第一篇：超聲振動(dòng)磨削技術(shù)、

超聲振動(dòng)精密磨削技術(shù)的發(fā)展

1、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，金屬間化合物、工程陶瓷、石英、光學(xué)玻璃等硬脆材料以及各種增韌、增強(qiáng)的新型復(fù)合材料因其高硬度、耐磨損、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)在航空航天、國(guó)防科技、生物工程、計(jì)算機(jī)工程等尖端領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛；但由于這些材料的脆硬特性，傳統(tǒng)加工方法已不能滿足對(duì)這些材料零件的精密加工要求，因此有關(guān)其精密超精密磨削加工技術(shù)便成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。超聲振動(dòng)精密磨削技術(shù)便是順應(yīng)這一需要而發(fā)展起來的技術(shù)之一。

超聲振動(dòng)磨削技術(shù)的基本原理為：由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻電振蕩信號(hào)（一般為16～25KHz）經(jīng)超聲換能器轉(zhuǎn)換成超聲頻機(jī)械振動(dòng)，超聲振動(dòng)振幅由變幅桿放大后驅(qū)動(dòng)工具砂輪產(chǎn)生相應(yīng)頻率的振動(dòng)，使刀具與工件之間形成周期性的切削。即工具砂輪在旋轉(zhuǎn)磨削的同時(shí)做高頻振動(dòng)。

超聲加工技術(shù)的經(jīng)歷了從傳統(tǒng)超聲波加工到旋轉(zhuǎn)超聲波加工的發(fā)展階段，旋轉(zhuǎn)式超聲加工是在傳統(tǒng)超聲加工的工具上疊加了一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種加工用水帶走被去除的材料并冷卻工具，不需要傳統(tǒng)超聲加工中的磨料懸浮液，因此，這種方法被廣泛的運(yùn)用于超聲振動(dòng)磨削加工中。

2、超聲振動(dòng)磨削技術(shù)發(fā)展回顧

1927 年，R.W.Wood 和 A.L.Loomis 就發(fā)表了有關(guān)超聲波加工的論文，超聲加工首次提出。

1945 年L.Balamuth 就申請(qǐng)了關(guān)于超聲加工的專利。世紀(jì) 50～60 年代日本學(xué)者隈部淳一郎發(fā)表了許多對(duì)振動(dòng)切削進(jìn)行系統(tǒng)研究的論文，提出了振動(dòng)切削理論，并成功實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)磨削等加工 [8]。

1960 年左右，英國(guó) Hawell 原子能研究中心的科學(xué)家發(fā)明了新的超聲磨削復(fù)合加工方法。超聲振動(dòng)磨削加工在難加工材料和高精度零件的加工方面顯示了很大的優(yōu)越性。

1986 年日本學(xué)者石川健一受超聲電機(jī)橢圓振動(dòng)特性啟發(fā)，首次提出了“橢圓振動(dòng) [6]

切

削方法”（elliptical vibration cutting）。世紀(jì) 90 年代初，日本神戶大學(xué)社本英二等人對(duì)超聲橢圓振動(dòng)切削技術(shù)進(jìn)行了深入研究，其最具代表性的研究成果是利用金剛石刀具采用雙激勵(lì)雙彎曲合成橢圓振動(dòng)的方式對(duì)黑色金屬淬火不銹鋼進(jìn)行精密車削，最小表面粗糙度可以達(dá)到 Ra0.0106um，不但解決了金剛石不能加工黑色金屬的難題，而且使這項(xiàng)技術(shù)達(dá)到了實(shí)用化階段。

20世紀(jì)50年代，在前蘇聯(lián)的影響下，我國(guó)進(jìn)行了振動(dòng)加工的初步應(yīng)用研究工作，對(duì)超聲振動(dòng)磨削機(jī)理進(jìn)行了探索研究。

1976年，我國(guó)再次開展超聲加工的試驗(yàn)研究和理論探索。

1983年，我國(guó)機(jī)械電子工業(yè)部科技司委托《機(jī)械工藝師》雜志社在西安召開了我國(guó)第一次“振動(dòng)與切削專題討論會(huì)”。

1985 年前后機(jī)械電子工業(yè)部第 11 研究所研制成功超聲旋轉(zhuǎn)加工機(jī)，在玻璃、陶瓷、等硬脆材料的內(nèi)外圓磨削等加工中取得了優(yōu)異的工藝效果。

1987年北京市電加工研究所于研究成功了超硬材料超聲電火花復(fù)合拋光技術(shù)。這項(xiàng)發(fā)明技術(shù)是世界上首次提出并實(shí)現(xiàn)采用超聲頻調(diào)制電火花與超聲波復(fù)合的研磨、拋光加工技術(shù)。與純超聲波研磨、拋光相比，效率提高5倍以上，并節(jié)約了大量的金剛石磨料。

80年代后期，天津大學(xué)李天基等人在高速磨削的同時(shí)對(duì)磨頭施以超聲振動(dòng)，提出了高效的超聲磨削復(fù)合加工方法，效率比傳統(tǒng)的超聲加工提高了6倍以上，表面質(zhì)量也有了大幅提高。

90年代后，超聲振動(dòng)作為一種新型的高新技術(shù)成為了科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)院校的研究熱點(diǎn)，3、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1超聲振動(dòng)磨削技術(shù) 國(guó)外 研究現(xiàn)狀

1993年，美國(guó)堪薩斯州立大學(xué)D.Prabhakar等人提出了一種超聲旋轉(zhuǎn)加工陶瓷材料去除率的理論模型，并試驗(yàn)證明了與普通磨削相同的條件下旋轉(zhuǎn)超聲加工工具具有低的切削力和相對(duì)高的材料去除率。

1996年東京大學(xué)的增澤隆久等人用超聲激振方式在結(jié)構(gòu)陶瓷材料上加工出了直徑

為5μm的微孔。

1998年德國(guó)工業(yè)大學(xué)E.Uhlman、G.Spur等人在48屆CIPR年會(huì)上提出在加工表面的法向施加超聲振動(dòng)，材料的去除率大大提高，并試驗(yàn)證明了在提高材料去除率的同時(shí)，并不會(huì)對(duì)表層造成損傷。

1999年，德國(guó)Kaiserslautern大學(xué)的G．Warnecke指出，在磨削新型陶瓷和硬 金屬等硬脆材料時(shí)，磨削過程及結(jié)果與材料去除機(jī)理緊密相關(guān)。

美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)和內(nèi)華達(dá)大學(xué)對(duì)Al2O3陶瓷材料微去除量精密超聲加工技術(shù)進(jìn)行了研究。通過模擬陶瓷材料超聲加工的力學(xué)特性對(duì)材料去除機(jī)制進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，低沖擊力會(huì)引起陶瓷材料結(jié)構(gòu)的變化和晶粒的錯(cuò)位，而高沖擊力會(huì)導(dǎo)致中心裂紋和凹痕。美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)還第一次分析了Al2O3陶瓷精密超聲加工的機(jī)理、過程動(dòng)力學(xué)以及發(fā)展趨勢(shì)，并詳細(xì)討論了超聲技術(shù)在陶瓷加工方面的應(yīng)用情況。

巴西的研究人員對(duì)石英晶體的超聲研磨技術(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體的材料去除率取決于晶體的晶向，研磨晶粒的尺寸影響材料去除率和表面粗糙度。研究指出，加工過程中材料產(chǎn)生微裂紋是材料去除的主要原因。

日本的吳勇波等人建立了超聲振動(dòng)輔助磨削的實(shí)驗(yàn)裝置（裝置如圖 1-4）并研究了磨削不銹鋼內(nèi)孔時(shí)超聲振動(dòng)對(duì)表面粗糙度和切削力的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加 19.2KHz 超聲振動(dòng)后，表面粗糙度可以減少 20％；法向力減少 65％，切向力減少 70％。

3.2超聲振動(dòng)磨削技術(shù) 國(guó)內(nèi) 研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)眾多知名院校均對(duì)超聲振動(dòng)加工方面進(jìn)行了研究，超聲振動(dòng)磨削機(jī)理的研究在這一時(shí)期取得了一系列的理論成果。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的吳永孝、張廣玉等人研制的超聲波振動(dòng)小孔內(nèi)圓磨削系統(tǒng)在小孔磨削提高磨削效率和加工精度等方面取得了一定的成效，但其使用的磁致伸縮換能器發(fā)熱大，需要加裝制冷裝置致使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且超聲電能的供應(yīng)采用的是碳刷集流環(huán)的傳統(tǒng)供電方式。

河北工學(xué)院的李健中等人對(duì)超聲振動(dòng)磨削的材料去除機(jī)理、表面創(chuàng)成機(jī)理、表面粗糙度等進(jìn)行了一系列的研究。利用自行研制的超聲振動(dòng)磨削裝置使砂輪磨削的同時(shí)作軸向超聲振動(dòng)，通過試驗(yàn)得知，由于高頻振動(dòng)，砂輪不易堵塞，保持磨粒鋒利性，提高了

磨削效率；磨削表面形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，加工表面質(zhì)量較好。

1998 年前后兵器工業(yè)第五二研究所楊繼先、張永宏等人通過對(duì)外圓磨床的改造進(jìn)行了超聲振動(dòng)內(nèi)圓磨削試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了超聲振動(dòng)內(nèi)圓磨削可明顯地提高陶瓷加工效率，能有效地消除普通磨削產(chǎn)生的表面裂紋和崩坑的效果，提高磨削圓度。

1999年上海交通大學(xué)趙波等利用自行研制的超聲振動(dòng)珩磨機(jī)床對(duì)工程陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)缸套類零件進(jìn)行了超聲振動(dòng)磨削試驗(yàn)研究．加工表面微裂紋大幅度減少，加工效率和加工表面質(zhì)量均得糾很大提高，加工工具耐用度比普通磨削提高至少3倍。

2000 年前后，天津大學(xué)于思遠(yuǎn)、劉殿通、李天基等人 [12] 對(duì)各種先進(jìn)陶瓷小孔加工進(jìn)行了系統(tǒng)研究，采用無冷壓電陶瓷換能器制開發(fā)了一臺(tái)陶瓷小孔超聲波磨削加工機(jī)床，在工程陶瓷小孔磨削時(shí)對(duì)磨頭施以超聲振動(dòng)，提出了高效的超聲磨削復(fù)合加工方法，效率比傳統(tǒng)的超聲加工提高 6 倍以上，表面質(zhì)量也有大幅度提高。

南京航空航天大學(xué)對(duì)硬脆金屬材料的超聲電解復(fù)合加工工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，該復(fù)合加工方法使加工速度、精度及表面質(zhì)量較單一加工工藝有顯著改善

東北大學(xué)龐楠研究了新型陶瓷材料的超聲波復(fù)合磨削加工中砂輪堵塞及自銳性分析，砂輪修整方法及最佳砂輪修整程度的分析，提出超聲振動(dòng)磨削的最佳工藝參數(shù)[11]。

上海交通大學(xué)吳雁在陶瓷材料的超聲加工方面進(jìn)行了深入研究，研究了二維超聲振動(dòng)磨削陶瓷材料的脆-塑性轉(zhuǎn)變機(jī)理、塑性去除機(jī)理、高效去除機(jī)理等相關(guān)的超聲磨削機(jī)理，提出了微-納米復(fù)合陶瓷二維超聲振動(dòng)表面變質(zhì)層結(jié)構(gòu)模型以及精密磨削復(fù)合陶瓷材料是塑性變形為主的去除方式,并且還進(jìn)行了納米復(fù)相陶瓷超聲振動(dòng)表面微觀特性的研究，提出了在特定的磨削條件下，陶瓷材料納米增韌改性和二維超聲振動(dòng)磨削技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)以非彈性變形為主要去除機(jī)理的超精密磨削表面[12][13]。

河南理工大學(xué)閆艷燕等進(jìn)行了陶瓷材料的超聲磨削機(jī)理和試驗(yàn)研究，分析了陶瓷材料二維超聲振動(dòng)研磨、磨削的去除機(jī)理和磨削表面創(chuàng)成機(jī)理以及硬脆材料的表面形成和破碎狀況，并建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，得出了陶瓷材料脆—塑性轉(zhuǎn)化的臨界公式，以及超聲磨削提高陶瓷材料表面質(zhì)量的相關(guān)結(jié)論[15][16]。

山東大學(xué)張洪麗、張建華等研究了工件沿砂輪軸向、徑向、切向三種超聲振動(dòng)條件下的磨削特性，分析了三種情況下的運(yùn)動(dòng)學(xué)、磨削力、材料去除機(jī)理及表面加工質(zhì)量，建立了三種加工方式下的表面粗糙度的計(jì)算模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)將超聲振動(dòng)引入普通聚晶金剛石(PCD)的研磨

[14]

加工，顯著地提高了研磨效率，并在分析PCD材料的微觀結(jié)構(gòu)和去除機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)PCD超聲振動(dòng)研磨機(jī)理進(jìn)行了深入研究。研究指出，研磨軌跡的增長(zhǎng)和超聲振動(dòng)脈沖力的作用是提高研磨效率的根本原因。

