超声振动磨削技术、

第一篇：超声振动磨削技术、

超声振动精密磨削技术的发展

1、引言

随着科学技术的进步，金属间化合物、工程陶瓷、石英、光学玻璃等硬脆材料以及各种增韧、增强的新型复合材料因其高硬度、耐磨损、耐高温、化学稳定性好、耐腐蚀等优点在航空航天、国防科技、生物工程、计算机工程等尖端领域中的应用日益广泛；但由于这些材料的脆硬特性，传统加工方法已不能满足对这些材料零件的精密加工要求，因此有关其精密超精密磨削加工技术便成为世界各国研究的热点。超声振动精密磨削技术便是顺应这一需要而发展起来的技术之一。

超声振动磨削技术的基本原理为：由超声波发生器产生的高频电振荡信号（一般为16～25KHz）经超声换能器转换成超声频机械振动，超声振动振幅由变幅杆放大后驱动工具砂轮产生相应频率的振动，使刀具与工件之间形成周期性的切削。即工具砂轮在旋转磨削的同时做高频振动。

超声加工技术的经历了从传统超声波加工到旋转超声波加工的发展阶段，旋转式超声加工是在传统超声加工的工具上叠加了一个旋转运动。这种加工用水带走被去除的材料并冷却工具，不需要传统超声加工中的磨料悬浮液，因此，这种方法被广泛的运用于超声振动磨削加工中。

2、超声振动磨削技术发展回顾

1927 年，R.W.Wood 和 A.L.Loomis 就发表了有关超声波加工的论文，超声加工首次提出。

1945 年L.Balamuth 就申请了关于超声加工的专利。世纪 50～60 年代日本学者隈部淳一郎发表了许多对振动切削进行系统研究的论文，提出了振动切削理论，并成功实现了振动磨削等加工 [8]。

1960 年左右，英国 Hawell 原子能研究中心的科学家发明了新的超声磨削复合加工方法。超声振动磨削加工在难加工材料和高精度零件的加工方面显示了很大的优越性。

1986 年日本学者石川健一受超声电机椭圆振动特性启发，首次提出了“椭圆振动 [6]

切

削方法”（elliptical vibration cutting）。世纪 90 年代初，日本神户大学社本英二等人对超声椭圆振动切削技术进行了深入研究，其最具代表性的研究成果是利用金刚石刀具采用双激励双弯曲合成椭圆振动的方式对黑色金属淬火不锈钢进行精密车削，最小表面粗糙度可以达到 Ra0.0106um，不但解决了金刚石不能加工黑色金属的难题，而且使这项技术达到了实用化阶段。

20世纪50年代，在前苏联的影响下，我国进行了振动加工的初步应用研究工作，对超声振动磨削机理进行了探索研究。

1976年，我国再次开展超声加工的试验研究和理论探索。

1983年，我国机械电子工业部科技司委托《机械工艺师》杂志社在西安召开了我国第一次“振动与切削专题讨论会”。

1985 年前后机械电子工业部第 11 研究所研制成功超声旋转加工机，在玻璃、陶瓷、等硬脆材料的内外圆磨削等加工中取得了优异的工艺效果。

1987年北京市电加工研究所于研究成功了超硬材料超声电火花复合抛光技术。这项发明技术是世界上首次提出并实现采用超声频调制电火花与超声波复合的研磨、抛光加工技术。与纯超声波研磨、抛光相比，效率提高5倍以上，并节约了大量的金刚石磨料。

80年代后期，天津大学李天基等人在高速磨削的同时对磨头施以超声振动，提出了高效的超声磨削复合加工方法，效率比传统的超声加工提高了6倍以上，表面质量也有了大幅提高。

90年代后，超声振动作为一种新型的高新技术成为了科研机构和大学院校的研究热点，3、国内外研究现状

3.1超声振动磨削技术 国外 研究现状

1993年，美国堪萨斯州立大学D.Prabhakar等人提出了一种超声旋转加工陶瓷材料去除率的理论模型，并试验证明了与普通磨削相同的条件下旋转超声加工工具具有低的切削力和相对高的材料去除率。

1996年东京大学的增泽隆久等人用超声激振方式在结构陶瓷材料上加工出了直径

为5µm的微孔。

1998年德国工业大学E.Uhlman、G.Spur等人在48届CIPR年会上提出在加工表面的法向施加超声振动，材料的去除率大大提高，并试验证明了在提高材料去除率的同时，并不会对表层造成损伤。

1999年，德国Kaiserslautern大学的G．Warnecke指出，在磨削新型陶瓷和硬 金属等硬脆材料时，磨削过程及结果与材料去除机理紧密相关。

美国内布拉斯加大学和内华达大学对Al2O3陶瓷材料微去除量精密超声加工技术进行了研究。通过模拟陶瓷材料超声加工的力学特性对材料去除机制进行分析，研究发现，低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错位，而高冲击力会导致中心裂纹和凹痕。美国内布拉斯加大学还第一次分析了Al2O3陶瓷精密超声加工的机理、过程动力学以及发展趋势，并详细讨论了超声技术在陶瓷加工方面的应用情况。

巴西的研究人员对石英晶体的超声研磨技术进行了研究，发现石英晶体的材料去除率取决于晶体的晶向，研磨晶粒的尺寸影响材料去除率和表面粗糙度。研究指出，加工过程中材料产生微裂纹是材料去除的主要原因。

日本的吴勇波等人建立了超声振动辅助磨削的实验装置（装置如图 1-4）并研究了磨削不锈钢内孔时超声振动对表面粗糙度和切削力的影响，研究发现，当施加 19.2KHz 超声振动后，表面粗糙度可以减少 20％；法向力减少 65％，切向力减少 70％。

3.2超声振动磨削技术 国内 研究现状

国内众多知名院校均对超声振动加工方面进行了研究，超声振动磨削机理的研究在这一时期取得了一系列的理论成果。

哈尔滨工业大学的吴永孝、张广玉等人研制的超声波振动小孔内圆磨削系统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，但其使用的磁致伸缩换能器发热大，需要加装制冷装置致使其结构复杂，且超声电能的供应采用的是碳刷集流环的传统供电方式。

