瞬間加熱，產(chǎn)生不同程度的燒傷，但需要的加熱時(shí)間較長，熱影響區(qū)較大，最重要的是這種方法加工出的燒傷缺陷難以控制燒傷形狀和級別。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述巴克豪森噪聲檢測技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是提出一種通過單脈沖激光加工來制備巴克豪森噪聲法檢測磨削燒傷時(shí)標(biāo)定試樣的方法，激光輻照在試件表面上產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，模擬在齒輪加工過程中的磨削熱，產(chǎn)生燒傷；通過調(diào)節(jié)激光加工參數(shù)并進(jìn)行優(yōu)化來制作不同程度的燒傷試樣。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)解決方案是：

一種巴克豪森噪聲法檢測磨削燒傷時(shí)標(biāo)定試樣的制備方法，采用以下的步驟:

步驟1、選取與待檢測齒輪材質(zhì)和熱處理相同的齒輪，使用線切割的方式將單個(gè)輪齒分離下來作為待加工試件材料；

步驟2、選用脈沖激光器對單個(gè)輪齒進(jìn)行加工，將單個(gè)輪齒用工業(yè)橡皮泥固定在工作臺上，調(diào)整工作臺高度，改變輪齒表面到激光焦平面的距離，確定合適的光斑大??；

步驟3、改變激光的儲能電壓、脈沖寬度加工出不同程度的燒傷斑；

步驟4、優(yōu)化加工參數(shù)，制備合適的不同燒傷程度的標(biāo)定試樣。

作為優(yōu)選，所述的制備試樣的材料、加工工藝、熱處理方法及形狀均與被檢測的試件相同，確保標(biāo)定試樣與真實(shí)試件表面相似，并且采用相同的測量方式。

作為優(yōu)選，標(biāo)定試樣要與被測試件采用相同的測量方式，測量包括表層硬度、殘余應(yīng)力、金相組織、巴克豪森噪聲信號的特征值。

作為優(yōu)選，所述的標(biāo)定試樣采用脈沖激光進(jìn)行加工，激光燒傷模擬磨削過程由于砂輪—工件接觸區(qū)的瞬時(shí)高溫導(dǎo)致的磨削燒傷。

作為優(yōu)選，所述的脈沖激光加工采用的是nd:yag脈沖激光器，其波長為1064nm，有利于試樣表面對激光的吸收。

作為優(yōu)選，所述的nd:yag脈沖激光器采用單脈沖模式，通過單個(gè)脈沖輻照在試樣表面上產(chǎn)生斑狀燒傷。

作為優(yōu)選，所述的單脈沖激光加工過程中，對實(shí)驗(yàn)有影響的可變加工參數(shù)包括儲能電壓、脈寬、離焦量。

作為優(yōu)選，綜合考慮齒寬、基于巴克豪森原理制成的燒傷檢測儀探頭尺寸及能量的集中程度根據(jù)確定加工位置的間隔和光斑大小，使激光產(chǎn)生的斑狀燒傷在齒面上均勻分布。

作為優(yōu)選，通過調(diào)節(jié)離焦量可以改變激光燒傷的光斑大小，通過調(diào)節(jié)儲能電壓和脈寬參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同燒傷程度的加工。

作為優(yōu)選，根據(jù)能量計(jì)顯示的激光輸出能量對加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以得到最佳的溫度，實(shí)現(xiàn)對燒傷程度的控制。

本發(fā)明還提供一種巴克豪森噪聲法檢測磨削燒傷時(shí)標(biāo)定試樣的制備方法，包括以下步驟:

步驟1、選取與待檢測齒輪材質(zhì)和熱處理相同的直齒輪，使用線切割的方式將單個(gè)輪齒分離下來作為待加工試件材料；

步驟2、選用nd:yag激光器對單個(gè)輪齒進(jìn)行加工，將待加工的輪齒用工業(yè)橡皮泥固定在工作臺上，調(diào)整試件角度，保證垂直輻照的激光每次以相同的入射角進(jìn)行加工。調(diào)節(jié)工作臺高度，確定最佳光斑大小為焦平面以下13mm；

步驟3、激光器選擇單脈沖模式，初始狀態(tài)設(shè)定為1/2量程,即電壓600v、脈寬5ms，在工作齒面進(jìn)行激光輻照，記錄好加工時(shí)的各參數(shù)及每個(gè)燒傷斑標(biāo)號對應(yīng)的燒傷現(xiàn)象；

步驟4、根據(jù)燒傷后的表面顏色對燒傷試樣進(jìn)行簡單的分級。黃色為輕微燒傷，褐色為中度燒傷，青色、藍(lán)色、灰白色為嚴(yán)重?zé)齻?/p>

