齒輪與軸類零件滲碳深度的脈沖渦流檢測(cè)裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種齒輪與軸類零件滲碳深度的脈沖渦流檢測(cè)裝置與方法，屬于熱處理質(zhì)量控制和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在當(dāng)代機(jī)械加工過(guò)程中化學(xué)熱處理的應(yīng)用越來(lái)越多，在航空航天、海洋機(jī)械以及汽車(chē)制造等各個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。目前大量應(yīng)用的凸輪、齒輪、偏心輪、活塞銷等機(jī)械零件在工作過(guò)程中承受強(qiáng)烈的摩擦和沖擊載荷，因此要求零件表面具有較高的硬度和耐磨性，而心部具有良好的塑性和韌性。為了滿足上述性能要求，需要對(duì)齒輪和軸類零件進(jìn)行化學(xué)熱處理?；瘜W(xué)熱處理包括滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲硫、滲銷、滲絡(luò)、滲娃、氧氮化、硫氰共滲、碳氮硫氧硼五元共滲及碳(氮)化鈦覆蓋等，其中滲碳在現(xiàn)代機(jī)械制造領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。
[0003]化學(xué)熱處理過(guò)程主要分為分解、吸收、擴(kuò)散三大步。分解是指處理過(guò)程中所需介質(zhì)中的滲劑分子發(fā)生分解，分解出活性原子。吸收是指該活性原子被零件表面吸收后與零件基體形成合金固溶體的過(guò)程。擴(kuò)散是指該活性原子由基體材料表面向基體內(nèi)部逐漸擴(kuò)散，并形成一定的濃度梯度。
[0004]通過(guò)滲碳處理能夠使零件獲得高的表面硬度、耐磨性以及高的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度。根據(jù)滲碳過(guò)程中滲碳介質(zhì)狀態(tài)的不同，滲碳可分為固體滲碳、液體滲碳以及氣體滲碳三種，其中以氣體滲碳應(yīng)用最為廣泛。而對(duì)于零件的滲碳質(zhì)量，一般希望滲碳層濃度梯度平緩，滲碳層深度按照要求控制在0.5 mm~2.5 mm范圍內(nèi)。滲碳質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)有表面碳濃度、滲碳深度和滲層碳濃度分布等參數(shù)，其中滲碳層深度是最重要的指標(biāo)。若滲碳層過(guò)淺易導(dǎo)致零件表面硬度和耐磨性不達(dá)標(biāo)，滲碳層過(guò)深則導(dǎo)致零件塑性和韌性不達(dá)標(biāo)；因此對(duì)高性能的齒輪與軸類零件而言，準(zhǔn)確測(cè)量滲碳層深度是極為重要的。
[0005]測(cè)量滲碳深度的常用方法可分為破壞性檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)兩大類。常用的破壞性檢測(cè)方法有電阻法、硬度法、剝層法(化學(xué)法)、金相法等，電阻法是在傳統(tǒng)測(cè)量維氏硬度的金剛石壓頭(非導(dǎo)體材料)表面涂覆一層薄導(dǎo)體層，壓頭與試件間形成一閉合回路，通過(guò)測(cè)量壓頭座與試樣之間阻值便能得到壓頭位置，即壓頭在零件中的深度，這種方法在獲得零件深度方向上硬度分布的同時(shí)，能直接得到零件滲層的表面厚度，但該方法容易受零件表面粗糙度影響。
[0006]硬度法通過(guò)測(cè)量壓頭在零件表面壓孔的尺寸得到零件硬度，測(cè)試零件從表面到硬度為550 HV處的垂直距離即為滲碳深度，具有測(cè)量精確、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是要求鋼材的淬透性穩(wěn)定，而目前的淬透工藝穩(wěn)定性往往較差。
[0007]剝層法也稱化學(xué)法，是根據(jù)零件深度的增量進(jìn)行剝層，逐層分析碳含量，其測(cè)量結(jié)果較為精確，但過(guò)程非常繁瑣費(fèi)時(shí)。
[0008]金相法是對(duì)零件進(jìn)行等溫退火，得到平衡組織在光學(xué)顯微鏡下放大測(cè)量，測(cè)量結(jié)果直觀，但化學(xué)試劑的選擇必須慎重考慮，否則無(wú)法清晰顯示滲層相界。
[0009]上述檢測(cè)方法對(duì)零件都具有破壞性，因而不能對(duì)所有零件進(jìn)行100%檢測(cè)，只能進(jìn)行抽樣檢測(cè)；抽樣檢測(cè)可能把合格的零件判為不合格，也可能把不合格的零件判為合格，有接受不合格零件和拒絕合格零件的風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)制造的產(chǎn)品或過(guò)程只能提供較少的品質(zhì)信息，對(duì)于要求高可靠性和高性能的零件并不適用。