河北工学院的李健中等人对超声振动磨削的材料去除机理、表面创成机理、表面粗糙度等进行了一系列的研究。利用自行研制的超声振动磨削装置使砂轮磨削的同时作轴向超声振动，通过试验得知，由于高频振动，砂轮不易堵塞，保持磨粒锋利性，提高了

磨削效率；磨削表面形成网状结构，加工表面质量较好。

1998 年前后兵器工业第五二研究所杨继先、张永宏等人通过对外圆磨床的改造进行了超声振动内圆磨削试验研究，验证了超声振动内圆磨削可明显地提高陶瓷加工效率，能有效地消除普通磨削产生的表面裂纹和崩坑的效果，提高磨削圆度。

1999年上海交通大学赵波等利用自行研制的超声振动珩磨机床对工程陶瓷发动机缸套类零件进行了超声振动磨削试验研究．加工表面微裂纹大幅度减少，加工效率和加工表面质量均得纠很大提高，加工工具耐用度比普通磨削提高至少3倍。

2000 年前后，天津大学于思远、刘殿通、李天基等人 [12] 对各种先进陶瓷小孔加工进行了系统研究，采用无冷压电陶瓷换能器制开发了一台陶瓷小孔超声波磨削加工机床，在工程陶瓷小孔磨削时对磨头施以超声振动，提出了高效的超声磨削复合加工方法，效率比传统的超声加工提高 6 倍以上，表面质量也有大幅度提高。

南京航空航天大学对硬脆金属材料的超声电解复合加工工艺进行了实验研究。结果表明，该复合加工方法使加工速度、精度及表面质量较单一加工工艺有显著改善

东北大学庞楠研究了新型陶瓷材料的超声波复合磨削加工中砂轮堵塞及自锐性分析，砂轮修整方法及最佳砂轮修整程度的分析，提出超声振动磨削的最佳工艺参数[11]。

上海交通大学吴雁在陶瓷材料的超声加工方面进行了深入研究，研究了二维超声振动磨削陶瓷材料的脆-塑性转变机理、塑性去除机理、高效去除机理等相关的超声磨削机理，提出了微-纳米复合陶瓷二维超声振动表面变质层结构模型以及精密磨削复合陶瓷材料是塑性变形为主的去除方式,并且还进行了纳米复相陶瓷超声振动表面微观特性的研究，提出了在特定的磨削条件下，陶瓷材料纳米增韧改性和二维超声振动磨削技术相结合，可实现以非弹性变形为主要去除机理的超精密磨削表面[12][13]。

河南理工大学闫艳燕等进行了陶瓷材料的超声磨削机理和试验研究，分析了陶瓷材料二维超声振动研磨、磨削的去除机理和磨削表面创成机理以及硬脆材料的表面形成和破碎状况，并建立了相关的数学模型，得出了陶瓷材料脆—塑性转化的临界公式，以及超声磨削提高陶瓷材料表面质量的相关结论[15][16]。

山东大学张洪丽、张建华等研究了工件沿砂轮轴向、径向、切向三种超声振动条件下的磨削特性，分析了三种情况下的运动学、磨削力、材料去除机理及表面加工质量，建立了三种加工方式下的表面粗糙度的计算模型，并进行了实验研究。

北京航空航天大学和哈尔滨工业大学将超声振动引入普通聚晶金刚石(PCD)的研磨

[14]

加工，显著地提高了研磨效率，并在分析PCD材料的微观结构和去除机理的基础上，对PCD超声振动研磨机理进行了深入研究。研究指出，研磨轨迹的增长和超声振动脉冲力的作用是提高研磨效率的根本原因。

本人及团队在超声振动内圆磨削加工技术上取得了新的突破，通过在普通内圆磨削机床上添加超声振动内圆磨削磨头即可以实现超声内圆磨削，结构简单、成本低廉，并且采用了新型的回转式非接触超声波电能传输方式，解决了一直以来困扰众多学者的碳刷、集流环电能传输方式中存在的问题，并申请了一项有关非接触超声波电能传输的实用新型国家专利。

3.3超声振动磨削装置的研究进展

超声振动系统由换能器、变幅杆和工具头等部分组成，是超声设备的核心部分。超声振动磨削系统通常采用一维纵向（轴向）振动方式，并按“全调谐”方式工作。但近年来，随着超声技术基础研究的发展和在不同领域实际应用的特殊需要，对超声振动系统的工作方式和设计计算、振动方式及其应用研究都取得了新的进展，二维超声振动磨削系统也得到了研究和应用。

超声振动磨削系统依据换能器的振动方式可以分为两大类，单方向激励超声振动磨削系统和复合振动磨削系统。

日本研究成功一种半波长弯曲振动系统，其切削刀具安装在半波长换能振动系统细端，该振动系统换能器的压电陶瓷片采用半圆形，上下各两片，组成上下两个半圆形压电换能器(压电振子)，其特点是小型化，结构简单，刚性增强。

日本还研制成一种新型“纵-弯”型振动系统，并已在手持式超声复合振动研磨机上成功应用。该系统压电换能器也采用半圆形压电陶瓷片产生“纵-弯”型复合振动。

1994年日本多贺电气株式会社采用“纵一弯”型超声复合振动系统制成研磨机，用于放电加工后的模具沟槽侧壁研磨抛光。研磨工具做纵向振动和弯曲振动。研究结果表明，弯曲振动方向不同，可获得不同的研磨效果。

哈尔滨工业大学的吴永孝、张广玉等人研制的超声波振动小孔内圆磨削系统，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，所用磁致伸缩换能器发热大，采用了加装制冷装置的方法解决冷却问题，但致使其结构复杂。

1996 年前后华北工学院辛志杰、刘刚通过对超声振动内圆磨削机理的探讨，研制了一套超声内圆磨削装置，在改善工件表面质量、提高生产率和内圆磨削系统结构设计上有了新的突破。

1997年英国研制了硬脆材料纳米磨削中心，可实现硬脆材料超声纳米表面加工；日本UNNO海野邦昭分别进行了工程陶瓷超声磨削的研究。多项研究结果表明：超声磨削陶瓷材料的加工效率可提高近一倍；当工具与工件上同时施加超声振动时，加工效率可提高2—3倍。