本人及團(tuán)隊(duì)在超聲振動(dòng)內(nèi)圓磨削加工技術(shù)上取得了新的突破，通過在普通內(nèi)圓磨削機(jī)床上添加超聲振動(dòng)內(nèi)圓磨削磨頭即可以實(shí)現(xiàn)超聲內(nèi)圓磨削，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，并且采用了新型的回轉(zhuǎn)式非接觸超聲波電能傳輸方式，解決了一直以來困擾眾多學(xué)者的碳刷、集流環(huán)電能傳輸方式中存在的問題，并申請(qǐng)了一項(xiàng)有關(guān)非接觸超聲波電能傳輸?shù)膶?shí)用新型國(guó)家專利。

3.3超聲振動(dòng)磨削裝置的研究進(jìn)展

超聲振動(dòng)系統(tǒng)由換能器、變幅桿和工具頭等部分組成，是超聲設(shè)備的核心部分。超聲振動(dòng)磨削系統(tǒng)通常采用一維縱向（軸向）振動(dòng)方式，并按“全調(diào)諧”方式工作。但近年來，隨著超聲技術(shù)基礎(chǔ)研究的發(fā)展和在不同領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的特殊需要，對(duì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)的工作方式和設(shè)計(jì)計(jì)算、振動(dòng)方式及其應(yīng)用研究都取得了新的進(jìn)展，二維超聲振動(dòng)磨削系統(tǒng)也得到了研究和應(yīng)用。

超聲振動(dòng)磨削系統(tǒng)依據(jù)換能器的振動(dòng)方式可以分為兩大類，單方向激勵(lì)超聲振動(dòng)磨削系統(tǒng)和復(fù)合振動(dòng)磨削系統(tǒng)。

日本研究成功一種半波長(zhǎng)彎曲振動(dòng)系統(tǒng)，其切削刀具安裝在半波長(zhǎng)換能振動(dòng)系統(tǒng)細(xì)端，該振動(dòng)系統(tǒng)換能器的壓電陶瓷片采用半圓形，上下各兩片，組成上下兩個(gè)半圓形壓電換能器(壓電振子)，其特點(diǎn)是小型化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性增強(qiáng)。

日本還研制成一種新型“縱-彎”型振動(dòng)系統(tǒng)，并已在手持式超聲復(fù)合振動(dòng)研磨機(jī)上成功應(yīng)用。該系統(tǒng)壓電換能器也采用半圓形壓電陶瓷片產(chǎn)生“縱-彎”型復(fù)合振動(dòng)。

1994年日本多賀電氣株式會(huì)社采用“縱一彎”型超聲復(fù)合振動(dòng)系統(tǒng)制成研磨機(jī)，用于放電加工后的模具溝槽側(cè)壁研磨拋光。研磨工具做縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)。研究結(jié)果表明，彎曲振動(dòng)方向不同，可獲得不同的研磨效果。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的吳永孝、張廣玉等人研制的超聲波振動(dòng)小孔內(nèi)圓磨削系統(tǒng)，在小

[8]

孔磨削提高磨削效率和加工精度等方面取得了一定的成效，所用磁致伸縮換能器發(fā)熱大，采用了加裝制冷裝置的方法解決冷卻問題，但致使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

1996 年前后華北工學(xué)院辛志杰、劉剛通過對(duì)超聲振動(dòng)內(nèi)圓磨削機(jī)理的探討，研制了一套超聲內(nèi)圓磨削裝置，在改善工件表面質(zhì)量、提高生產(chǎn)率和內(nèi)圓磨削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有了新的突破。

1997年英國(guó)研制了硬脆材料納米磨削中心，可實(shí)現(xiàn)硬脆材料超聲納米表面加工；日本UNNO海野邦昭分別進(jìn)行了工程陶瓷超聲磨削的研究。多項(xiàng)研究結(jié)果表明：超聲磨削陶瓷材料的加工效率可提高近一倍；當(dāng)工具與工件上同時(shí)施加超聲振動(dòng)時(shí)，加工效率可提高2—3倍。

1997 年前后西北工業(yè)大學(xué)史興寬等人研制了一種超聲內(nèi)圓磨削裝置，此裝置較專用超聲磨床主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但因發(fā)熱大而使用了冷卻裝置，這就使此超聲磨頭的結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜，雖然加工效率和加工質(zhì)量有一定的提高，但其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)不利于推廣使用。

2002年弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究院研制出了新型超聲研磨設(shè)備DMS 50，采用該設(shè)備對(duì)超聲輔助磨削過程進(jìn)行了技術(shù)性分析。并且，國(guó)外已研究出先進(jìn)的超聲振動(dòng)主軸，其轉(zhuǎn)速可達(dá)4000r／min至30，000r／min。可以實(shí)現(xiàn)加工過程中砂輪的振動(dòng)，并使其轉(zhuǎn)速達(dá)到傳統(tǒng)磨削工藝的水平。

德國(guó) Fraunhofer 研究中心和布萊梅大學(xué)精密工程中心采用非圓周對(duì)稱結(jié)構(gòu)在單縱振激勵(lì)的條件下產(chǎn)生了 10:1 的橢圓振動(dòng)，提高了刀具壽命，也保證了加工精度。另外新加坡制造技術(shù)研究所仿照德國(guó)研究人員的結(jié)構(gòu)也制作除了超聲橢圓振動(dòng)切削不銹鋼的裝置。

天津大學(xué)于思遠(yuǎn)、劉殿通等人對(duì)各種先進(jìn)陶瓷小孔加工進(jìn)行了系統(tǒng)研究，采用無冷壓電陶瓷換能器研制了一臺(tái)陶瓷小孔超聲波磨削加工機(jī)床，在工程陶瓷小孔磨削時(shí)對(duì)磨頭施以超聲振動(dòng)，提出了高效的超聲磨削復(fù)合加工方法，效率比傳統(tǒng)的超聲加工提高6倍以上，表面質(zhì)量也有大幅度提高[23]。

南京航空航天大學(xué)楊衛(wèi)平、徐家文設(shè)計(jì)了用于加工三維型面的超聲磨削裝置，推導(dǎo)了用于數(shù)控加工的超聲磨削裝置變幅桿設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，此裝置采用電機(jī)直連進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，電信號(hào)傳輸采用碳刷集流環(huán)的傳輸方式。

河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院李華、殷振等人設(shè)計(jì)了超聲波橢圓振動(dòng)內(nèi)圓磨削磨頭，[24]

并在超聲振動(dòng)內(nèi)圓磨削系統(tǒng)中采用了新型的回轉(zhuǎn)式非接觸超聲波電能傳輸方式，解決了碳刷、集流環(huán)電能傳輸方式中存在的問題 [25]。

德國(guó) DMG 公司和日本馬扎克公司將超聲振動(dòng)頭安裝在加工中心上，進(jìn)行了零件異形溝槽加工、內(nèi)外圓磨削、平面磨削加工、以及導(dǎo)電陶瓷材料的超聲振動(dòng)磨削研究，取得良好效果，并已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。

在第八屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)(CIMT2003)上，德國(guó)DMG公司展出了其新產(chǎn)品DMS35Ultrasonic超聲振動(dòng)加工機(jī)床，該機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速3 000～4 0000 r/min，特別適合加工陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料。與傳統(tǒng)加工方式相比，生產(chǎn)效率提高5倍，加工表面粗糙度Ra＜0.2μm，可加工0.3 mm精密小孔，堪稱硬脆材料加工設(shè)備性能的新飛躍。

圖 1-2 德國(guó) DMG 超聲振動(dòng)加工中心 圖 1-3 德國(guó) DMG 超聲振動(dòng)加工中心刀具

4、超聲加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和未來展望

隨著傳統(tǒng)加工技術(shù)和高新技術(shù)的發(fā)展，超聲振動(dòng)切削技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，振動(dòng)切削研究日趨深入，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)研制和采用新的刀具材料

在現(xiàn)代制造業(yè)中，鈦合金、純鎢、鎳基高溫合金等難加工材料所使用的范圍越來越大，對(duì)機(jī)械零件加工質(zhì)量的要求越來越高。為了更好地發(fā)揮刀具的效能，除了選用合適的刀具幾何參數(shù)外，在振動(dòng)切削中，人們將更多的注意力轉(zhuǎn)為對(duì)刀具材料的開發(fā)與研究上，其中天然金剛石、人造金剛石和超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金材料的研究和應(yīng)用為主要方向。

(2)高效穩(wěn)定超聲振動(dòng)系統(tǒng)研究

現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)及實(shí)用振動(dòng)切削加工系統(tǒng)輸出功率尚小、能耗高，因此，期待實(shí)用的大功率振動(dòng)切削系統(tǒng)早日問世。到目前為止，輸出能量為4 kW的振動(dòng)切削系統(tǒng)已研制出來并投產(chǎn)使用。在日本，超聲振動(dòng)切削裝置通?？奢敵龉β? kW，切削深度為0.01～0.06 mm。

(3)超聲橢圓振動(dòng)切削的研究與推廣

超聲波橢圓振動(dòng)切削已受到國(guó)際學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的重視。美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和新加波等國(guó)的大學(xué)以及國(guó)內(nèi)的北京航空航天大學(xué)和上海交通大學(xué)已開始這方面的研究工作。日本企業(yè)界如日立、多賀和Towa公司等已開始這方面的實(shí)用化研究。但是，超聲波橢圓振動(dòng)切削在理論和應(yīng)用方面還有許多工作要做。尤其是對(duì)硬脆性材料的超精密切削加工、微細(xì)部位和微細(xì)模具的超精密切削加工等方面還需要進(jìn)一步研究。

(4）微細(xì)超聲加工技術(shù)

以微機(jī)械為代表的微細(xì)制造是現(xiàn)代制造技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分，晶體硅、光學(xué)玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微機(jī)械中的廣泛應(yīng)用，使硬脆材料的高精度三維微細(xì)加工技術(shù)成為世界各國(guó)制造業(yè)的一個(gè)重要研究課題。目前可適用于硬脆材料加工的手段主要有光刻加工、電火花加工、激光加工、超聲加工等特種加工技術(shù)。超聲加工與電火花加工、電解加工、激光加工等技術(shù)相比，既不依賴于材料的導(dǎo)電性又沒有熱物理作用，與光刻加工相比又可加工高深寬比三維形狀，這決定了超聲加工技術(shù)在陶瓷、半導(dǎo)體硅等非金屬硬脆材料加工方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

隨著東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所增澤研究室對(duì)微細(xì)工具的成功制作及微細(xì)工具裝夾、工具回轉(zhuǎn)精度等問題的合理解決，采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直徑最小為5μm的微孔，從而使超聲加工作為微細(xì)加工技術(shù)成為可能。

超聲加工技術(shù)在不斷完善之中，正向著高精度、微細(xì)化發(fā)展，微細(xì)超聲加工技術(shù)有望成為微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的有力補(bǔ)充。

超聲加工技術(shù)的發(fā)展及其取得的應(yīng)用成果是可喜的。

展望未來，超聲加工技術(shù)的發(fā)展前景是美好的。

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圖 1-5 超聲橢圓振動(dòng)切削出的鏡面試件

當(dāng)前普通磨削的加工精度大于1μm，表面粗糙度為Ra 0.16~1.25μm；精密磨削技術(shù)是指被加工零件加工精度達(dá)到1~0.5μm，表面粗糙度為Ra 0.04~0.16μm的加工技術(shù)。主要靠對(duì)砂輪的精細(xì)修整。超精密磨削的加工精度小于0.5~0.1μm，表面粗糙度Ra0.01~0.04μm。使用金剛石或CBN砂輪。適合于合金鋼、陶瓷等硬脆材料的加工；用磨具進(jìn)行磨削和用磨粒進(jìn)行研磨和拋光時(shí)實(shí)現(xiàn)精密超精密磨削的主要途徑。

第二篇：先進(jìn)磨削技術(shù)的新發(fā)展

先進(jìn)磨削技術(shù)的新發(fā)展

摘要：磨削是指用磨料或磨具去除材料的加工工藝方法，磨削加工的發(fā)展趨勢(shì)正朝著采用超硬磨料、磨具，高速、高效、高精度磨削工藝及柔性復(fù)合磨削、綠色生態(tài)磨削方向發(fā)展。為適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和高性能科技產(chǎn)品對(duì)機(jī)械零件加工精度、表面粗糙度與完整性、加工效率和批量化質(zhì)量穩(wěn)定性的要求，近年出現(xiàn)了一些先進(jìn)的磨削加工技術(shù)，其中以超高砂輪線速度和超硬磨料砂輪為主要技術(shù)特征的超高速外圓磨削、高效深切磨削、快速點(diǎn)磨削技術(shù)的發(fā)展最為引人注目。我們也需要了解超高速磨削加工的機(jī)理及超高速磨削的優(yōu)越性，把握高速超高速磨削加工技術(shù)的發(fā)展前景。為適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和高性能科技產(chǎn)品對(duì)機(jī)械零件加工精度、表面粗糙度與完整性、加工效率和批量化質(zhì)量穩(wěn)定性的要求，近年出現(xiàn)了一些先進(jìn)的磨削加工技術(shù)，其中以超高砂輪線速度為主要技術(shù)特征的超高速外圓磨削、高效深切磨削、快速點(diǎn)磨削技術(shù)的發(fā)展最為引人注目。