無(wú)損檢測(cè)是指在不損傷或不影響被測(cè)對(duì)象使用性能、不傷害被測(cè)對(duì)象內(nèi)部組織的前提下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異?；蛉毕菀鸬臒帷⒙?、光、電、磁等反應(yīng)的變化，以物理或化學(xué)方法為手段，借助現(xiàn)代化技術(shù)和設(shè)備器材，對(duì)零件內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)及缺陷的類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化進(jìn)行檢查和測(cè)試的方法。常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)方法有超聲法、射線法、磁粉法、滲透法和禍流法。
[0010]超聲法要求被測(cè)表面光潔且需要耦合劑，只適用于界面分明的材料測(cè)厚；射線法的放射源具有放射性對(duì)人體具有一定的副作用，且射線檢測(cè)操作中需要嚴(yán)格防護(hù)，防護(hù)設(shè)備成本較高；磁粉法和滲透法只適用于零件或裝備探傷。
[0011]渦流法是基于電磁感應(yīng)原理的一種無(wú)損檢測(cè)方式，該方法對(duì)于零件材料的電磁參數(shù)如電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率的變化非常敏感。零件材料經(jīng)滲碳處理之后由于碳含量的不同，在滲碳深度內(nèi)零件的電導(dǎo)率和導(dǎo)磁率發(fā)生變化，且電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率隨深度變化而變化，非恒定值，因此渦流法適用于齒輪與軸類零件滲碳深度的無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估。
[0012]常用的渦流方法有常規(guī)渦流法和脈沖渦流法。常規(guī)渦流法采用單頻或多頻正弦信號(hào)激勵(lì)，脈沖渦流法采用具有一定占空比的方波信號(hào)作為激勵(lì)。目前市場(chǎng)上還沒(méi)有出現(xiàn)通過(guò)脈沖渦流檢測(cè)裝置及方法來(lái)檢測(cè)齒輪與軸類零件滲碳深度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種齒輪與軸類零件滲碳深度的脈沖渦流檢測(cè)裝置與方法，具有不破壞零件使用性能、檢測(cè)速度快、儀器成本低、不受趨膚效應(yīng)限制等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)齒輪與軸類零件的在線100%檢測(cè)。
[0014]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種齒輪與軸類零件滲碳深度的脈沖渦流檢測(cè)裝置，
它包括脈沖信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、電渦流探頭、信號(hào)調(diào)理放大器、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)；
所述的脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出端與功率放大器輸入端相連，功率放大器輸出端與電渦流探頭輸入端相連，電渦流探頭輸出端與信號(hào)調(diào)理放大器輸入端相連，信號(hào)調(diào)理放大器輸出端與數(shù)據(jù)采集卡輸入端相連，數(shù)據(jù)采集卡輸出端與計(jì)算機(jī)相連；
所述的脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，經(jīng)功率放大器后驅(qū)動(dòng)電渦流探頭，電渦流探頭輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理放大器和數(shù)據(jù)采集卡后輸入計(jì)算機(jī)。
[0015]所述的電渦流探頭由激勵(lì)線圈、骨架、霍爾傳感器組成；激勵(lì)線圈纏繞在骨架上，霍爾傳感器設(shè)置在骨架上并通過(guò)引線引出；其中，骨架為鐵氧體磁芯。
[0016]所述的霍爾傳感器為兩個(gè)，一個(gè)置于骨架底部中心位置，另一個(gè)置于骨架頂部中心位置，二者呈對(duì)稱分布。
[0017]所述的數(shù)據(jù)采集卡采樣速率大于500Ks/s。
[0018]一種齒輪與軸類零件滲碳深度的脈沖渦流檢測(cè)方法，包括以下步驟: 1)標(biāo)定:針對(duì)各種不同材料制作的齒輪或軸類零件，制作不同滲碳深度的標(biāo)準(zhǔn)試件，采用齒輪與軸類零件滲碳深度的脈沖渦流檢測(cè)裝置，獲取其脈沖渦流信號(hào)，并建立各類材料對(duì)應(yīng)的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滲碳深度檢測(cè)模型；