1997 年前后西北工业大学史兴宽等人研制了一种超声内圆磨削装置，此装置较专用超声磨床主轴系统结构简单，但因发热大而使用了冷却装置，这就使此超声磨头的结构显得复杂，虽然加工效率和加工质量有一定的提高，但其复杂的结构不利于推广使用。

2002年弗劳恩霍夫生产技术研究院研制出了新型超声研磨设备DMS 50，采用该设备对超声辅助磨削过程进行了技术性分析。并且，国外已研究出先进的超声振动主轴，其转速可达4000r／min至30，000r／min。可以实现加工过程中砂轮的振动，并使其转速达到传统磨削工艺的水平。

德国 Fraunhofer 研究中心和布莱梅大学精密工程中心采用非圆周对称结构在单纵振激励的条件下产生了 10:1 的椭圆振动，提高了刀具寿命，也保证了加工精度。另外新加坡制造技术研究所仿照德国研究人员的结构也制作除了超声椭圆振动切削不锈钢的装置。

天津大学于思远、刘殿通等人对各种先进陶瓷小孔加工进行了系统研究，采用无冷压电陶瓷换能器研制了一台陶瓷小孔超声波磨削加工机床，在工程陶瓷小孔磨削时对磨头施以超声振动，提出了高效的超声磨削复合加工方法，效率比传统的超声加工提高6倍以上，表面质量也有大幅度提高[23]。

南京航空航天大学杨卫平、徐家文设计了用于加工三维型面的超声磨削装置，推导了用于数控加工的超声磨削装置变幅杆设计的数学模型，此装置采用电机直连进行旋转，电信号传输采用碳刷集流环的传输方式。

河南工业大学机电工程学院李华、殷振等人设计了超声波椭圆振动内圆磨削磨头，[24]

并在超声振动内圆磨削系统中采用了新型的回转式非接触超声波电能传输方式，解决了碳刷、集流环电能传输方式中存在的问题 [25]。

德国 DMG 公司和日本马扎克公司将超声振动头安装在加工中心上，进行了零件异形沟槽加工、内外圆磨削、平面磨削加工、以及导电陶瓷材料的超声振动磨削研究，取得良好效果，并已实现商业化生产应用。

在第八届中国国际机床展览会(CIMT2003)上，德国DMG公司展出了其新产品DMS35Ultrasonic超声振动加工机床，该机床主轴转速3 000～4 0000 r/min，特别适合加工陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料。与传统加工方式相比，生产效率提高5倍，加工表面粗糙度Ra＜0.2μm，可加工0.3 mm精密小孔，堪称硬脆材料加工设备性能的新飞跃。

图 1-2 德国 DMG 超声振动加工中心 图 1-3 德国 DMG 超声振动加工中心刀具

4、超声加工技术的发展趋势和未来展望

随着传统加工技术和高新技术的发展，超声振动切削技术的应用日益广泛，振动切削研究日趋深入，主要表现在以下几个方面。

(1)研制和采用新的刀具材料

在现代制造业中，钛合金、纯钨、镍基高温合金等难加工材料所使用的范围越来越大，对机械零件加工质量的要求越来越高。为了更好地发挥刀具的效能，除了选用合适的刀具几何参数外，在振动切削中，人们将更多的注意力转为对刀具材料的开发与研究上，其中天然金刚石、人造金刚石和超细晶粒的硬质合金材料的研究和应用为主要方向。

(2)高效稳定超声振动系统研究

现有的实验及实用振动切削加工系统输出功率尚小、能耗高，因此，期待实用的大功率振动切削系统早日问世。到目前为止，输出能量为4 kW的振动切削系统已研制出来并投产使用。在日本，超声振动切削装置通常可输出功率1 kW，切削深度为0.01～0.06 mm。

(3)超声椭圆振动切削的研究与推广

超声波椭圆振动切削已受到国际学术界和企业界的重视。美国、英国、德国和新加波等国的大学以及国内的北京航空航天大学和上海交通大学已开始这方面的研究工作。日本企业界如日立、多贺和Towa公司等已开始这方面的实用化研究。但是，超声波椭圆振动切削在理论和应用方面还有许多工作要做。尤其是对硬脆性材料的超精密切削加工、微细部位和微细模具的超精密切削加工等方面还需要进一步研究。

(4）微细超声加工技术

以微机械为代表的微细制造是现代制造技术中的一个重要组成部分，晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微机械中的广泛应用，使硬脆材料的高精度三维微细加工技术成为世界各国制造业的一个重要研究课题。目前可适用于硬脆材料加工的手段主要有光刻加工、电火花加工、激光加工、超声加工等特种加工技术。超声加工与电火花加工、电解加工、激光加工等技术相比，既不依赖于材料的导电性又没有热物理作用，与光刻加工相比又可加工高深宽比三维形状，这决定了超声加工技术在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面有着得天独厚的优势。

随着东京大学生产技术研究所增泽研究室对微细工具的成功制作及微细工具装夹、工具回转精度等问题的合理解决，采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直径最小为5μm的微孔，从而使超声加工作为微细加工技术成为可能。

超声加工技术在不断完善之中，正向着高精度、微细化发展，微细超声加工技术有望成为微电子机械系统(MEMS)技术的有力补充。

超声加工技术的发展及其取得的应用成果是可喜的。

展望未来，超声加工技术的发展前景是美好的。

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图 1-5 超声椭圆振动切削出的镜面试件

当前普通磨削的加工精度大于1μm，表面粗糙度为Ra 0.16~1.25μm；精密磨削技术是指被加工零件加工精度达到1~0.5μm，表面粗糙度为Ra 0.04~0.16μm的加工技术。主要靠对砂轮的精细修整。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。使用金刚石或CBN砂轮。适合于合金钢、陶瓷等硬脆材料的加工；用磨具进行磨削和用磨粒进行研磨和抛光时实现精密超精密磨削的主要途径。