關(guān)鍵詞：先進(jìn)磨削 超高速磨削 發(fā)展方向 關(guān)鍵技術(shù) 正文：

超高速磨削是近年迅猛發(fā)展的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，被譽(yù)為現(xiàn)代磨削技術(shù)的最高峰。日本先端技術(shù)研究學(xué)會(huì)把超高速加工列為五大現(xiàn)代制造技術(shù)之一。國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)將超高速磨削技術(shù)確定為面向21世紀(jì)的中心研究方向之一。東北大學(xué)自上世紀(jì)80 年始一直跟蹤高速/超高速磨削技術(shù)發(fā)展，并對(duì)超高速磨削機(jī)理、機(jī)床設(shè)備及其關(guān)鍵技術(shù)等開展了連續(xù)性的研究，建造了我國(guó)第一臺(tái)額定功率55kw、最高砂輪線速度達(dá)250m/s 的超高速試驗(yàn)?zāi)ゴ玻M(jìn)行了超高速大功率磨床動(dòng)靜壓主軸系統(tǒng)研究、電鍍CBN 超高速砂輪設(shè)計(jì)與制造、超高速磨削成屑機(jī)理及分子動(dòng)力學(xué)仿真研究、超高速磨削熱傳遞機(jī)制和溫度場(chǎng)研究、高速鋼等材料的高效深磨研究、超高速單顆磨粒CBN 磨削試驗(yàn)研究、超高速磨削砂輪表面氣流場(chǎng)和磨削摩擦系數(shù)的研究等，部分研究成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。超高速磨削技術(shù)特點(diǎn)：

超高速磨削之所以應(yīng)用這么廣泛，與它特有的特點(diǎn)是分不開的，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面

磨削效率高。超高速磨削時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過磨削區(qū)的磨粒數(shù)增多，如保持每顆磨粒的切深與普通磨削一樣，其切入進(jìn)給量可以大大增加，金屬去除率 得到提高，磨削效率大幅度提高。

加工精度高。在進(jìn)給量不變的條件下，超高速磨削的磨屑厚度更薄，在磨削效率不變時(shí)，法向磨削力隨磨削速度的增大而大幅度減小，繼而減小磨削過程中的變形，提高工件的加工精度。可以得到高質(zhì)量、小粗糙度值的工件表面。砂輪耐用度大幅提高，有利于實(shí)現(xiàn)磨削加工自動(dòng)化。超高速磨削時(shí)，單顆磨粒的切削力較小，使每顆磨粒的可切削時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)。

可磨削難加工材料。超高速磨削可實(shí)現(xiàn)硬脆 材料的延性域磨削，使陶瓷材料的磨削加工成為了現(xiàn)實(shí)，并且能夠獲得極好的磨削表面質(zhì)量和極高的磨削效率。大幅度提高磨削效率，設(shè)備使用臺(tái)數(shù)少。磨削力小、磨削溫度低、加工表面完整性好。砂輪使用壽命長(zhǎng)，有助于實(shí)現(xiàn)磨削加工的自動(dòng)化。實(shí)現(xiàn)對(duì)難加工材料的磨削加工。

超高速磨削不僅可對(duì)硬脆材料實(shí)行延性域磨削，而且對(duì)欽合金、鎳基耐熱合金、高溫合金、鋁及鋁合金等高塑性的材料也可獲得良好的磨削效果。超高速磨削純鋁的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)磨削速度超過200m /s時(shí)，工件表面硬化程度和表面粗糙度值開始減小，表面完整性得到改善。因?yàn)榧虞d速度提高使得塑性應(yīng)變點(diǎn)后移，增加了材料在彈性小變形階段被去除的機(jī)率。因此塑性材料靜態(tài)應(yīng)力波速是實(shí)現(xiàn)“脆性”加工的臨界點(diǎn)。

超高速磨削關(guān)鍵技術(shù)： 超高速磨削砂輪

超高速磨削砂輪應(yīng)具有良好的耐磨性、高動(dòng)平衡精度和機(jī)械強(qiáng)度、高剛度和良好的導(dǎo)熱性等。以此來實(shí)現(xiàn)高性能加工。主軸系統(tǒng)

超高速磨床的主軸最高轉(zhuǎn)速在10000r / mm 以上，傳遞的磨削功率常為幾十千瓦，故要求其主軸系統(tǒng)剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、溫升小、空轉(zhuǎn)功耗低。近年來，超高速磨床越來越多地使用電主軸。

超高速回轉(zhuǎn)的砂輪動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響主軸系統(tǒng)的工作性能和磨削質(zhì)量。除了砂輪和主軸系統(tǒng)預(yù)先要進(jìn)行嚴(yán)格的動(dòng)平衡外，還應(yīng)當(dāng)在磨削的過程中實(shí)施在線自動(dòng)平衡。砂輪自動(dòng)平衡系統(tǒng)一般由電子傳感及控制系統(tǒng)和平衡頭組成。在高速及超高速磨床上常用的在線動(dòng)平衡系統(tǒng)主要有液體式、氣體式及機(jī)械式三種。砂輪在線動(dòng)平衡裝置是高速磨床上的重要組成部分。美國(guó)、日本和德國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家在高速磨床上均采用了自動(dòng)平衡系統(tǒng)。砂輪修整技術(shù)

超硬磨料砂輪的修整特別是在線修整迄今仍是研究的熱點(diǎn)。電解修整(ELlD)法適合金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪的在線修整，激光修整法不僅便于修整樹脂或金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪，而且熱影響區(qū)小、砂輪修整損耗小和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，修整效率也高，有很好的發(fā)展前景。目前對(duì)CBN 砂輪的修整廣泛采用接觸在線修整法，借助傳感系統(tǒng)控制砂輪和修整工具的接觸，然后通過進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行微米級(jí)進(jìn)給，得到理想的砂輪形貌，從而保證了精密及超精密加工的要求。磨削液供給系統(tǒng)

超高速磨削中，由于砂輪極高速旋轉(zhuǎn)形成的氣流屏障阻礙了磨削液有效地進(jìn)人磨削區(qū)，使接觸區(qū)高溫得不到有效的抑制，工件易出現(xiàn)燒傷，嚴(yán)重影響零件的表面完整性和機(jī)械物理性能。因此，磨削液供給系統(tǒng)對(duì)提高和改善工件質(zhì)量、減少砂輪磨損至關(guān)重要。超高速磨削常用的冷卻液注人方法有高壓噴射法，空氣擋板輔助截?cái)鄽饬鞣ǎ瑲怏w內(nèi)冷卻法，徑向射流沖擊強(qiáng)化換熱法等。為提高供液效果，應(yīng)對(duì)供液系統(tǒng)參數(shù)包括供液壓力、流量、磨削液噴注位置、噴嘴結(jié)構(gòu)及尺寸等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，此外系統(tǒng)還需配有高效率油氣分離和吸排風(fēng)單元。超高速磨削進(jìn)給系統(tǒng)

目前數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)主要采用滾珠絲杠傳動(dòng)。隨著高速超高速加工技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外都采用了直線伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)。使用高動(dòng)態(tài)性能的直線電機(jī)結(jié)合數(shù)字控制技術(shù)，避免了傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動(dòng)中的反向間隙、彈性變形、磨擦磨損和剛度不足等缺陷，可獲得高精度的高速移動(dòng)并具有極好的穩(wěn)定性。結(jié)語：

超高速磨削是先進(jìn)制造的前沿技術(shù)，在獲得高效率，高精度的同時(shí)，又能對(duì)各種材料和形狀進(jìn)行高表面完整性和低成本加工，因此也正為世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家所重視，并已開始進(jìn)入實(shí)用化階段。隨著超硬磨料磨具的應(yīng)用和發(fā)展，高速大功率精密機(jī)床及數(shù)控技術(shù)、新型磨削液和砂輪修整等相關(guān)技術(shù)、以及磨削自動(dòng)化和智能化等技術(shù)的發(fā)展，使超高速磨削和高效率磨削技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域具有更加重要的地位，發(fā)展前景廣闊。我國(guó)應(yīng)在現(xiàn)有條件下，大力加強(qiáng)各種新型超高速磨削技術(shù)的研究、推廣和應(yīng)用，對(duì)提高我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的加工水平具有十分重要的意義。參考文獻(xiàn): 1孔憲玉 先進(jìn)制造技術(shù)研究與發(fā)展 黑龍江科技信息2012 2牛景麗 陳東海 現(xiàn)代超精密加工機(jī)床的發(fā)展及對(duì)策 機(jī)床與液壓2010 3李伯民 趙波 現(xiàn)代磨削技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社 2003 4司國(guó)斌 張艷 精密超精密加工及現(xiàn)代精密測(cè)量技術(shù) 機(jī)械研究與應(yīng)用2006 5劉啟東 徐春廣 超精密機(jī)床數(shù)控伺服系統(tǒng)及其控制機(jī)理-機(jī)床與液壓2005 6侯亞麗 李長(zhǎng)河 盧秉恒 超高速磨削相關(guān)技術(shù)與工業(yè)應(yīng)用 2009 7趙恒華 王穎 磨削加工技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀 制造技術(shù)與機(jī)床 2007 8馮寶富 超高速磨削技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用 東北大學(xué)學(xué)報(bào)2003 9左磊 淺談高速及超高速磨削加工 科技視野2009 10榮烈潤(rùn) 面向21世紀(jì)的超高速磨削技術(shù)金屬加工 2010 11龐子瑞 王晉生 超高速磨削的特點(diǎn)及其關(guān)鍵技術(shù) 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 2007

第三篇：發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的磨削技術(shù)

汽車凸輪軸的磨削技術(shù)

簡(jiǎn)介：CBN砂輪磨削具有高效、高精度、低成本等顯著優(yōu)點(diǎn)，是凸輪軸磨削加工技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。依據(jù)多年實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果和相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)，文章指出了國(guó)內(nèi)在將凸輪軸的CBN磨削技術(shù)推向市場(chǎng)的過程中主要的制約因素，并提出了積極的建議，以期在凸輪軸加工中廣泛采用CBN磨削技術(shù)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)整體的加工技術(shù)水平。凸輪軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一，其加工質(zhì)量的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性；同時(shí)，凸輪軸又是一種非圓磨削的工關(guān)鍵字：刀具夾具切削銑削車削機(jī)床測(cè)量

CBN砂輪磨削具有高效、高精度、低成本等顯著優(yōu)點(diǎn)，是凸輪軸磨削加工技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。依據(jù)多年實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果和相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)，文章指出了國(guó)內(nèi)在將凸輪軸的CBN磨削技術(shù)推向市場(chǎng)的過程中主要的制約因素，并提出了積極的建議，以期在凸輪軸加工中廣泛采用CBN磨削技術(shù)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)整體的加工技術(shù)水平。

凸輪軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一，其加工質(zhì)量的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性；同時(shí)，凸輪軸又是一種非圓磨削的工件，其加工余量大且材料難磨，對(duì)磨削精度和生產(chǎn)效率要求都很高，加工難度比較大。因而，凸輪軸的磨削技術(shù)一直是業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的重點(diǎn)。如何提高磨削效率和加工質(zhì)量是凸輪軸磨削急需解決的問題，主要應(yīng)考慮如下幾個(gè)■影響因素：

■機(jī)床的特性；

■凸輪輪廓磨削成形的方式； ■砂輪性能和冷卻液；

■磨削工藝，包括修整工具及修整工藝?！鰢?guó)內(nèi)外凸輪軸磨削技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)轎車主機(jī)廠的凸輪軸生產(chǎn)線和專業(yè)生產(chǎn)凸輪軸的廠家均引進(jìn)了CBN磨削技術(shù)，但仍有很多的載重汽車、柴油機(jī)和摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪依然采用傳統(tǒng)的剛玉砂輪、靠模仿形的磨削工藝。粗磨工序使用的是國(guó)產(chǎn)中低速磨床(35m/s以下)，精磨工序部分廠家使用進(jìn)口磨床，但使用速度均在60m/s以下，修整工具以單點(diǎn)金剛石筆居多，進(jìn)口磨床和少數(shù)國(guó)產(chǎn)磨床采用金剛石滾輪修整。這種傳統(tǒng)技術(shù)給凸輪軸的磨削帶來的問題主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

凸輪輪廓精度低且難以提高

采用靠模樣板磨削，凸輪輪廓形狀誤差最小只能控制在±0.03mm范圍內(nèi)，而全數(shù)控?zé)o靠模磨削則可控制在±0.01mm內(nèi)。另外，普通磨料砂輪在使用時(shí)，外徑變化范圍大(80～100mm)，而砂輪直徑每變化1mm就會(huì)使凸輪輪廓產(chǎn)生0.007mm的變化，因而難以進(jìn)一步提高凸輪輪廓精度。