2)檢測(cè):對(duì)于待檢測(cè)零件，采用權(quán)利要求1所述的齒輪與軸類零件滲碳深度的脈沖渦流檢測(cè)裝置檢測(cè)其脈沖渦流信號(hào)，調(diào)用其對(duì)應(yīng)的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滲碳深度檢測(cè)模型，計(jì)算滲碳深度。
[0019]所述步驟I)包括以下步驟:
11)針對(duì)各種不同材料制作的齒輪或軸類零件，按照實(shí)際生產(chǎn)要求，制作一系列不同滲碳深度的標(biāo)準(zhǔn)試件，并采用齒輪與軸類零件滲碳深度的脈沖渦流檢測(cè)裝置逐一測(cè)量這些標(biāo)準(zhǔn)試件的脈沖渦流信號(hào)，測(cè)量時(shí)將電渦流探頭置于被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試件表面，在電渦流探頭軸線與被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試件表面垂直的條件下進(jìn)行；
12)對(duì)步驟11)所測(cè)的脈沖渦流信號(hào)進(jìn)行去噪處理后，提取其峰值和峰值時(shí)間作為每一個(gè)不同滲碳深度標(biāo)準(zhǔn)試件的信號(hào)特征；
13)采用剝層法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件逐一進(jìn)行破壞性檢測(cè)，得到各標(biāo)準(zhǔn)試件的實(shí)際滲碳深度；
14)建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將步驟12)獲得標(biāo)準(zhǔn)試件的信號(hào)特征作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入，將步驟13)獲得的實(shí)際滲碳深度作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出，建立基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滲碳深度檢測(cè)模型。
[0020]所述步驟2)包括以下步驟:
21)對(duì)于待檢測(cè)零件，在其表面均勻選取三個(gè)點(diǎn)作為測(cè)點(diǎn)，并采用齒輪與軸類零件滲碳深度的脈沖渦流檢測(cè)裝置對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，獲取其脈沖渦流信號(hào)；
22)對(duì)步驟21)所測(cè)的各測(cè)點(diǎn)的脈沖渦流信號(hào)進(jìn)行去噪處理后，提取其峰值和峰值時(shí)間作為每一個(gè)不同滲碳深度零件的信號(hào)特征；
23)將三個(gè)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)特征輸入步驟14)建立的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滲碳深度檢測(cè)模型，獲取被測(cè)零件表面各測(cè)點(diǎn)的滲碳深度值，然后將三個(gè)測(cè)點(diǎn)的滲碳深度值取平均，作為被測(cè)零件的滲碳深度值。
[0021]與現(xiàn)有的方法相比，本發(fā)明采用脈沖渦流法，解決了當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)中齒輪與軸類零件滲碳深度檢測(cè)存在的隨機(jī)抽樣、破壞性、成本高、需要化學(xué)試劑、過(guò)程繁瑣費(fèi)時(shí)等問(wèn)題，具有不破壞零件使用性能、檢測(cè)速度快、儀器成本低、不受趨膚效應(yīng)限制等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)齒輪與軸類零件的在線100%檢測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是本發(fā)明原理框圖；
圖2是本發(fā)明電渦流探頭的截面圖；
圖3是本發(fā)明電渦流探頭的俯視圖；
圖4是本發(fā)明使用的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滲碳深度檢測(cè)模型的標(biāo)定流程圖。
[0023]圖中:1、引線，2、骨架，3、激勵(lì)線圈，4、霍爾傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0025]如圖1所示，一種齒輪與軸類零件滲碳深度的脈沖渦流檢測(cè)裝置，
它包括脈沖信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、電渦流探頭、信號(hào)調(diào)理放大器、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)；
所述的脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出端與功率放大器輸入端相連，功率放大器輸