第二篇：先进磨削技术的新发展

先进磨削技术的新发展

摘要：磨削是指用磨料或磨具去除材料的加工工艺方法，磨削加工的发展趋势正朝着采用超硬磨料、磨具，高速、高效、高精度磨削工艺及柔性复合磨削、绿色生态磨削方向发展。为适应现代工业技术和高性能科技产品对机械零件加工精度、表面粗糙度与完整性、加工效率和批量化质量稳定性的要求，近年出现了一些先进的磨削加工技术，其中以超高砂轮线速度和超硬磨料砂轮为主要技术特征的超高速外圆磨削、高效深切磨削、快速点磨削技术的发展最为引人注目。我们也需要了解超高速磨削加工的机理及超高速磨削的优越性，把握高速超高速磨削加工技术的发展前景。为适应现代工业技术和高性能科技产品对机械零件加工精度、表面粗糙度与完整性、加工效率和批量化质量稳定性的要求，近年出现了一些先进的磨削加工技术，其中以超高砂轮线速度为主要技术特征的超高速外圆磨削、高效深切磨削、快速点磨削技术的发展最为引人注目。

关键词：先进磨削 超高速磨削 发展方向 关键技术 正文：

超高速磨削是近年迅猛发展的一项先进制造技术，被誉为现代磨削技术的最高峰。日本先端技术研究学会把超高速加工列为五大现代制造技术之一。国际生产工程学会将超高速磨削技术确定为面向21世纪的中心研究方向之一。东北大学自上世纪80 年始一直跟踪高速/超高速磨削技术发展，并对超高速磨削机理、机床设备及其关键技术等开展了连续性的研究，建造了我国第一台额定功率55kw、最高砂轮线速度达250m/s 的超高速试验磨床，进行了超高速大功率磨床动静压主轴系统研究、电镀CBN 超高速砂轮设计与制造、超高速磨削成屑机理及分子动力学仿真研究、超高速磨削热传递机制和温度场研究、高速钢等材料的高效深磨研究、超高速单颗磨粒CBN 磨削试验研究、超高速磨削砂轮表面气流场和磨削摩擦系数的研究等，部分研究成果达到国际先进水平。超高速磨削技术特点：

超高速磨削之所以应用这么广泛，与它特有的特点是分不开的，主要体现在以下几个方面

磨削效率高。超高速磨削时，单位时间内通过磨削区的磨粒数增多，如保持每颗磨粒的切深与普通磨削一样，其切入进给量可以大大增加，金属去除率 得到提高，磨削效率大幅度提高。

加工精度高。在进给量不变的条件下，超高速磨削的磨屑厚度更薄，在磨削效率不变时，法向磨削力随磨削速度的增大而大幅度减小，继而减小磨削过程中的变形，提高工件的加工精度。可以得到高质量、小粗糙度值的工件表面。砂轮耐用度大幅提高，有利于实现磨削加工自动化。超高速磨削时，单颗磨粒的切削力较小，使每颗磨粒的可切削时间相对延长。

可磨削难加工材料。超高速磨削可实现硬脆 材料的延性域磨削，使陶瓷材料的磨削加工成为了现实，并且能够获得极好的磨削表面质量和极高的磨削效率。大幅度提高磨削效率，设备使用台数少。磨削力小、磨削温度低、加工表面完整性好。砂轮使用寿命长，有助于实现磨削加工的自动化。实现对难加工材料的磨削加工。

超高速磨削不仅可对硬脆材料实行延性域磨削，而且对钦合金、镍基耐热合金、高温合金、铝及铝合金等高塑性的材料也可获得良好的磨削效果。超高速磨削纯铝的实验表明，当磨削速度超过200m /s时，工件表面硬化程度和表面粗糙度值开始减小，表面完整性得到改善。因为加载速度提高使得塑性应变点后移，增加了材料在弹性小变形阶段被去除的机率。因此塑性材料静态应力波速是实现“脆性”加工的临界点。

超高速磨削关键技术： 超高速磨削砂轮

超高速磨削砂轮应具有良好的耐磨性、高动平衡精度和机械强度、高刚度和良好的导热性等。以此来实现高性能加工。主轴系统

超高速磨床的主轴最高转速在10000r / mm 以上，传递的磨削功率常为几十千瓦，故要求其主轴系统刚性好、回转精度高、温升小、空转功耗低。近年来，超高速磨床越来越多地使用电主轴。

超高速回转的砂轮动不平衡引起的振动会严重影响主轴系统的工作性能和磨削质量。除了砂轮和主轴系统预先要进行严格的动平衡外，还应当在磨削的过程中实施在线自动平衡。砂轮自动平衡系统一般由电子传感及控制系统和平衡头组成。在高速及超高速磨床上常用的在线动平衡系统主要有液体式、气体式及机械式三种。砂轮在线动平衡装置是高速磨床上的重要组成部分。美国、日本和德国等工业发达的国家在高速磨床上均采用了自动平衡系统。砂轮修整技术

超硬磨料砂轮的修整特别是在线修整迄今仍是研究的热点。电解修整(ELlD)法适合金属结合剂超硬磨料砂轮的在线修整，激光修整法不仅便于修整树脂或金属结合剂超硬磨料砂轮，而且热影响区小、砂轮修整损耗小和易于实现自动化，修整效率也高，有很好的发展前景。目前对CBN 砂轮的修整广泛采用接触在线修整法，借助传感系统控制砂轮和修整工具的接触，然后通过进给系统进行微米级进给，得到理想的砂轮形貌，从而保证了精密及超精密加工的要求。磨削液供给系统

超高速磨削中，由于砂轮极高速旋转形成的气流屏障阻碍了磨削液有效地进人磨削区，使接触区高温得不到有效的抑制，工件易出现烧伤，严重影响零件的表面完整性和机械物理性能。因此，磨削液供给系统对提高和改善工件质量、减少砂轮磨损至关重要。超高速磨削常用的冷却液注人方法有高压喷射法，空气挡板辅助截断气流法，气体内冷却法，径向射流冲击强化换热法等。为提高供液效果，应对供液系统参数包括供液压力、流量、磨削液喷注位置、喷嘴结构及尺寸等进行优化设计，此外系统还需配有高效率油气分离和吸排风单元。超高速磨削进给系统

目前数控机床进给系统主要采用滚珠丝杠传动。随着高速超高速加工技术的发展，国内外都采用了直线伺服电机直接驱动技术。使用高动态性能的直线电机结合数字控制技术，避免了传统的滚珠丝杠传动中的反向间隙、弹性变形、磨擦磨损和刚度不足等缺陷，可获得高精度的高速移动并具有极好的稳定性。结语：