凸輪表面易產(chǎn)生燒傷、裂紋等缺陷，很難提高生產(chǎn)效率

由于凸輪磨削余量大且材料難磨，普通磨料砂輪的性能很難適應(yīng)，磨削質(zhì)量和生產(chǎn)效率兩者往往不能兼顧。

綜合經(jīng)濟(jì)效益不高

普通磨料砂輪的耐用度和使用壽命低，需頻繁修整或更換，使修整工具損耗加快，輔助時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度增加，既影響了生產(chǎn)效率，又加大了生產(chǎn)成本。另外，砂輪用量大，其質(zhì)量波動(dòng)也影響了磨削工藝的穩(wěn)定性，又因大量磨削殘物的產(chǎn)生，增加了磨削液的過濾清理量，對(duì)環(huán)境造成一定的污染。

CBN磨削技術(shù)的應(yīng)用，使傳統(tǒng)凸輪軸磨削過程中的難題迎刃而解。十幾年前，有關(guān)使用CBN砂輪磨削凸輪軸的報(bào)導(dǎo)只在有限的國(guó)外文獻(xiàn)中見到。在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中，使用CBN專用數(shù)控凸輪軸磨床磨削凸輪軸的技術(shù)在某些西方發(fā)達(dá)國(guó)家也剛剛進(jìn)入實(shí)用階段。緊跟世界先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的潮流，鄭州磨料磨具磨削研究所于20世紀(jì)90年代初，在國(guó)內(nèi)率先自主研究開發(fā)了用于汽車凸輪軸磨削的陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，在國(guó)產(chǎn)普通高速（60m/s）強(qiáng)力凸輪軸磨床上粗磨冷激鑄鐵凸輪軸，取得了良好的使用效果。但由于受到當(dāng)時(shí)機(jī)床條件和砂輪制造技術(shù)的限制，還沒能達(dá)到更理想的效果。至90年代中期，工業(yè)化國(guó)家的多數(shù)汽車制造廠均已采用了CBN砂輪磨削凸輪軸，國(guó)內(nèi)主要的轎車生產(chǎn)線上也陸續(xù)引進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)。它是以CBN專用數(shù)控CNC凸輪軸磨床、高速及高性能陶瓷CBN砂輪、專用磨削液、修整滾輪和磨削工藝整套技術(shù)的形式引進(jìn)的。該技術(shù)的主要特點(diǎn)是：砂輪使用速度高（80～125m/s），加工效率高（工件由毛坯粗、精磨一次完成，效率是普通砂輪的2～3倍）。隨著凸輪軸的CBN磨削技術(shù)及其專用磨床的不斷引進(jìn)，國(guó)內(nèi)研究的CBN專用高速數(shù)控凸輪軸磨床也即將進(jìn)入市場(chǎng)。對(duì)此，在完善國(guó)產(chǎn)磨床用CBN砂輪粗磨凸輪軸技術(shù)，積極研究用CBN砂輪精磨凸輪軸的同時(shí)，鄭州磨料磨具磨削研究所又開始研制為進(jìn)口CBN專用數(shù)控凸輪軸磨床配套的高速、高效陶瓷CBN砂輪，并已取得了一定成果。研制的砂輪使用速度為80m/s，耐用度和壽命相當(dāng)于進(jìn)口砂輪的1/2，而價(jià)格只有進(jìn)口砂輪的1/3。研制的陶瓷CBN砂輪與同類進(jìn)口砂輪相比，主要差距在于耐用度、壽命和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性偏低，不能完全替代進(jìn)口砂輪在凸輪軸生產(chǎn)線上連續(xù)使用。為了迎頭趕上這種快速發(fā)展的技術(shù)水平，近兩年，鄭州磨料磨具磨削研究所又研發(fā)成功了使用速度為125m/s的磨凸輪軸陶瓷CBN砂輪，其使用速度、磨削效率、磨削質(zhì)量均達(dá)到進(jìn)口同類產(chǎn)品水平，具有很高的性價(jià)比，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定質(zhì)量，完全可以替代進(jìn)口。這些都表明我國(guó)CBN砂輪的制造和應(yīng)用技術(shù)已達(dá)到了新的水平。

凸輪軸的CBN磨削技術(shù)要素

工業(yè)化國(guó)家在研發(fā)CBN磨削技術(shù)時(shí)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是將CBN磨料、磨具、磨床和磨削工藝作為一個(gè)系統(tǒng)工程來進(jìn)行的。如美國(guó)在20世紀(jì)90年代初，為解決凸輪軸的CBN磨削技術(shù)，聯(lián)合了GE公司(CBN磨料)、Norton公司(磨具)和Landis公司(磨床)三家本行業(yè)的頂級(jí)公司共同攻關(guān)。他們最終是以高速CBN砂輪、高速數(shù)控CBN專用磨床和CBN磨削工藝一整套技術(shù)提供給市場(chǎng)。

在凸輪軸的磨削系統(tǒng)中，必須同時(shí)考慮到CBN砂輪制造和應(yīng)用技術(shù)所涉及的各方面的影響因素，才會(huì)最終得到令人滿意的磨削結(jié)果。凸輪軸CBN磨削技術(shù)的重要影響因素主要有：

CBN砂輪

性能優(yōu)越的砂輪必須同時(shí)具備磨削鋒利、自銳性好和耐用度高等特征。在制造和選擇砂輪時(shí)主要考慮結(jié)合劑、磨料、砂輪濃度和磨具硬度。

結(jié)合劑

在CBN磨具的四種結(jié)合劑(樹脂、陶瓷、金屬、電鍍)中，以陶瓷結(jié)合劑的CBN磨具發(fā)展最快。在世界范圍內(nèi)，陶瓷CBN磨具的比例已由20世紀(jì)80年代的4%上升到現(xiàn)在的50%以上，增速迅猛。由于陶瓷CBN磨具具有磨削效率高、形狀保持性好、耐用度高、易于修整、磨料利用率高(為75%以上，其余類型結(jié)合劑為50～60%)、砂輪使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，因而成為高效、高精度磨削的首選磨具。目前，用于凸輪軸磨削的CBN砂輪全部采用陶瓷結(jié)合劑。Mli>磨料選擇

在磨削加工中，磨料是磨具中的主體，其性能好壞直接影響磨削效果。CBN磨料與剛玉磨料相比，具有更高的硬度和強(qiáng)度，因而切削鋒利且耐磨。在凸輪軸加工這樣高強(qiáng)度的磨削情況下，使用CBN磨料是最佳選擇。不同牌號(hào)的CBN磨料，因制造工藝的不同，其晶體形態(tài)、顆粒形狀也各不相同，它們各自具有不同的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、耐化學(xué)侵蝕性和破碎特性。應(yīng)根據(jù)結(jié)合劑的種類、磨削工件和磨削方式的不同，選擇不同牌號(hào)的磨料。需要指出的是，CBN磨料在高溫下易與水和堿性氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而使其結(jié)構(gòu)受到破壞，這是在選擇磨削液的種類、壓力和流量時(shí)必須考慮的因素。

濃度

砂輪濃度的高低表示在磨削時(shí)砂輪工作面單位面積上參加磨削的磨粒數(shù)的多少，高濃度可帶來高的磨削比，200%濃度比100%濃度砂輪壽命長(zhǎng)4～5倍。目前，高速、高效磨削均采用較高的砂輪濃度，如進(jìn)口磨凸輪軸磨床配套的陶瓷CBN砂輪濃度一般均為200%。

硬度

磨具的硬度等級(jí)表示結(jié)合劑對(duì)磨料把持力的大小，它是制造商工藝控制的重要指標(biāo)，也是用戶選擇磨具性能的主要參數(shù)。砂輪硬度均勻和穩(wěn)定及硬度高低的合理選擇是保證磨削質(zhì)量的重要前提。國(guó)外陶瓷CBN砂輪一般有3～7個(gè)硬度等級(jí)可供選擇，國(guó)內(nèi)目前尚未制訂CBN砂輪(包括金剛石磨具)的硬度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，制造商僅以配方硬度進(jìn)行控制。磨床

砂輪作為以磨床為中心的磨削體系中的一個(gè)附件，只有通過磨床所具有的優(yōu)異特性并優(yōu)化各種磨削參數(shù)，才能最大限度地發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，對(duì)CBN磨削來說尤其如此。

高速度

提高砂輪的工作線速度可明顯提高磨削效率和磨削比，降低磨削力，從而降低磨削成本。如使用陶瓷CBN砂輪磨削凸輪軸，當(dāng)砂輪速度從80m/s提高到160m/s時(shí)，磨削時(shí)間相同，則修整間隔(耐用度)增加2倍；當(dāng)砂輪速度由35m/s增加至60m/s時(shí)，在不同的單位金屬去除率(Q'w)情況下，法向磨削力(F'n)均減小1/3左右。CBN砂輪因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及CBN磨料的特性，為高速、超高速磨削提供了可能。80～125m/s的使用速度已成為目前國(guó)內(nèi)進(jìn)口的CBN專用凸輪軸磨床基本特征之一。在條件允許的情況下，使用盡可能高的速度是提高CBN磨削的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性的重要前提。

機(jī)床的高剛性和抗震性

高速磨削和CBN砂輪磨削的特點(diǎn)，要求機(jī)床主軸和整體要具有很高的剛性和良好的抗震性，從而保證磨削工件的精度和表面質(zhì)量，這是CBN高速磨削技術(shù)中對(duì)磨床的基本要求。不具備這些條件，在使用CBN砂輪時(shí)，要想獲得更高的金屬去除量，工件的幾何精度和表面質(zhì)量就會(huì)變差。波紋是常見的表面質(zhì)量缺陷，它是由振動(dòng)產(chǎn)生的。引起振動(dòng)的原因有多種，包括機(jī)床剛性低、抗震性差、機(jī)床共振或砂輪參數(shù)設(shè)計(jì)不合理造成磨削力過大等。有資料顯示：機(jī)床的剛度應(yīng)不小于100N/0.001mm的數(shù)量級(jí)為好。修整

使用金剛石滾輪修整，不僅可提高修整效率，更重要的是可獲得較好的砂輪形貌。使用其他修整工具，很難完成對(duì)高硬度砂輪表面的修整。修整裝置的進(jìn)給精度要高，每次進(jìn)給量應(yīng)在mm級(jí)，過量的修整既影響磨削質(zhì)量又會(huì)大大減少砂輪使用壽命。修整速比Vr /Vc是修整工藝中一個(gè)重要的參數(shù)，它的改變會(huì)使砂輪表面形貌顯著變化，并最終影響到工件的表面質(zhì)量。

冷卻液

在磨削過程中，90%以上的能量轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱必須被冷卻液最大限度地吸收，否則工件就會(huì)被燒傷。對(duì)CBN砂輪來講，還要考慮CBN磨料與水在高溫下所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)對(duì)磨料的破壞。正確選擇冷卻液種類和冷卻工藝參數(shù)，往往會(huì)收到事半功倍的效果。不同的冷卻液，會(huì)使砂輪的磨削比相差幾倍甚至十幾倍。表5為冷卻液對(duì)CBN砂輪的影響，結(jié)果表明砂輪在磨削過程中的機(jī)械磨損、化學(xué)侵蝕和熱損傷的程度與冷卻效果密切相關(guān)。問題和建議

目前，國(guó)內(nèi)在將凸輪軸的CBN磨削技術(shù)推向市場(chǎng)的過程中的制約因素主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

進(jìn)口的磨床和配套的CBN砂輪價(jià)格昂貴，磨床價(jià)格是國(guó)內(nèi)普通凸輪軸磨床的10倍左右，是國(guó)內(nèi)研制同類磨床的3～4倍；進(jìn)口CBN砂輪的價(jià)格是國(guó)內(nèi)同類砂輪的3～5倍，使得在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的進(jìn)一步推廣受到成本方面的制約。

國(guó)產(chǎn)凸輪軸加工用的磨床大多數(shù)速度低，其精度、剛性、抗振性、修整、冷卻等條件均不能滿足使用CBN砂輪的要求。因此，在使用CBN砂輪時(shí)，往往得不到期望的效果。

國(guó)內(nèi)CBN砂輪的主要磨削性能已達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平，只是在砂輪的耐用度、使用壽命和質(zhì)量穩(wěn)定、適應(yīng)性方面略低，但價(jià)格較低，因而有著較高的性價(jià)比，其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性已為國(guó)內(nèi)許多汽車主機(jī)廠和配套廠所認(rèn)可，但仍需進(jìn)一步提高CBN砂輪制造技術(shù)水平。

新技術(shù)宣傳力度不夠，部分企業(yè)因循守舊，對(duì)新工藝的需求不強(qiáng)烈，對(duì)提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量不重視，是這項(xiàng)技術(shù)推廣的外部制約因素。建議

加快開發(fā)國(guó)產(chǎn)CBN專用高速數(shù)控凸輪磨床，重點(diǎn)解決其剛性和抗振性的關(guān)鍵技術(shù)，首先使80m/s的磨床盡快投放市場(chǎng)，使其技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性能滿足大多數(shù)中小企業(yè)的需要。在此基礎(chǔ)上，再開發(fā)速度更高、性能更完善的產(chǎn)品。