步驟5、根據(jù)初始參數(shù)的燒傷現(xiàn)象，進(jìn)一步劃分參數(shù)改變范圍及間隔，結(jié)合能量計(jì)顯示的脈沖激光的能量對激光加工的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，針對這一試樣確定了電壓開始出現(xiàn)明顯輕度燒傷時(shí)為600v,脈寬5ms，對應(yīng)能量計(jì)的示數(shù)為18.4w·s，為了制備不同燒傷程度標(biāo)定試樣的可通過改變電壓或脈寬參數(shù)實(shí)現(xiàn)，電壓參數(shù)間隔為50v，脈寬間隔為1ms，間隔增大一次，燒傷程度增大一個(gè)等級；

步驟6、觀察燒傷表面顏色初步估計(jì)燒傷程度后，再通過金相切片及應(yīng)力進(jìn)行檢測，驗(yàn)證并細(xì)化燒傷等級的劃分。

步驟7、重復(fù)步驟步驟2-5，可以得到不同材料、不同外形、不同燒傷程度的標(biāo)定試樣，所述外形為齒輪、軸承、鋼板形狀。

本發(fā)明所述的技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)激光燒傷制備巴克豪森噪聲法檢測磨削燒傷時(shí)標(biāo)定試樣的方法對于燒傷缺陷的形狀和級別可以實(shí)現(xiàn)人工控制，重復(fù)性好，適用于工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

(2)由于選用了相同工藝下的試件材料和熱處理方式，得到的標(biāo)定試樣與被檢測齒輪有良好的相關(guān)性，確保了輪齒表面對激光的吸收率相同，校準(zhǔn)設(shè)備具有較強(qiáng)的可信度。

(3)本發(fā)明采用的激光為單脈沖激光，激光加工設(shè)備操作及試樣制備過程比較簡單，并且無需橫向進(jìn)給，因而對實(shí)驗(yàn)臺要求較低，應(yīng)用范圍廣泛。

附圖說明

圖1：激光加工系統(tǒng)示意圖；

圖2：nd:yag激光器基本結(jié)構(gòu)圖；

圖3：工作齒面激光燒傷斑點(diǎn)位置分布；

圖4：齒輪磨削燒傷巴克豪森檢測的標(biāo)定試樣。

圖1中，1—工作臺，2—支架，3—光纖，4—能量計(jì)，5—激光器，6—電氣柜，7—主開關(guān)，8—水冷系統(tǒng)，9—被加工試樣，10—激光頭，11—透鏡；

圖2中，1—全反射鏡，2—nd:yag晶體，3—聚光腔，4—輸出鏡，5—激光，6—泵浦氙燈。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種巴克豪森噪聲法檢測磨削燒傷時(shí)標(biāo)定試樣的制備方法，通過單脈沖nd:yag脈沖激光輻照試樣表面形成燒傷，激光燒傷模擬磨削過程由于砂輪—工件接觸區(qū)的瞬時(shí)高溫導(dǎo)致的磨削燒傷，來制備巴克豪森噪聲法檢測磨削燒傷的標(biāo)定試樣。nd:yag激光器波長為1064nm，小于常用的co2激光器波長(10.6um)。又由于激光的波長越短，試樣表面對激光的吸收率越高，因此實(shí)驗(yàn)選用nd:yag激光器。此外，單脈沖激光加工的掃描速度為零，從而可以產(chǎn)生斑狀燒傷，如圖2所示，所述nd:yag激光器包括：全反射鏡、nd:yag晶體、聚光腔、輸出鏡、激光、泵浦氙燈。

激光加工系統(tǒng)中，激光器是固定不動的，出射的激光會垂直照射到試樣表面，實(shí)驗(yàn)過程中只需調(diào)整試件的位置即可，如圖1所示，激光加工系統(tǒng)包括：工作臺、支架、光纖、能量計(jì)、激光器、電氣柜、主開關(guān)、水冷系統(tǒng)、被加工試樣、激光頭、以及透鏡。

一種巴克豪森噪聲法檢測磨削燒傷時(shí)標(biāo)定試樣的制備方法，齒輪磨削燒傷巴克豪森檢測的標(biāo)定試樣，如圖4所示，采用以下步驟進(jìn)行操作:

(1)選取與待檢測齒輪材質(zhì)和熱處理工藝相同的齒輪，采用線切割加工將單個(gè)輪齒從整體上分離出來，作為待加工的試樣材料。

(2)用無水乙醇清洗輪齒表面的臟污(油脂、污跡、指紋和塵土等)，否則會影響齒面對激光的吸收率。

(3)將單個(gè)輪齒用工業(yè)橡皮泥固定在工作臺上，調(diào)整工作臺高度，改變輪齒表面到激光焦平面的距離，確定合適的光斑大小。

(4)改變激光的儲能電壓(電壓)、脈寬加工出不同程度的燒傷斑。

(5)優(yōu)化加工參數(shù)，制備合適的不同燒傷程度的標(biāo)定試樣。

nd:yag激光器選擇單脈沖模式進(jìn)行加工；儲能電壓的范圍為400-800v，激光的脈寬為0.1-10ms。

通過控制單一變量法可以研究電壓、脈寬對激光燒傷程度的影響。不同材料、不同表面粗糙度對激光的吸收率不同，所以針對某一特定表面得到的加工參數(shù)對其他被加工試樣的參考意義不大。參量改變間隔應(yīng)≤20％*(最大量程-最小量程)。