超高速磨削是先进制造的前沿技术，在获得高效率，高精度的同时，又能对各种材料和形状进行高表面完整性和低成本加工，因此也正为世界工业发达国家所重视，并已开始进入实用化阶段。随着超硬磨料磨具的应用和发展，高速大功率精密机床及数控技术、新型磨削液和砂轮修整等相关技术、以及磨削自动化和智能化等技术的发展，使超高速磨削和高效率磨削技术在机械制造领域具有更加重要的地位，发展前景广阔。我国应在现有条件下，大力加强各种新型超高速磨削技术的研究、推广和应用，对提高我国机械制造业的加工水平具有十分重要的意义。参考文献: 1孔宪玉 先进制造技术研究与发展 黑龙江科技信息2012 2牛景丽 陈东海 现代超精密加工机床的发展及对策 机床与液压2010 3李伯民 赵波 现代磨削技术 机械工业出版社 2003 4司国斌 张艳 精密超精密加工及现代精密测量技术 机械研究与应用2006 5刘启东 徐春广 超精密机床数控伺服系统及其控制机理-机床与液压2005 6侯亚丽 李长河 卢秉恒 超高速磨削相关技术与工业应用 2009 7赵恒华 王颖 磨削加工技术的发展及现状 制造技术与机床 2007 8冯宝富 超高速磨削技术在机械制造领域中的应用 东北大学学报2003 9左磊 浅谈高速及超高速磨削加工 科技视野2009 10荣烈润 面向21世纪的超高速磨削技术金属加工 2010 11庞子瑞 王晋生 超高速磨削的特点及其关键技术 机械设计与制造 2007

第三篇：发动机凸轮轴的磨削技术

汽车凸轮轴的磨削技术

简介：CBN砂轮磨削具有高效、高精度、低成本等显著优点，是凸轮轴磨削加工技术发展的必然趋势。依据多年实验研究的结果和相关技术文献，文章指出了国内在将凸轮轴的CBN磨削技术推向市场的过程中主要的制约因素，并提出了积极的建议，以期在凸轮轴加工中广泛采用CBN磨削技术，提高发动机整体的加工技术水平。凸轮轴作为发动机的关键零件之一，其加工质量的好坏直接影响发动机的动力特性；同时，凸轮轴又是一种非圆磨削的工关键字：刀具夹具切削铣削车削机床测量

CBN砂轮磨削具有高效、高精度、低成本等显著优点，是凸轮轴磨削加工技术发展的必然趋势。依据多年实验研究的结果和相关技术文献，文章指出了国内在将凸轮轴的CBN磨削技术推向市场的过程中主要的制约因素，并提出了积极的建议，以期在凸轮轴加工中广泛采用CBN磨削技术，提高发动机整体的加工技术水平。

凸轮轴作为发动机的关键零件之一，其加工质量的好坏直接影响发动机的动力特性；同时，凸轮轴又是一种非圆磨削的工件，其加工余量大且材料难磨，对磨削精度和生产效率要求都很高，加工难度比较大。因而，凸轮轴的磨削技术一直是业内人士关注的重点。如何提高磨削效率和加工质量是凸轮轴磨削急需解决的问题，主要应考虑如下几个■影响因素：

■机床的特性；

■凸轮轮廓磨削成形的方式； ■砂轮性能和冷却液；

■磨削工艺，包括修整工具及修整工艺。■国内外凸轮轴磨削技术发展现状

目前，国内多数轿车主机厂的凸轮轴生产线和专业生产凸轮轴的厂家均引进了CBN磨削技术，但仍有很多的载重汽车、柴油机和摩托车发动机的凸轮依然采用传统的刚玉砂轮、靠模仿形的磨削工艺。粗磨工序使用的是国产中低速磨床(35m/s以下)，精磨工序部分厂家使用进口磨床，但使用速度均在60m/s以下，修整工具以单点金刚石笔居多，进口磨床和少数国产磨床采用金刚石滚轮修整。这种传统技术给凸轮轴的磨削带来的问题主要体现在如下几个方面：

凸轮轮廓精度低且难以提高

采用靠模样板磨削，凸轮轮廓形状误差最小只能控制在±0.03mm范围内，而全数控无靠模磨削则可控制在±0.01mm内。另外，普通磨料砂轮在使用时，外径变化范围大(80～100mm)，而砂轮直径每变化1mm就会使凸轮轮廓产生0.007mm的变化，因而难以进一步提高凸轮轮廓精度。

凸轮表面易产生烧伤、裂纹等缺陷，很难提高生产效率

由于凸轮磨削余量大且材料难磨，普通磨料砂轮的性能很难适应，磨削质量和生产效率两者往往不能兼顾。

综合经济效益不高

普通磨料砂轮的耐用度和使用寿命低，需频繁修整或更换，使修整工具损耗加快，辅助时间和劳动强度增加，既影响了生产效率，又加大了生产成本。另外，砂轮用量大，其质量波动也影响了磨削工艺的稳定性，又因大量磨削残物的产生，增加了磨削液的过滤清理量，对环境造成一定的污染。