CBN砂輪的研究應(yīng)立足于提高性能、完善工藝、穩(wěn)定質(zhì)量和批量化生產(chǎn)。應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究和專用設(shè)備的研發(fā)。通過為進(jìn)口磨床配套砂輪的研制解決其制造的關(guān)鍵技術(shù)，滿足進(jìn)口砂輪國(guó)產(chǎn)化的需要。同時(shí)，考慮到目前國(guó)產(chǎn)凸輪軸磨床的技術(shù)現(xiàn)狀，在CBN砂輪制造技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)上盡量滿足這部分磨床使用CBN砂輪的要求，使CBN磨削盡可能地發(fā)揮最大效果。

在磨床、磨具制造和用戶之間建立緊密聯(lián)系，加強(qiáng)溝通和協(xié)作，共同促進(jìn)CBN磨削技術(shù)的不斷提高。

第四篇：無損超聲技術(shù)報(bào)告

無損超聲檢測(cè)技術(shù)（Ⅰ級(jí)）無損檢測(cè)綜合知識(shí) 1.1 材料的無損檢測(cè)

1.1.1 無損檢測(cè)的定義：不破壞材料的外形和性能的情況下，檢測(cè)該材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（組織與不連續(xù)）和性能，該技術(shù)稱為無損檢測(cè)。英文全稱：Non Destructive Testing(NDT)1.1.2 常用無損檢測(cè)方法

* 射線檢測(cè)：Radiographic Testing(RT)* 射線的種類與本質(zhì)： χ射線、γ射線和中子射線。χ射線和γ射線與無線電波、紅外線、可見光、紫外線一樣，都是電磁波；而中子射線是粒子。* X射線的產(chǎn)生：X射線管

* γ射線的產(chǎn)生：γ射線是放射性原子核在衰變時(shí)放射出來的電磁波。放射性衰變。射線檢測(cè)：原理、方法與應(yīng)用

* χ射線和γ射線通過物質(zhì)時(shí)其強(qiáng)度逐漸減弱。強(qiáng)度衰減公式： I＝I0e-μx * 利用射線透過物體時(shí)產(chǎn)生的吸收和散射現(xiàn)象，檢測(cè)材料中因缺陷存在而引起射線強(qiáng)度改變的程度來探測(cè)缺陷的方法稱為射線檢測(cè)。利用膠片感光顯示缺陷的方法稱為射線照相法。* 檢測(cè)技術(shù)類型：照相法；熒光屏法；工業(yè)電視法； * 檢測(cè)對(duì)象類型：金屬；非金屬。焊縫；鑄件。

* 檢測(cè)缺陷類型：裂紋；氣孔；未焊透；未融合；夾渣；疏松；冷隔等。檢查對(duì)接焊縫中的單個(gè)氣孔，用射線方法比用超聲方法好。超聲檢測(cè)：Ultrasonic Testing(UT)* 超聲波的本質(zhì)：機(jī)械波，它是由于機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中 引起的波動(dòng)過程，例如水波、聲波、超聲波等 * 超聲波的類型：縱波和橫波 表面波（瑞利波）、板波 * 超聲波的性質(zhì)：

（1）聲速：與材料性質(zhì)有關(guān)、與波的種類有關(guān)（2）波的疊加、干涉及駐波（3）反射、折射和波型轉(zhuǎn)換# 超聲檢測(cè)：原理、方法與應(yīng)用 * 超聲波的產(chǎn)生：儀器、探頭 * 超聲波與工件的接觸：耦合劑

* 超聲波在工件內(nèi)的傳播與反射、波的接收

* 超聲波檢測(cè)原理：探頭發(fā)射的超聲波通過耦合劑在工件中傳播，遇到缺陷時(shí)反射回來被探頭接收。根據(jù)反射回波在熒光屏上的位置和波輻高低判斷缺陷的大小和位置。

* 超聲檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)：應(yīng)用范圍廣；穿透能力大；設(shè)備輕便；定量不準(zhǔn)確；定性困難。* 檢測(cè)技術(shù)類型：縱波法；橫波法；表面波法；板波法，… * 常用檢測(cè)方法：穿透法；反射法；串列法；液浸（聚焦）法；...* 檢測(cè)對(duì)象類型：金屬；非金屬。焊縫；板件；管件；鍛件。* 檢測(cè)缺陷類型：面缺陷；體缺陷。定性困難。* 數(shù)字化、智能化發(fā)展前景寬廣。磁粉檢測(cè): Magnetic Testing(MT)* 漏磁場(chǎng)：鐵磁材料磁化時(shí)磁力線由于折射而迤出到材料表面所形成的磁場(chǎng)稱為漏磁場(chǎng) * 剩磁：鐵磁材料磁化時(shí)所具有的磁性在磁化電流取消后繼續(xù)存在的性質(zhì)稱為剩磁 * 鐵磁材料在磁場(chǎng)中被磁化后，缺陷處產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)吸附磁粉而形成磁痕。磁痕的長(zhǎng)度、位置、形狀反映了缺陷的狀態(tài)。

* 磁粉檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)：檢測(cè)表面和近表面缺陷；鐵磁材料； * 常用檢測(cè)方法：剩磁法；連續(xù)法。* 檢測(cè)對(duì)象類型：鐵磁材料。焊縫；鋼板；鋼管；螺栓等...* 檢測(cè)缺陷類型：裂紋；夾渣等...。

滲透檢測(cè)：Penetrate Testing(PT)* 分子壓強(qiáng)與表面張力：每一個(gè)離液面的距離小于分子作用半徑r的分子，都受到一個(gè)指

向液體內(nèi)部的力的作用。而這些表面分子及近表面分子組成的表面層，都受到垂直于液面且指向液體內(nèi)部的力的作用。這種作用力就是表面層對(duì)整個(gè)液體施加的壓力，該壓力在單位面積上的平均值叫分子壓強(qiáng)。分子壓強(qiáng)是表面張力產(chǎn)生的原因。

* 液體潤(rùn)濕：液體鋪展在固體材料的表面不呈球形，且能覆蓋表面，此現(xiàn)象稱液體潤(rùn)濕現(xiàn) 象。

* 毛細(xì)現(xiàn)象：潤(rùn)濕液體在毛細(xì)管內(nèi)的自動(dòng)上升或下降稱為毛細(xì)現(xiàn)象。滲透檢測(cè)：原理、方法與應(yīng)用

* 具有潤(rùn)濕作用的滲透劑在毛細(xì)管作用下滲入表面開口缺陷。在顯象劑作用下由于毛細(xì)管作用滲入到開口缺陷內(nèi)的滲透劑被析出表面形成痕跡。* 滲透檢測(cè)基本操作過程

* 滲透檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)：檢測(cè)表面開口缺陷； * 常用檢測(cè)方法：著色法；熒光法。* 檢測(cè)對(duì)象類型：金屬與非金屬材料。* 檢測(cè)缺陷類型：裂紋。

渦流檢測(cè)：Eddy Current Testing(ET)* 由于電磁感應(yīng)金屬材料在交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生渦流。* 金屬材料中存在的裂紋將改變渦流的大小和分布，分析這些變化可檢出鐵磁性和非鐵磁 性材料中的缺陷。

* 渦流可用以分選材質(zhì)、測(cè)膜層厚度和工件尺寸以及材料的某些物理性能等。* 渦流檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)：適用于導(dǎo)電材料；檢測(cè)近表面缺陷。* 常用檢測(cè)方法：穿過式線圈；內(nèi)通過式線圈；探頭式線圈。* 檢測(cè)對(duì)象類型：金屬與非金屬材料。* 檢測(cè)缺陷類型：裂紋。# 1.1.2 常用無損檢測(cè)方法的應(yīng)用

一、應(yīng)用的部門

航空、航天、機(jī)械、核工業(yè)、汽車制造、船舶、電子、鋼結(jié)構(gòu)、商檢、進(jìn)出口等。

二、應(yīng)用的對(duì)象（1）缺陷探傷（2）厚度測(cè)量（3）性能測(cè)試 1.1.3 常用無損檢測(cè)方法的范圍及局限性 方法 應(yīng)用范圍 局限性

RT 各類材料的內(nèi)部缺陷 表面缺陷較難發(fā)現(xiàn) UT 大厚度金屬和部分非金屬材料的內(nèi)部缺陷 僅限于彈性介質(zhì) MT 表面和近表面缺陷 僅限于磁性介質(zhì) PT 金屬和部分非金屬 僅限于表面開口缺陷 材料的表面缺陷 ET 表面和近表面缺陷 僅限于導(dǎo)電材料 1.2 材料 1.2.1 材料的性能

一、力學(xué)性能

（1）金屬材料的靜拉伸力學(xué)性能 * 強(qiáng)度：金屬抗拉永久變形和斷裂的能力

* 塑性：又稱范性，斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力 * 韌性：金屬在斷裂前吸收變形能量的能力（2）金屬材料的彈性性能 * 彈性（虎克定律）：

（3）金屬材料在靜加載下的力學(xué)性能 * 扭轉(zhuǎn)性能 * 彎曲、壓縮性能 * 硬度

（4）金屬材料的沖擊性能（5）金屬材料的疲勞性能（6）金屬材料的蠕變性能

二、物理性能

（1）密度、比熱量、磁性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等（2）光學(xué)性能（3）聲學(xué)性能 # 1.2.3 金屬材料中的各種缺陷及不連續(xù)性

一、不連續(xù)性：金屬或合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻變化，稱為不連續(xù)性。材料內(nèi)結(jié)構(gòu)的不連續(xù)對(duì)材料性能有影響。

二、缺陷：對(duì)金屬材料的性能造成破壞的不連續(xù)性稱為缺陷。因此不能簡(jiǎn)單的說：不連續(xù)就是缺陷。1.3 加工及缺陷

一、最初加工過程及相關(guān)缺陷

（1）鑄造：將熔融金屬澆注入鑄型型腔，冷卻后形成工件的加工過程；

常見的鑄造缺陷：氣孔、縮孔、疏松、冷裂、熱裂、冷隔、偏析、夾雜。（2）塑性加工：鍛、軋、拔、鈑金等

常見的塑性加工缺陷：裂紋、折疊、分層、白點(diǎn)（氫脆）

二、制造加工過程及相關(guān)缺陷

（1）焊接：通過加熱或加壓，使填充材料熔化、冷卻將工件連接在一起的加工方式稱焊接；

常見的焊接缺陷：氣孔、夾渣、未融合、未焊透、裂紋、夾珠、鎢夾雜（2）表面加工：車、銑、刨、鍍、磨、噴丸、吹砂等 常見的表面加工缺陷：氫脆

（3）熱處理：對(duì)金屬材料加溫并用不同方法冷卻使其組織結(jié)構(gòu)發(fā)生的方法稱熱處理； 常見的熱處理缺陷：淬裂（4）其他熱加工工藝：粉末冶金等 1.4 在役中的材料 1.4.1 在役中材料的行為

受力、受壓、高低溫、摩擦、腐蝕...1.4.2 在役工況導(dǎo)致缺陷和失效

一、腐蝕：腐蝕裂紋、腐蝕坑、腐蝕減薄

二、疲勞：疲勞裂紋、疲勞斷裂

三、磨損：材料減薄、摩擦裂紋

四、過負(fù)載：變形、斷裂

五、脆性斷裂：鎘脆、氫脆

1.4.3 金屬中破裂發(fā)展的概念

一、缺陷的形成（應(yīng)力集中）

二、缺陷的發(fā)展（載荷）

三、斷裂 # 1.5 無損檢測(cè)人員管理

* 持有NDT Ⅰ級(jí)證書的人員有資格按照NDT指導(dǎo)書，并在II級(jí)和III級(jí)人員的監(jiān)督下進(jìn)行NDT操作。I級(jí)人員應(yīng)能：（a）調(diào)整設(shè)備；（b）進(jìn)行檢測(cè)；

（c）按照文件提供的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行記錄并對(duì)檢測(cè)結(jié)果分類；（d）按檢測(cè)結(jié)果寫出檢測(cè)報(bào)告。* Ⅰ級(jí)人員不應(yīng)負(fù)責(zé)選擇檢測(cè)方法或技術(shù)。2 超聲檢測(cè)物理基礎(chǔ) 2.1 聲的特性及機(jī)械波的傳播

* 物體在一定位置附近作來回重復(fù)的運(yùn)動(dòng)，稱為振動(dòng)。例如彈簧振子的振動(dòng)。振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)

械波，機(jī)械波在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播。機(jī)械波的振動(dòng)頻率在每秒20次---20000次之間時(shí)，人的耳朵就能聽到成為聲。所以聲波就是機(jī)械波的一部分。* 聲的特性

① 聲的產(chǎn)生條件：聲源和傳播聲的彈性介質(zhì)； ② 聲波具有反射、折射、衍射等光學(xué)性質(zhì)； ③ 聲波在異質(zhì)界面上發(fā)生波形轉(zhuǎn)換； ④ 聲的傳播速度是與材料、波形、溫度有關(guān)的參數(shù)。2.2 頻率、振幅、波長(zhǎng)和聲速的概念