每次更換輪齒后都需將輪齒重新調(diào)整位置，確保每次實(shí)驗(yàn)時(shí)的激光入射角度保持一致。綜合考慮齒寬、基于巴克豪森原理制成的燒傷檢測儀探頭尺寸及能量的集中程度根據(jù)確定加工位置的間隔和光斑大小，使激光光斑在齒面上均勻分布，其中心應(yīng)處于整個(gè)齒寬方向的1/3、2/3處、齒高方向的1/2處，便于后續(xù)測量，如圖3所示。

更換被加工材料后需要根據(jù)試樣重新調(diào)節(jié)離焦量，找到合適的光斑大小及位置。試件放置的方向及傾角要一致，確保激光每次都以相同的入射角輻照在表面上。

根據(jù)燒傷后試樣表面顏色變化初步劃分燒傷等級。黃色為輕微燒傷，藍(lán)黑色乃至于灰色為嚴(yán)重?zé)齻Ｗ詈蠼Y(jié)合表面硬度、殘余應(yīng)力及金相組織，進(jìn)一步驗(yàn)證和細(xì)化燒傷等級的劃分。

結(jié)合燒傷后表面顏色和能量計(jì)顯示的單脈沖激光能量對激光加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，目的在于得到產(chǎn)生最合適的溫度。溫度過高，會造成殘余應(yīng)力發(fā)生顯著改變而使巴克豪森噪聲信號達(dá)到飽和狀態(tài)，溫度過低，則達(dá)不到想要的結(jié)果。

觀察燒傷表面顏色初步估計(jì)燒傷程度后，再通過金相切片及應(yīng)力進(jìn)行檢測，驗(yàn)證并細(xì)化燒傷等級的劃分，使加工出的標(biāo)定試樣更加可靠，經(jīng)過標(biāo)定的磨削燒傷檢測儀的測量結(jié)果更有說服力。

以法士特變速箱直齒輪試樣為例，介紹標(biāo)定試樣的制備過程，但不局限于這一種材料。

1、選取與待檢測齒輪材質(zhì)和熱處理相同的直齒輪，使用線切割的方式將單個(gè)輪齒分離下來作為待加工試件材料。

2、選用nd:yag激光器對單個(gè)輪齒進(jìn)行加工，將待加工的輪齒用工業(yè)橡皮泥固定在工作臺上，調(diào)整試件角度，保證垂直輻照的激光每次以相同的入射角進(jìn)行加工。調(diào)節(jié)工作臺高度，確定最佳光斑大小為焦平面以下13mm。

3、激光器選擇單脈沖模式，初始狀態(tài)設(shè)定為1/2量程,即電壓600v、脈寬5ms，在工作齒面進(jìn)行激光輻照，記錄好加工時(shí)的各參數(shù)及每個(gè)燒傷斑標(biāo)號對應(yīng)的燒傷現(xiàn)象。

4、根據(jù)燒傷后的表面顏色對燒傷試樣進(jìn)行簡單的分級。黃色為輕微燒傷，褐色為中度燒傷，青色、藍(lán)色、灰白色為嚴(yán)重?zé)齻?/p>

5、根據(jù)初始參數(shù)的燒傷現(xiàn)象，進(jìn)一步劃分參數(shù)改變范圍及間隔，結(jié)合能量計(jì)顯示的脈沖激光的能量對激光加工的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。針對這一試樣確定了電壓開始出現(xiàn)明顯輕度燒傷時(shí)為600v,脈寬5ms，對應(yīng)能量計(jì)的示數(shù)為18.4w·s。為了制備不同燒傷程度標(biāo)定試樣的可通過改變電壓或脈寬參數(shù)實(shí)現(xiàn)，電壓參數(shù)間隔為50v，脈寬間隔為1ms，間隔增大一次，燒傷程度增大一個(gè)等級。

6、觀察燒傷表面顏色初步估計(jì)燒傷程度后，再通過金相切片及應(yīng)力進(jìn)行檢測，驗(yàn)證并細(xì)化燒傷等級的劃分。

7、重復(fù)步驟2-5，可以得到不同材料、不同外形、不同燒傷程度的標(biāo)定試樣。

本發(fā)明方法以齒輪為例進(jìn)行說明，但本發(fā)明涉及的標(biāo)定式樣的方法，不僅僅局限于齒輪，還包括軸承、套圈等利用巴克豪森噪聲原理制成的檢測儀進(jìn)行磨削燒傷檢測的所有鐵磁性材料，試樣的形狀依據(jù)被測試件而定，不局限于單個(gè)輪齒或平面鋼板。