CBN磨削技术的应用，使传统凸轮轴磨削过程中的难题迎刃而解。十几年前，有关使用CBN砂轮磨削凸轮轴的报导只在有限的国外文献中见到。在大规模工业化生产中，使用CBN专用数控凸轮轴磨床磨削凸轮轴的技术在某些西方发达国家也刚刚进入实用阶段。紧跟世界先进制造技术发展的潮流，郑州磨料磨具磨削研究所于20世纪90年代初，在国内率先自主研究开发了用于汽车凸轮轴磨削的陶瓷结合剂CBN砂轮，在国产普通高速（60m/s）强力凸轮轴磨床上粗磨冷激铸铁凸轮轴，取得了良好的使用效果。但由于受到当时机床条件和砂轮制造技术的限制，还没能达到更理想的效果。至90年代中期，工业化国家的多数汽车制造厂均已采用了CBN砂轮磨削凸轮轴，国内主要的轿车生产线上也陆续引进了这项技术。它是以CBN专用数控CNC凸轮轴磨床、高速及高性能陶瓷CBN砂轮、专用磨削液、修整滚轮和磨削工艺整套技术的形式引进的。该技术的主要特点是：砂轮使用速度高（80～125m/s），加工效率高（工件由毛坯粗、精磨一次完成，效率是普通砂轮的2～3倍）。随着凸轮轴的CBN磨削技术及其专用磨床的不断引进，国内研究的CBN专用高速数控凸轮轴磨床也即将进入市场。对此，在完善国产磨床用CBN砂轮粗磨凸轮轴技术，积极研究用CBN砂轮精磨凸轮轴的同时，郑州磨料磨具磨削研究所又开始研制为进口CBN专用数控凸轮轴磨床配套的高速、高效陶瓷CBN砂轮，并已取得了一定成果。研制的砂轮使用速度为80m/s，耐用度和寿命相当于进口砂轮的1/2，而价格只有进口砂轮的1/3。研制的陶瓷CBN砂轮与同类进口砂轮相比，主要差距在于耐用度、寿命和产品质量稳定性偏低，不能完全替代进口砂轮在凸轮轴生产线上连续使用。为了迎头赶上这种快速发展的技术水平，近两年，郑州磨料磨具磨削研究所又研发成功了使用速度为125m/s的磨凸轮轴陶瓷CBN砂轮，其使用速度、磨削效率、磨削质量均达到进口同类产品水平，具有很高的性价比，产品质量稳定质量，完全可以替代进口。这些都表明我国CBN砂轮的制造和应用技术已达到了新的水平。

凸轮轴的CBN磨削技术要素

工业化国家在研发CBN磨削技术时的一个显著特点是将CBN磨料、磨具、磨床和磨削工艺作为一个系统工程来进行的。如美国在20世纪90年代初，为解决凸轮轴的CBN磨削技术，联合了GE公司(CBN磨料)、Norton公司(磨具)和Landis公司(磨床)三家本行业的顶级公司共同攻关。他们最终是以高速CBN砂轮、高速数控CBN专用磨床和CBN磨削工艺一整套技术提供给市场。

在凸轮轴的磨削系统中，必须同时考虑到CBN砂轮制造和应用技术所涉及的各方面的影响因素，才会最终得到令人满意的磨削结果。凸轮轴CBN磨削技术的重要影响因素主要有：

CBN砂轮

性能优越的砂轮必须同时具备磨削锋利、自锐性好和耐用度高等特征。在制造和选择砂轮时主要考虑结合剂、磨料、砂轮浓度和磨具硬度。

结合剂

在CBN磨具的四种结合剂(树脂、陶瓷、金属、电镀)中，以陶瓷结合剂的CBN磨具发展最快。在世界范围内，陶瓷CBN磨具的比例已由20世纪80年代的4%上升到现在的50%以上，增速迅猛。由于陶瓷CBN磨具具有磨削效率高、形状保持性好、耐用度高、易于修整、磨料利用率高(为75%以上，其余类型结合剂为50～60%)、砂轮使用寿命长等优势，因而成为高效、高精度磨削的首选磨具。目前，用于凸轮轴磨削的CBN砂轮全部采用陶瓷结合剂。Mli>磨料选择

在磨削加工中，磨料是磨具中的主体，其性能好坏直接影响磨削效果。CBN磨料与刚玉磨料相比，具有更高的硬度和强度，因而切削锋利且耐磨。在凸轮轴加工这样高强度的磨削情况下，使用CBN磨料是最佳选择。不同牌号的CBN磨料，因制造工艺的不同，其晶体形态、颗粒形状也各不相同，它们各自具有不同的强度、热稳定性、耐化学侵蚀性和破碎特性。应根据结合剂的种类、磨削工件和磨削方式的不同，选择不同牌号的磨料。需要指出的是，CBN磨料在高温下易与水和碱性氧化物发生化学反应而使其结构受到破坏，这是在选择磨削液的种类、压力和流量时必须考虑的因素。

浓度

砂轮浓度的高低表示在磨削时砂轮工作面单位面积上参加磨削的磨粒数的多少，高浓度可带来高的磨削比，200%浓度比100%浓度砂轮寿命长4～5倍。目前，高速、高效磨削均采用较高的砂轮浓度，如进口磨凸轮轴磨床配套的陶瓷CBN砂轮浓度一般均为200%。

硬度

磨具的硬度等级表示结合剂对磨料把持力的大小，它是制造商工艺控制的重要指标，也是用户选择磨具性能的主要参数。砂轮硬度均匀和稳定及硬度高低的合理选择是保证磨削质量的重要前提。国外陶瓷CBN砂轮一般有3～7个硬度等级可供选择，国内目前尚未制订CBN砂轮(包括金刚石磨具)的硬度检验标准，制造商仅以配方硬度进行控制。磨床

砂轮作为以磨床为中心的磨削体系中的一个附件，只有通过磨床所具有的优异特性并优化各种磨削参数，才能最大限度地发挥优势，对CBN磨削来说尤其如此。

高速度

提高砂轮的工作线速度可明显提高磨削效率和磨削比，降低磨削力，从而降低磨削成本。如使用陶瓷CBN砂轮磨削凸轮轴，当砂轮速度从80m/s提高到160m/s时，磨削时间相同，则修整间隔(耐用度)增加2倍；当砂轮速度由35m/s增加至60m/s时，在不同的单位金属去除率(Q'w)情况下，法向磨削力(F'n)均减小1/3左右。CBN砂轮因其结构特点及CBN磨料的特性，为高速、超高速磨削提供了可能。80～125m/s的使用速度已成为目前国内进口的CBN专用凸轮轴磨床基本特征之一。在条件允许的情况下，使用尽可能高的速度是提高CBN磨削的技术性和经济性的重要前提。

机床的高刚性和抗震性

高速磨削和CBN砂轮磨削的特点，要求机床主轴和整体要具有很高的刚性和良好的抗震性，从而保证磨削工件的精度和表面质量，这是CBN高速磨削技术中对磨床的基本要求。不具备这些条件，在使用CBN砂轮时，要想获得更高的金属去除量，工件的几何精度和表面质量就会变差。波纹是常见的表面质量缺陷，它是由振动产生的。引起振动的原因有多种，包括机床刚性低、抗震性差、机床共振或砂轮参数设计不合理造成磨削力过大等。有资料显示：机床的刚度应不小于100N/0.001mm的数量级为好。修整