* 物體在彈性力作用下發(fā)生的諧振動(dòng)規(guī)律可用下是式表示：

x＝Acos（ωt＋φ)* 振幅A，振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)離開平衡位置的最大位移;* 頻率f，單位時(shí)間內(nèi)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的次數(shù)。單位為次／秒，記為“赫”（Hz）;* 波長(zhǎng)λ，波的傳播方向上相位相同的兩質(zhì)點(diǎn)之間的距離?？捎霉溅?＝C/f 計(jì)算，式 中C為聲速。

* 在介質(zhì)中超聲波傳播的傳播速度（即聲速）與質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度是不同的。在同一固體介質(zhì)中，縱波、橫波、表面波的傳播速度都是不同的。2.3 聲阻抗

* 聲阻抗表示聲場(chǎng)中介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用； * 聲阻抗的計(jì)算：Z＝ρc； * 聲波在二種介質(zhì)的界面上垂直入射時(shí)的相對(duì)透過率和反射率取決于二種介質(zhì)的聲阻抗 比。

2.4 聲波的類型

* 縱波：介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向相同的聲波稱為縱波，用符號(hào)“L”表示。波速用CL表示。* 橫波：介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向垂直的聲波稱為橫波又稱切變波，用符號(hào)“S”表示。波速用CS表示。橫波探傷最適用于焊逢、管材探傷。

* 波動(dòng)的形式(波形)可以分為球面波，平面波、柱面波等。

* 固體介質(zhì)表面的質(zhì)點(diǎn)發(fā)生縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)，兩種振動(dòng)合成為橢圓振動(dòng)，橢圓振動(dòng)在 介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，這種波稱為表面波，用符號(hào)“R”表示。* 在板狀介質(zhì)中傳播的彈性波稱為板波，又稱蘭姆波。2.5 超聲波在二種不同介質(zhì)面上的行為 2.5.1 超聲波的反射和折射

* 超聲波在二種不同介質(zhì)的界面上垂直或傾斜入射時(shí)，在第一介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生反射回波的性質(zhì) 稱為反射。

* 超聲波在二種不同介質(zhì)的界面上傾斜入射時(shí)，在第二介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生方向改變的入射波稱為 折射，該入射波稱為折射波。2.5.2 超聲波的波型轉(zhuǎn)換

* 超聲波在傾斜入射時(shí)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，即入射的縱波在反射或折射時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)換成縱波、橫 波二種波；入射的橫波在反射或折射時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)換成橫波、縱波二種波。* 波型轉(zhuǎn)換與介質(zhì)的類型有關(guān)。2.5.3 超聲波的衰減

* 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波的衰 減。

由聲束擴(kuò)散引起的超聲波衰減稱為擴(kuò)散衰減。

* 聲束在不同聲阻抗介質(zhì)的界面散射引起的衰減叫做散射衰減。* 由介質(zhì)吸收引起的超聲波衰減稱為吸收衰減。

* 由材料表面粗糙度、表面曲率大小和表面附著物等因素所引起的超聲波的衰減稱為耦合衰減。2.6 壓電效應(yīng)和探頭 2.6.1 壓電效應(yīng)與壓電材料

* 某些單晶體和多晶體陶瓷材料在應(yīng)力（壓縮力和拉伸力）作用下產(chǎn)生異種電荷向正反兩

面集中而在晶體內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)，這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)這些單晶體和多晶體陶瓷材料處于交變電場(chǎng)中時(shí)，產(chǎn)生壓縮或拉伸的應(yīng)力和應(yīng)變，這種效應(yīng)稱為負(fù)壓電效應(yīng)，如圖所示。* 負(fù)壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，正壓電效應(yīng)接收超聲波并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

* 常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇（BaTi03）、鋯鈦酸鉛（PZT）、鈦酸鉛（PbTiO3)、偏鈮酸鉛（PbNb2O4）等。2.6.2探頭的編號(hào)方法

2.5 P 20 Z 5 Q 6×6 K3 | | | | | | | | 頻率 材料 直徑 直探頭 頻率 材料 矩形 K=3 材料： P-鋯鈦酸鉛；B-鈦酸鋇；T-鈦酸鉛；L-鈮酸鋰；I-碘酸鋰；N-其他 探頭類型： Z-直探頭； K-斜探頭； SJ-水浸探頭； FG-分隔探頭； BM-表面探頭； KB-可變角探頭； 2.6.3 探頭的基本結(jié)構(gòu)

* 壓電超聲探頭的種類繁多，用途各異，但它們的基本結(jié)構(gòu)有共同之處，如圖所示。它們一般均由晶片、阻尼塊、保護(hù)膜（對(duì)斜探頭來說是有機(jī)玻璃透聲楔）組成。此外，還必須有與儀器相連接的高頻電纜插件、支架、外殼等。

* 脈沖重復(fù)頻率是指超聲波探傷儀在單位時(shí)間里所產(chǎn)生的脈沖數(shù)目；探傷頻率是指在電脈沖作用下晶體每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)，二者不可相提并論。

2.6.4 直探頭

一、直探頭的保護(hù)膜

* 壓電陶瓷晶片通常均由保護(hù)膜來保護(hù)晶片不與工件直接接觸以免磨損。常用保護(hù)膜

有硬性和軟性兩類。氧化鋁（剛玉）、陶瓷片及某些金屬都屬于硬性保護(hù)膜，它們適用于工件表面光潔度較高、且平整的情況。用于粗糙表面時(shí)聲能損耗達(dá)20～30dB。* 軟性保護(hù)膜有聚胺酯軟性塑料等，用于表面光潔度不高或有一定曲率的表面時(shí)，可改善聲耦合，提高聲能傳遞效率，且探傷結(jié)果的重復(fù)性較好，磨損后易于更換，它對(duì)聲能的損耗達(dá)6～7dB。

* 保護(hù)膜材料應(yīng)耐磨、衰減小、厚度適當(dāng)。為有利于阻抗匹配，其聲阻抗Zm應(yīng)滿 足一定要求。

* 試驗(yàn)表明：所有固體保護(hù)膜對(duì)發(fā)射聲波都會(huì)產(chǎn)生一定的畸變，使分辨率變差、靈敏度降低，其中硬保護(hù)膜比軟保護(hù)膜更為嚴(yán)重。因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用需要選用探頭及其保護(hù)膜。與陶瓷晶片相比，石英晶片不易磨損，故所有石英晶片探頭都不加保護(hù)膜。

二、直探頭的吸收塊

為提高晶片發(fā)射效率，其厚度均應(yīng)保證晶片在共振狀態(tài)下工作，但共振周期過長(zhǎng)或晶片背面的振動(dòng)干擾都會(huì)導(dǎo)致脈沖變寬、盲區(qū)增大。為此，在晶片背面充填吸收這類噪聲能量的阻尼材料，使干擾聲能迅速耗散，降低探頭本身的雜亂的信號(hào)。目前，常用的阻尼材料為環(huán)氧樹脂和鎢粉。#

三、直探頭的晶片

晶片產(chǎn)生和吸收超聲波，常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇（BaTi03）、鋯鈦酸鉛（PZT）、鈦酸鉛（PbTiO3)、偏鈮酸鉛（PbNb2O4）等。2.6.5 斜探頭

一、結(jié)構(gòu)與類型

二、透聲楔

斜探頭都習(xí)慣于用有機(jī)玻璃作斜楔，以形成一個(gè)所需的聲波入射角，并達(dá)到波型轉(zhuǎn)換的目的。一發(fā)一收型分割式雙直探頭和雙斜探頭也都以有機(jī)玻璃作為透聲楔，這是因?yàn)橛袡C(jī)玻璃聲學(xué)性能良好、易加工成形，但它的聲速隨溫度的變化有所改變又易磨損，所以對(duì)探頭的角度應(yīng)經(jīng)常測(cè)試和修正。水浸聚焦探頭常以環(huán)氧樹脂等材料作為聲透鏡材料。

三、晶片的厚度

壓電晶片的振動(dòng)頻率f即探頭的工作頻率，它主要取決于晶片的厚度T和超聲波在晶片材料中的聲速。晶片的共振頻率（即基頻）是其厚度的函數(shù)。可以證明，晶片厚度T為其傳播波長(zhǎng)一半時(shí)即產(chǎn)生共振，此時(shí)，在晶片厚度方向的兩個(gè)面得到最大振幅，晶片中心為共振的駐點(diǎn)。

雙晶斜探頭對(duì)鋼板內(nèi)的夾層缺陷比較敏感容易發(fā)現(xiàn)，而對(duì)有圓弧面的近表面氣孔不易發(fā)現(xiàn)。2.6.7 探頭的功能

使用壓電材料制成的探頭，要得到最佳的檢測(cè)效果，必須考慮探頭與儀器之間有良好的阻抗匹配。2.7 聲場(chǎng) 2.7.1 聲場(chǎng)

* 充滿超聲波的空間稱為聲場(chǎng)。聲場(chǎng)中聲能大小通常用空間的聲壓值表示。

* 聲壓P有若干極大值與極小值，最后一個(gè)聲壓極大值至聲源的距離稱為近場(chǎng)長(zhǎng)度N，該范 圍的聲場(chǎng)叫做近場(chǎng)。

* 聲壓P有若干極大值與極小值，最后一個(gè)聲壓極大值至聲源的距離稱為近場(chǎng)長(zhǎng)度N，該范圍的聲場(chǎng)叫做近場(chǎng)。

* 當(dāng)RS ?λ時(shí)，λ/4可以忽略，故： Rs2 Ds2 Rs ：探頭晶片半徑 N=-----=------Ds ：探頭晶片直徑 λ 4λ * 聲源的距離≥3N的聲場(chǎng)稱為遠(yuǎn)場(chǎng)。2.7.2 聲場(chǎng)的擴(kuò)散

* 聲束在傳播過程中呈發(fā)散狀態(tài)，離聲源近的地方聲能強(qiáng)，離聲源遠(yuǎn)的地方聲能弱；聲束 在1.64N處開始發(fā)生擴(kuò)散；

* 聲束的形狀與聲源的形狀有關(guān)，下圖是方片與矩形片的聲場(chǎng)形狀。

* 聲場(chǎng)的擴(kuò)散性用半擴(kuò)散角描述，θ0稱為半擴(kuò)散角，也稱為指向角，2θ0范圍內(nèi)的聲束叫做主聲束； * 聲束集中向一個(gè)方向輻射的性質(zhì)，叫做聲場(chǎng)的指向性。指向角θ0愈 小，主聲束越窄，聲能量越集中，則探測(cè)靈敏度就越高，方向性越好，從而可以提高對(duì)缺陷的分辨力和準(zhǔn)確判斷缺陷的位置。2.7.3 聲束的聚焦與發(fā)散

* 聲束可以通過聲透鏡聚焦而做成聚焦探頭，它可以聚集能量。但無論采用哪種聚焦方法，都不能把聲束聚成一個(gè)很小的點(diǎn)。

* 聲波從水通過曲表面進(jìn)入工件時(shí)，聲束在金屬工件內(nèi)將收斂(如果工件是凹面的)或發(fā) 散(如果工件是凸面的)。* 聚焦探頭計(jì)算公式： C1 F= R(-------------)C1-C2 式中：F---聚焦探頭的焦距；C1----第一介質(zhì)縱波聲速；C2---第二介質(zhì)縱波聲速； R---聲透鏡曲率半徑。3 超聲檢測(cè)方法與耦合 3.1 穿透法

* 穿透法是依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透試件之后的能量變化來判斷缺陷情況的一種方法，如 圖所示。

* 穿透法常采用兩個(gè)探頭，一個(gè)作發(fā)射用，一個(gè)作接收用，分別放置在試件的兩側(cè)進(jìn)行探

測(cè)，圖中顯示三種情況：無缺陷時(shí)的波形；缺陷阻擋部分聲束時(shí)的波形；缺陷阻擋全部聲束時(shí)的波形。3.2 脈沖反射法

超聲波探頭發(fā)射脈沖波到被檢試件內(nèi)，根據(jù)反射波的情況來檢測(cè)試件缺陷的方法，稱為脈沖反射法。3.3 共振法

若聲波（頻率可調(diào)的連續(xù)波）在被檢工件內(nèi)傳播，當(dāng)工件的厚度為超聲波的半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，將引起共振，儀器顯示出共振頻率，若工件內(nèi)存在缺陷則共振頻率發(fā)生變化，利用共振頻率之差，判斷工件內(nèi)部狀態(tài)的方法稱為共振法。航空航天器上常用膠接結(jié)構(gòu)，脫膠處常用共振方法檢測(cè)。3.4 耦合介質(zhì)