使用金刚石滚轮修整，不仅可提高修整效率，更重要的是可获得较好的砂轮形貌。使用其他修整工具，很难完成对高硬度砂轮表面的修整。修整装置的进给精度要高，每次进给量应在mm级，过量的修整既影响磨削质量又会大大减少砂轮使用寿命。修整速比Vr /Vc是修整工艺中一个重要的参数，它的改变会使砂轮表面形貌显著变化，并最终影响到工件的表面质量。

冷却液

在磨削过程中，90%以上的能量转化为热能，这些热必须被冷却液最大限度地吸收，否则工件就会被烧伤。对CBN砂轮来讲，还要考虑CBN磨料与水在高温下所产生的化学反应对磨料的破坏。正确选择冷却液种类和冷却工艺参数，往往会收到事半功倍的效果。不同的冷却液，会使砂轮的磨削比相差几倍甚至十几倍。表5为冷却液对CBN砂轮的影响，结果表明砂轮在磨削过程中的机械磨损、化学侵蚀和热损伤的程度与冷却效果密切相关。问题和建议

目前，国内在将凸轮轴的CBN磨削技术推向市场的过程中的制约因素主要体现在如下几个方面：

进口的磨床和配套的CBN砂轮价格昂贵，磨床价格是国内普通凸轮轴磨床的10倍左右，是国内研制同类磨床的3～4倍；进口CBN砂轮的价格是国内同类砂轮的3～5倍，使得在国内市场的进一步推广受到成本方面的制约。

国产凸轮轴加工用的磨床大多数速度低，其精度、刚性、抗振性、修整、冷却等条件均不能满足使用CBN砂轮的要求。因此，在使用CBN砂轮时，往往得不到期望的效果。

国内CBN砂轮的主要磨削性能已达到国外同类产品水平，只是在砂轮的耐用度、使用寿命和质量稳定、适应性方面略低，但价格较低，因而有着较高的性价比，其技术和经济性已为国内许多汽车主机厂和配套厂所认可，但仍需进一步提高CBN砂轮制造技术水平。

新技术宣传力度不够，部分企业因循守旧，对新工艺的需求不强烈，对提高生产效率和加工质量不重视，是这项技术推广的外部制约因素。建议

加快开发国产CBN专用高速数控凸轮磨床，重点解决其刚性和抗振性的关键技术，首先使80m/s的磨床尽快投放市场，使其技术性和经济性能满足大多数中小企业的需要。在此基础上，再开发速度更高、性能更完善的产品。

CBN砂轮的研究应立足于提高性能、完善工艺、稳定质量和批量化生产。应加强基础理论研究和专用设备的研发。通过为进口磨床配套砂轮的研制解决其制造的关键技术，满足进口砂轮国产化的需要。同时，考虑到目前国产凸轮轴磨床的技术现状，在CBN砂轮制造技术参数的设计上尽量满足这部分磨床使用CBN砂轮的要求，使CBN磨削尽可能地发挥最大效果。

在磨床、磨具制造和用户之间建立紧密联系，加强沟通和协作，共同促进CBN磨削技术的不断提高。

第四篇：无损超声技术报告

无损超声检测技术（Ⅰ级）无损检测综合知识 1.1 材料的无损检测

1.1.1 无损检测的定义：不破坏材料的外形和性能的情况下，检测该材料的内部结构（组织与不连续）和性能，该技术称为无损检测。英文全称：Non Destructive Testing(NDT)1.1.2 常用无损检测方法

* 射线检测：Radiographic Testing(RT)* 射线的种类与本质： χ射线、γ射线和中子射线。χ射线和γ射线与无线电波、红外线、可见光、紫外线一样，都是电磁波；而中子射线是粒子。* X射线的产生：X射线管

* γ射线的产生：γ射线是放射性原子核在衰变时放射出来的电磁波。放射性衰变。射线检测：原理、方法与应用

* χ射线和γ射线通过物质时其强度逐渐减弱。强度衰减公式： I＝I0e-μx * 利用射线透过物体时产生的吸收和散射现象，检测材料中因缺陷存在而引起射线强度改变的程度来探测缺陷的方法称为射线检测。利用胶片感光显示缺陷的方法称为射线照相法。* 检测技术类型：照相法；荧光屏法；工业电视法； * 检测对象类型：金属；非金属。焊缝；铸件。

* 检测缺陷类型：裂纹；气孔；未焊透；未融合；夹渣；疏松；冷隔等。检查对接焊缝中的单个气孔，用射线方法比用超声方法好。超声检测：Ultrasonic Testing(UT)* 超声波的本质：机械波，它是由于机械振动在弹性介质中 引起的波动过程，例如水波、声波、超声波等 * 超声波的类型：纵波和横波 表面波（瑞利波）、板波 * 超声波的性质：

（1）声速：与材料性质有关、与波的种类有关（2）波的叠加、干涉及驻波（3）反射、折射和波型转换# 超声检测：原理、方法与应用 * 超声波的产生：仪器、探头 * 超声波与工件的接触：耦合剂

* 超声波在工件内的传播与反射、波的接收

* 超声波检测原理：探头发射的超声波通过耦合剂在工件中传播，遇到缺陷时反射回来被探头接收。根据反射回波在荧光屏上的位置和波辐高低判断缺陷的大小和位置。

* 超声检测技术的特点：应用范围广；穿透能力大；设备轻便；定量不准确；定性困难。* 检测技术类型：纵波法；横波法；表面波法；板波法，… * 常用检测方法：穿透法；反射法；串列法；液浸（聚焦）法；...* 检测对象类型：金属；非金属。焊缝；板件；管件；锻件。* 检测缺陷类型：面缺陷；体缺陷。定性困难。* 数字化、智能化发展前景宽广。磁粉检测: Magnetic Testing(MT)* 漏磁场：铁磁材料磁化时磁力线由于折射而迤出到材料表面所形成的磁场称为漏磁场 * 剩磁：铁磁材料磁化时所具有的磁性在磁化电流取消后继续存在的性质称为剩磁 * 铁磁材料在磁场中被磁化后，缺陷处产生的漏磁场吸附磁粉而形成磁痕。磁痕的长度、位置、形状反映了缺陷的状态。