一、概念

* 為了排除探頭與工件表面之間的空氣，在探頭與工件表面之間施加的一層透聲介質(zhì) 稱為耦合劑。

* 耦合劑的作用在于排除探頭與工件表面之間的空氣，使超聲波能有效地傳入工件達(dá) 到探傷的目的。此外耦合劑還有減少摩擦的作用。

二、耦合效果與聲阻抗有關(guān)，聲阻抗大耦合性能好。三、耦合介質(zhì)的種類

* 甘油聲阻抗高，耦合性能好，常用于一些重要工件的精確探傷，但價(jià)格較貴，對(duì)工件有腐蝕作用。* 水玻璃的聲阻抗較高，常用于表面粗糙的工件探傷，但清洗不太方便，且對(duì)工件有腐蝕作用。* 水的來源廣，價(jià)格低，常用于水浸探傷，但易使工件生銹。

* 機(jī)油和變壓器油粘度、流動(dòng)性、附著力適當(dāng)，對(duì)工件無腐蝕、價(jià)格也不貴，因此是目前應(yīng)用最廣的耦合劑。

* 超聲波探傷中常用耦合劑有機(jī)油、變壓器油、甘油、水、水玻璃等。它們的聲阻抗Z如下：

耦合劑 機(jī)油 水 水玻璃 甘油 Z×106kg/m2 ·s 1.28 1.5 2.17 2.43 * 此外，近年來化學(xué)漿糊也常用來作耦合劑，耦合效果比較好。

* 影響耦合的主要因素有：耦合層的厚度，耦合劑的聲阻抗，工件表面粗糙度和工件形狀。4 檢測(cè)設(shè)備

4.1 A型模擬超聲波探傷儀(CTS-9006PLUS型為例)* A型掃描顯示中，從熒光屏上直接可獲得缺陷回波幅度（表示聲能的大小）和缺陷的位 置等信息。

* A型超聲探傷儀垂直線性取決于儀器放大功能的好壞而與探頭與儀器的匹配無關(guān)。* A型超聲探傷儀水平線性的好壞直接影響到缺陷的定位而對(duì)缺陷大小的判斷無關(guān)。* A型掃描顯示中，“盲區(qū)”是指由于儀器原因造成一定范圍內(nèi)不能探到缺陷的區(qū)域，它與近場(chǎng)區(qū)不能探到缺陷性質(zhì)是不同的。

* A型掃描顯示中，水平基線代表聲波傳播的時(shí)間或距離。CTS-22型儀左面板 CTS-22型儀右面板 其他模擬超聲波儀器 4.2 B型和C型超聲波探傷儀

* B型顯示超聲波探傷儀能顯示掃查方向的截面上的圖象； * C型顯示超聲波探傷儀則能顯示掃查面上的投影圖象。4.3 數(shù)字超聲波探傷儀 其他數(shù)字超聲儀 4.4 袖珍數(shù)字式超聲測(cè)厚儀 檢測(cè)系統(tǒng)的校準(zhǔn) 5.1 試塊簡(jiǎn)介 5.1.1 試塊的用途 * 測(cè)試或校驗(yàn)儀器和探頭的性能； * 確定探測(cè)靈敏度和缺陷大?。?* 調(diào)整探測(cè)距離和確定缺陷位置； * 測(cè)定材料的某些聲學(xué)特性。5.1.2 試塊的分類（主要分二類）*

標(biāo)準(zhǔn)試塊

* 對(duì)比試塊（參考試塊）

其他叫法：校驗(yàn)試塊、靈敏度試塊；平底孔試塊、橫孔試塊、槽口試塊；鍛件試塊、焊縫試塊等。1.荷蘭試塊

* 1955年荷蘭人提出；1958年國(guó)際焊接學(xué)會(huì)通過并命名為IIW試塊；ISO組織推薦使用。* 類似的有：中國(guó)CSK-IA、日本STB-A1、英國(guó)BS-A、西德DIN54521…… 2.CSK-IA試塊：中國(guó)的改型試塊

CSK-IA試塊的主要用途： ① R50、R100圓?。?/p>

掃描線比例校準(zhǔn)； ② 上下表面刻度：斜探頭K值校準(zhǔn)；

③ φ50、φ

44、φ40孔：斜探頭分辨率測(cè)定； ④ 89、91、100mm 臺(tái)階：直探頭分辨率測(cè)定； ⑤ φ50孔：盲區(qū)測(cè)定。3.CSK-IIA / CSK-IIIA 5.2 儀器掃描線（速度）比例校準(zhǔn)（1）直探頭掃描線校準(zhǔn)

將直探頭放于CTS-IA試塊的100厚度上，取第一底面反射回波，通過距離調(diào)節(jié)按鈕使該回波在100mm位置上即可。

（2）斜探頭掃描線校準(zhǔn)

* 斜探頭調(diào)整儀器掃描線比例是為了識(shí)別缺陷波和判定缺陷位置。

一、入射點(diǎn)、前沿測(cè)試

* 如圖，斜探頭入射到R100圓弧上，左右移動(dòng)探頭找到最大反射回波；如果試塊上有圓心

刻度，則刻度對(duì)應(yīng)處為入射點(diǎn)；如果試塊上無圓心刻度則用鋼尺量，使鋼尺100處對(duì)準(zhǔn)試塊圓弧端，鋼尺0點(diǎn)即為入射點(diǎn)；使鋼尺0點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)探頭前端點(diǎn)，差值即為前沿。

* 斜探頭入射點(diǎn)會(huì)改變，其主要原因是楔塊長(zhǎng)期磨損變薄，所以要經(jīng)常測(cè)試入射點(diǎn)。

二、斜探頭K值測(cè)試

* 如圖，斜探頭分別入射到試塊的二個(gè)圓上，左右移動(dòng)探頭找到最大反射回波；探頭入射點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的刻度即K。

三、聲束偏轉(zhuǎn)角測(cè)定

* 概念：主聲束中心線與聲軸間的夾角稱為聲軸偏轉(zhuǎn)角。

* 測(cè)定：探頭置于試塊面上，旋轉(zhuǎn)移動(dòng)找到最大回波，測(cè)定探頭中心線與試塊上表面垂線 間的夾角。

錄象：入射點(diǎn)、前沿、斜探頭K值測(cè)試

四、按聲程1：1調(diào)節(jié)

概念：儀器熒光屏水平線表示聲波走的實(shí)際聲程；

方法：斜探頭放于CTS-IA試塊的R100、R50處，找到最大回波，分別放于100、50刻度處。

五、按深度1：1調(diào)節(jié)

六、概念：儀器熒光屏水平線表示聲波走的實(shí)際聲程的垂直 投影，即深度值；

方法：斜探頭放于CTS-IA試塊的R50、R100處，找到最大回波，分別放于h1、h2刻度處。h1、h2根據(jù)K值計(jì)算。

六、按水平1：1調(diào)節(jié)

概念：儀器熒光屏水平線表示聲波走的實(shí)際聲程的水平投影，即水平值；

方法：斜探頭放于CTS-IA試塊的R50、R100處，找到最大回波，分別放于L1、L2刻度處。L1、L2根據(jù)K值計(jì)算。

應(yīng)用

6.1 焊縫檢測(cè)程序：

⑴ 斜探頭基本參數(shù)測(cè)定：入射點(diǎn)、前沿、K值（測(cè)量三次取平均值）⑵ 掃描速度調(diào)節(jié)（通常按深度調(diào)節(jié)）⑶ 靈敏度確定：

* 確定探頭靈敏度最常用的方法是用人工缺陷反射信號(hào)的幅值來確定。

焊縫檢測(cè)常用橫孔作為人工缺陷，制作出距離-波幅曲線，依此對(duì)缺陷作出判斷。焊縫檢測(cè)用的距離-波幅曲線有二種：分貝曲線、面板曲線。

* 超聲檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度取決于探頭、脈沖發(fā)生器和放大器（儀器）。分貝曲線 * 在對(duì)接焊縫超聲波探傷中，若要計(jì)入表面補(bǔ)償6dB，“距離一分貝”曲線的三條線同時(shí)下 移 6dB。

* JB4730-94標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定用于制作“距離--波幅”曲線的試塊是： CSK-IIA和CSK-IIIA 面板曲線

⑷ 檢測(cè)（掃描）技術(shù)

* 聲波與入射面垂直時(shí)得到最大的反射回波，如果被檢工件的上下兩平面不平行，工件中 缺陷信號(hào)幅值將不會(huì)顯示。

* 必須選擇入射聲波與缺陷面的入射角度。

* 由于氣孔通常是圓球形的，其反射波是發(fā)散的，所以超聲波探測(cè)氣孔時(shí)，反射波較低。

* 超聲波垂直入射到表面粗糙的缺陷與入射到尺寸相同而表面光滑的缺陷相比，表面粗糙的缺陷反射波低，能量損失大。

* 用超聲波檢查板厚100mm以上的焊縫中垂直表面的裂紋，采用最有效的方法是串列法。

⑸缺陷定位、定量

* 深度定位

* 當(dāng)量法定量 ⑹ 記錄與報(bào)告

7.法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)條件和規(guī)程

7.1 與超聲檢測(cè)特別有關(guān)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件

（1）GB/T 11345-89 鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果的分級(jí)（2）GB/T 29712-2013（3）GB/T 29711-2013（4）GB 50205-2001

7.3 檢測(cè)規(guī)程

7.3.1 檢測(cè)規(guī)程制定和執(zhí)行程序

① 無損檢測(cè)工程師和無損檢測(cè) III 級(jí)人員具有制定檢測(cè)規(guī)程的資格； ② 制定-審核-批準(zhǔn)-使用 修定-審核-批準(zhǔn)-使用 7.3.2 檢測(cè)規(guī)程類型 ① 通用規(guī)程： 內(nèi)容 實(shí)例

* 被檢件相關(guān)參數(shù) * 檢測(cè)與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn) * 人員資格 * 設(shè)備與器材（儀器型號(hào)、探頭、耦合劑等）* 方法與技術(shù)（采用、掃查方式）* 其他事項(xiàng) 7.3.3 工藝卡 ②專用工藝規(guī)程

針對(duì)某一具體檢測(cè)對(duì)象制定的工藝程序 ③工藝卡

一、工藝卡的生成

表格形式集中顯示專用工藝規(guī)程中的工件參數(shù)、工藝參數(shù)，驗(yàn)收依據(jù)等數(shù)據(jù)，是操作者的工作依據(jù)。

二、工藝卡的執(zhí)行和修訂

三、根據(jù)工藝卡進(jìn)行檢測(cè) 8.結(jié)果的記錄和評(píng)定

8.1 記錄：記錄實(shí)際操作的工藝參數(shù) 表格的填寫 8.2 評(píng)定： 8.3 報(bào)告：表格的填寫

第五篇：超聲相控陣技術(shù)細(xì)談

航空無損檢測(cè)新技術(shù)之

超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

學(xué)院：測(cè)試與光電工程學(xué)院 班級(jí)：080812班 姓名：郭林

超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

郭林

(南昌航空大學(xué) 測(cè)試與光電工程學(xué)院0808012班)

摘要: 扼要介紹超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展歷史、原理及特點(diǎn)。著重介紹其最新研究動(dòng)態(tài)及其在無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)中的典型應(yīng)用。指出將相控陣技術(shù)同其它諸如縱波一發(fā)一收(TRL)、聲時(shí)衍射(TOFD)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)及成像等技術(shù)結(jié)合起來,將有助于充分發(fā)揮其特點(diǎn),提高其檢測(cè)能力,促進(jìn)無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)的發(fā)展及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞: 超聲檢驗(yàn);相控陣技術(shù);換能器;

Abstract : The development history , theory and characterization of ultrasonic phased array technique , especially the state2of2the2arts and applications of the technique in nuclear industry nondestructive testing and evaluation(NDT & E)are described.Combining phased array technique with TRL(the transmitter2receiver technique for longitudinal waves), TOFD(time of flightdiffraction), DSP(digital signal processing)and imaging technique will improve detectabilityand promote NDT&E developmentand application.Keywords :Ultrasonic testing;Phased array technique;Transducer;

前 沿： 超聲檢測(cè)是根據(jù)超聲波在材料中傳播特性，檢測(cè)材料中的缺陷。向工件中發(fā)射超聲波；超聲波在工件中傳播，遇到缺陷，傳播特性改變，檢測(cè)變化后的超聲波，并進(jìn)行處理和分析；根據(jù)接收波的特征，評(píng)估工件內(nèi)存在缺陷的特性。在超聲無損檢測(cè)新技術(shù)中，大概有相控陣檢測(cè)技術(shù)、電磁超聲檢測(cè)技術(shù)、激光超聲檢測(cè)技術(shù)、聲振檢測(cè)技術(shù)等。其中超聲相控陣技術(shù)已有近20 多年的發(fā)展歷史。初期主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域,醫(yī)學(xué)超聲成像中用相控陣換能器快速移動(dòng)聲束對(duì)被檢器官成像利用其可控聚焦特性局部升溫?zé)岑熤伟?使目標(biāo)組織升溫并減少非目標(biāo)組織的功率吸收。最初,系統(tǒng)的復(fù)雜性、固體中波動(dòng)傳播的復(fù)雜性及成本費(fèi)用高等原因使其在工業(yè)無損檢測(cè)中的應(yīng)用受限。然而隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,超聲相控陣技術(shù)逐漸應(yīng)用于工業(yè)無損檢測(cè),特別是在核工業(yè)及航空工業(yè)等領(lǐng)域。如核電站主泵隔熱板的檢測(cè);核廢料罐電子束環(huán)焊縫的全自動(dòng)檢測(cè)及薄鋁板摩擦焊焊縫熱疲勞裂紋的檢測(cè)。

近幾年,超聲相控陣技術(shù)發(fā)展尤為迅速,在第 15 屆世界無損檢測(cè)會(huì)議中,關(guān)于超聲相控陣技術(shù)的文獻(xiàn)有 17 篇之多。在相控陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、生產(chǎn)與測(cè)試和應(yīng)用等方面已取得一系列進(jìn)展,如采用新的復(fù)合材料壓電換能器改善電聲性能;奧氏體焊縫、混凝土和復(fù)合材料等的超聲相控陣檢測(cè);R/ D TECH ,SIEMENS 及 IMA2SONIC 等公司已生產(chǎn)超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)及相控陣換能器。而動(dòng)態(tài)聚焦相控陣系統(tǒng)[10 ],二維陣列、自適應(yīng)聚焦相控陣系統(tǒng),表面波及板波相控陣換能器和基于相控陣的數(shù)字成像系統(tǒng)等的研制、開發(fā)、應(yīng)用及完善已成為研究重點(diǎn)。其中,自適應(yīng)聚焦相控陣技術(shù)尤為突出,它利用接收到的缺陷回波信息調(diào)整下一次激發(fā)規(guī)則,實(shí)現(xiàn)聲束的優(yōu)化控制,提高缺陷(如厚大鈦錠中的小缺陷或埋藏較深的大缺陷)的檢出率。目前,國(guó)內(nèi)在超聲相控陣技術(shù)上的研究應(yīng)用尚處于起步階段,主要集中于醫(yī)療領(lǐng)域。

1原理及特點(diǎn)

超聲相控陣就是采用一個(gè)探頭多個(gè)晶片的有機(jī)排列，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)不同時(shí)間對(duì)每個(gè)晶片發(fā)出激勵(lì)信號(hào) 和接收聲波，使合成的超聲波形受計(jì)算機(jī)的控制，產(chǎn)生不同的方向，聚焦點(diǎn)等等。從而完成檢測(cè)。我們知道普通的超聲聚焦探頭可以將超聲波聚焦在某一點(diǎn)處，從而可以在該點(diǎn)處獲得最好的分辨率和靈敏度，但對(duì)不處于該位置的缺陷就沒有這么好的分辨率和靈敏度了。而相控陣探頭的聚集位置是可以由計(jì)算機(jī)控制的，是動(dòng)態(tài)可變化的，所以可在聲程范圍內(nèi)設(shè)定聚集的范圍，計(jì)算機(jī)可自動(dòng)控制探頭各個(gè)晶片發(fā)射和接收超聲波，從而在該范圍內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)聚集，所以聚集是一條線。如下圖。

這樣擴(kuò)展了聚集范圍，其優(yōu)點(diǎn)可以從下面的例子看出，這是一塊試塊，有三個(gè)人工孔，最近的離表面距 離為 25mm,試塊高 75mm。如采用聚集在 25 mm 處時(shí)，如圖可見孔的圖像清楚，但底面回波圖像模糊。如采用聚集在 75 mm 處時(shí)，如圖可見孔的圖像模糊，但底面回波圖像清楚。如采用動(dòng)態(tài)聚集，聚集在 25 mm —75 mm 處時(shí)，如圖可見孔的圖像和底面回波圖像都很清楚。這意味著發(fā)射超聲可以由電子控制掃查聚集，同時(shí)接收超聲也由電子控制掃查聚集，從而完成整個(gè)設(shè)定深度范圍內(nèi)的聚集。這就是動(dòng)態(tài)聚集的優(yōu)點(diǎn)。前面提到超聲相控陣可以由計(jì)算機(jī)控制不同晶片發(fā)射和接受超聲波的時(shí)間點(diǎn)，從而可以合成不同的發(fā)射波的角度，我們可以在儀器中設(shè)定超聲波掃查的角度范圍，計(jì)算機(jī)就驅(qū)動(dòng)掃查晶片的合適方式，使超聲波在某一角度范圍內(nèi)進(jìn)行掃查檢測(cè)，如下圖圖示。

在每個(gè)重復(fù)脈沖周期里，在晶片電子掃查過程中同時(shí)被激發(fā)和接收的組，按預(yù)定程序

移動(dòng)。無需光珊移動(dòng)，就能全面覆蓋被檢區(qū)域。如圖所示

如此時(shí)探頭沿著與晶片排列垂直的方向移動(dòng)，并由一編碼器配合記錄行程，這就可以完成超聲相控陣 C掃描檢測(cè)，與傳統(tǒng)的 C 掃描相比，效率高得多，在波音 787 飛機(jī)中，由于沒有鉚釘連接蒙皮，在檢測(cè)中難以判斷是缺陷還是復(fù)合材料機(jī)身內(nèi)的結(jié)構(gòu)的影響?？梢栽跈C(jī)身外采用該方法以查明內(nèi)部結(jié)構(gòu)，快速高效。在目前的飛機(jī)上應(yīng)用該方法，可以查找蒙皮搭接處的內(nèi)部腐蝕，如下圖所示：

超聲相控陣換能器的設(shè)計(jì)基于惠更斯原理。換能器由多個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片組成陣列,每個(gè)晶片稱為一個(gè)單元,按一定的規(guī)則和時(shí)序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個(gè)單元,使陣列中各單元發(fā)射的超聲波疊加形成一個(gè)新的波陣面。同樣,在反射波的接收過程中,按一定規(guī)則和時(shí)序控制接收單元的接收并進(jìn)行信號(hào)合成,再將合成結(jié)果以適當(dāng)形式顯示。由其原理可知,相控陣換能器最顯著的特點(diǎn)是可以靈活、便捷而有效地控制聲束形狀和聲壓分布。其聲束角度、焦柱位置、焦點(diǎn)尺寸及位置在一定范圍內(nèi)連續(xù)、動(dòng)態(tài)可調(diào);而且探頭內(nèi)可快速平移聲束。因此,與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相比,相控陣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是：

①單軸扇形掃查替代柵格形掃查可提高檢測(cè)速度。

②不移動(dòng)探頭或盡量少移動(dòng)探頭可掃查厚大工件和形狀復(fù)雜工件的各個(gè)區(qū)域,成為解決可達(dá)性差和空間限制問題的有效手段。

③通常不需要復(fù)雜的掃查裝置,不需更換探頭就可實(shí)現(xiàn)整個(gè)體積或所關(guān)心區(qū)域的多角度多方向掃查,因此在核工業(yè)設(shè)備檢測(cè)中可減少受輻照時(shí)間。④優(yōu)化控制焦柱長(zhǎng)度、焦點(diǎn)尺寸和聲束方向,在分辨力、信噪比、缺陷檢出率等方面具有一定的優(yōu)越性。

超聲相控陣還不是十分完美，還有需要進(jìn)一步改進(jìn)的方面 ： 1． 探頭體積還太大，特別在航空器上好多地方難以運(yùn)用 2． 探頭導(dǎo)線非常精密。容易損壞 3． 儀器參數(shù)設(shè)置非常復(fù)雜 4． 相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還沒有跟上

相控陣技術(shù)在實(shí)現(xiàn)上要面臨諸多挑戰(zhàn),如要求壓電晶片電聲性能好;相鄰單元間隔聲性能好;避免產(chǎn)生旁瓣,聲束角度較大時(shí)更應(yīng)注意該問題;時(shí)間延遲的精確控制以及聲束方向、形狀及聲壓分布的仿真等。超聲相控陣換能器按其晶片形式主要分三類,即線陣、面陣和環(huán)形陣列。線陣最為成熟,已有含256 個(gè)單元的線陣(N ×1), 可滿足多數(shù)情況下的應(yīng)用要求;面陣又叫二維陣列(N ×M),可對(duì)聲束實(shí)現(xiàn)三維控制,對(duì)超聲成像及提高圖像質(zhì)量大有益處,目前已有含 128 ×128 陣列的超聲成像系統(tǒng)應(yīng)用于金屬和復(fù)合材料的檢測(cè)與性能評(píng)價(jià)[14 ] ,該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí) C 掃描成像功能,以標(biāo)準(zhǔn)視頻圖像在液晶顯示器上顯示,然而同線陣相比,面陣的復(fù)雜性劇增,其經(jīng)濟(jì)適用性影響該類探頭在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用;環(huán)形陣列在中心軸線上的聚焦能力優(yōu)異、旁瓣低、電子系統(tǒng)簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛,但不能進(jìn)行聲束偏轉(zhuǎn)控制。

典型應(yīng)用

在核動(dòng)力裝置及設(shè)備中,厚壁工件、粗晶材料和復(fù)雜形狀工件多,設(shè)備和管道中某些焊縫可達(dá)性及可檢性差而申請(qǐng)免檢多。此時(shí),應(yīng)用相控陣技術(shù)可提高檢測(cè)效率,減少輻照時(shí)間,擴(kuò)大超聲檢測(cè)應(yīng)用范圍,取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。用相控陣技術(shù)對(duì)盛裝核廢料的罐體封頭和筒體間電子束焊環(huán)焊縫進(jìn)行100 %全自動(dòng)超聲檢測(cè),可避免采用復(fù)雜機(jī)械裝置,利用其動(dòng)態(tài)聚焦能力并結(jié)合分離譜技術(shù)可減少粗晶的影響,提高信噪比。采用含 64 個(gè)單元的相控陣換能器進(jìn)行水浸法 B 掃描檢測(cè),在模擬試塊中可檢出焊縫區(qū)內(nèi)直徑為13mm 的人工邊孔。

900MW 壓水堆主泵隔熱板熱疲勞裂紋的檢測(cè)存在的困難是,凸緣和軸承之間空間狹小(圖2),探頭移動(dòng)空間極為有限,可達(dá)性差;雙曲面形狀的凸緣使聲束強(qiáng)烈發(fā)散。然而,使用具有 16 個(gè)單元的線性陣列探頭進(jìn)行檢測(cè),可不拆卸軸承和密封圈等結(jié)構(gòu);具有雙曲面形狀的楔塊可實(shí)現(xiàn)探頭和凸緣間的耦合;根據(jù)楔塊形狀調(diào)整延遲,校正畸變聲場(chǎng)。該系統(tǒng)可掃查圓周外表面以下 200mm 的范圍,可檢出徑向平面內(nèi) 5mm 以上的疲勞裂紋粗晶奧氏體鋼在核工業(yè)中應(yīng)用廣泛,但其可靠檢測(cè)一直是個(gè)難題。最新研究表明,相控陣技術(shù)同TRL 及 DSP 技術(shù)結(jié)合起來已成為行之有效的檢測(cè)手段,其最大特點(diǎn)是檢測(cè)信噪比高,且只需一個(gè)相控陣換能器就可檢測(cè)不同深度缺陷。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉根、輪槽和鍵槽等的超聲檢測(cè)由于其結(jié)構(gòu)限制而難以用普通單一探頭進(jìn)行。以葉根檢測(cè)為例,若使用相控陣換能器,可在不拆卸葉片的條件下從三個(gè)方向檢測(cè),既能提高檢測(cè)效率,又能避免拆卸損壞。在其它工業(yè)領(lǐng)域,相控陣技術(shù)亦有著廣泛的應(yīng)用,如壓力容器、高能管道焊縫和輸油管道焊縫的檢測(cè)。R/ D TECH 公司研制的管道全自動(dòng)超聲相控陣系統(tǒng)可檢測(cè)壁厚 650mm ,直徑 100 1 400mm的管道,掃查速度為100mm/ s ,4min 可檢測(cè)一條完整的陸地輸油管焊縫(包括儀器安裝和拆除),結(jié)合聲時(shí)衍射技術(shù)(TOFD)提高缺陷檢出能力和定量精度。

3結(jié)論

超聲相控陣技術(shù)的特點(diǎn)及在眾多富有挑戰(zhàn)性檢測(cè)中的成功應(yīng)用,使之成為超聲檢測(cè)的重要方法之一。由于它可以靈活而有效地控制聲束使之具有廣闊的應(yīng)用與發(fā)展前景,將其同信號(hào)分析與處理、數(shù)字成像和聲時(shí)衍射等技術(shù)結(jié)合起來是其主要發(fā)展方向。顯然,超聲相控陣技術(shù)的應(yīng)用將有助于改善檢測(cè)的可達(dá)性和適用性,提高檢測(cè)的精確性、重現(xiàn)性及檢測(cè)結(jié)果的可靠性,增強(qiáng)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和直觀性,促進(jìn)無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)的應(yīng)用及發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

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美國(guó)無損檢測(cè)學(xué)會(huì)編《, 美國(guó)無損檢測(cè)手冊(cè)》譯審委員會(huì)譯.美國(guó)無損檢測(cè)手冊(cè)·超聲卷(上冊(cè))