* 磁粉检测技术的特点：检测表面和近表面缺陷；铁磁材料； * 常用检测方法：剩磁法；连续法。* 检测对象类型：铁磁材料。焊缝；钢板；钢管；螺栓等...* 检测缺陷类型：裂纹；夹渣等...。

渗透检测：Penetrate Testing(PT)* 分子压强与表面张力：每一个离液面的距离小于分子作用半径r的分子，都受到一个指

向液体内部的力的作用。而这些表面分子及近表面分子组成的表面层，都受到垂直于液面且指向液体内部的力的作用。这种作用力就是表面层对整个液体施加的压力，该压力在单位面积上的平均值叫分子压强。分子压强是表面张力产生的原因。

* 液体润湿：液体铺展在固体材料的表面不呈球形，且能覆盖表面，此现象称液体润湿现 象。

* 毛细现象：润湿液体在毛细管内的自动上升或下降称为毛细现象。渗透检测：原理、方法与应用

* 具有润湿作用的渗透剂在毛细管作用下渗入表面开口缺陷。在显象剂作用下由于毛细管作用渗入到开口缺陷内的渗透剂被析出表面形成痕迹。* 渗透检测基本操作过程

* 渗透检测技术的特点：检测表面开口缺陷； * 常用检测方法：着色法；荧光法。* 检测对象类型：金属与非金属材料。* 检测缺陷类型：裂纹。

涡流检测：Eddy Current Testing(ET)* 由于电磁感应金属材料在交变磁场作用下产生涡流。* 金属材料中存在的裂纹将改变涡流的大小和分布，分析这些变化可检出铁磁性和非铁磁 性材料中的缺陷。

* 涡流可用以分选材质、测膜层厚度和工件尺寸以及材料的某些物理性能等。* 涡流检测技术的特点：适用于导电材料；检测近表面缺陷。* 常用检测方法：穿过式线圈；内通过式线圈；探头式线圈。* 检测对象类型：金属与非金属材料。* 检测缺陷类型：裂纹。# 1.1.2 常用无损检测方法的应用

一、应用的部门

航空、航天、机械、核工业、汽车制造、船舶、电子、钢结构、商检、进出口等。

二、应用的对象（1）缺陷探伤（2）厚度测量（3）性能测试 1.1.3 常用无损检测方法的范围及局限性 方法 应用范围 局限性

RT 各类材料的内部缺陷 表面缺陷较难发现 UT 大厚度金属和部分非金属材料的内部缺陷 仅限于弹性介质 MT 表面和近表面缺陷 仅限于磁性介质 PT 金属和部分非金属 仅限于表面开口缺陷 材料的表面缺陷 ET 表面和近表面缺陷 仅限于导电材料 1.2 材料 1.2.1 材料的性能

一、力学性能

（1）金属材料的静拉伸力学性能 * 强度：金属抗拉永久变形和断裂的能力

* 塑性：又称范性，断裂前材料发生不可逆永久变形的能力 * 韧性：金属在断裂前吸收变形能量的能力（2）金属材料的弹性性能 * 弹性（虎克定律）：

（3）金属材料在静加载下的力学性能 * 扭转性能 * 弯曲、压缩性能 * 硬度

（4）金属材料的冲击性能（5）金属材料的疲劳性能（6）金属材料的蠕变性能

二、物理性能

（1）密度、比热量、磁性、导电性、导热性等（2）光学性能（3）声学性能 # 1.2.3 金属材料中的各种缺陷及不连续性

一、不连续性：金属或合金内部结构的不均匀变化，称为不连续性。材料内结构的不连续对材料性能有影响。

二、缺陷：对金属材料的性能造成破坏的不连续性称为缺陷。因此不能简单的说：不连续就是缺陷。1.3 加工及缺陷

一、最初加工过程及相关缺陷

（1）铸造：将熔融金属浇注入铸型型腔，冷却后形成工件的加工过程；

常见的铸造缺陷：气孔、缩孔、疏松、冷裂、热裂、冷隔、偏析、夹杂。（2）塑性加工：锻、轧、拔、钣金等

常见的塑性加工缺陷：裂纹、折叠、分层、白点（氢脆）

二、制造加工过程及相关缺陷

（1）焊接：通过加热或加压，使填充材料熔化、冷却将工件连接在一起的加工方式称焊接；

常见的焊接缺陷：气孔、夹渣、未融合、未焊透、裂纹、夹珠、钨夹杂（2）表面加工：车、铣、刨、镀、磨、喷丸、吹砂等 常见的表面加工缺陷：氢脆

（3）热处理：对金属材料加温并用不同方法冷却使其组织结构发生的方法称热处理； 常见的热处理缺陷：淬裂（4）其他热加工工艺：粉末冶金等 1.4 在役中的材料 1.4.1 在役中材料的行为

受力、受压、高低温、摩擦、腐蚀...1.4.2 在役工况导致缺陷和失效

一、腐蚀：腐蚀裂纹、腐蚀坑、腐蚀减薄

二、疲劳：疲劳裂纹、疲劳断裂

三、磨损：材料减薄、摩擦裂纹

四、过负载：变形、断裂

五、脆性断裂：镉脆、氢脆

1.4.3 金属中破裂发展的概念

一、缺陷的形成（应力集中）

二、缺陷的发展（载荷）

三、断裂 # 1.5 无损检测人员管理

* 持有NDT Ⅰ级证书的人员有资格按照NDT指导书，并在II级和III级人员的监督下进行NDT操作。I级人员应能：（a）调整设备；（b）进行检测；

（c）按照文件提供的验收标准进行记录并对检测结果分类；（d）按检测结果写出检测报告。* Ⅰ级人员不应负责选择检测方法或技术。2 超声检测物理基础 2.1 声的特性及机械波的传播

* 物体在一定位置附近作来回重复的运动，称为振动。例如弹簧振子的振动。振动产生机

械波，机械波在弹性介质内传播。机械波的振动频率在每秒20次---20000次之间时，人的耳朵就能听到成为声。所以声波就是机械波的一部分。* 声的特性

① 声的产生条件：声源和传播声的弹性介质； ② 声波具有反射、折射、衍射等光学性质； ③ 声波在异质界面上发生波形转换； ④ 声的传播速度是与材料、波形、温度有关的参数。2.2 频率、振幅、波长和声速的概念

* 物体在弹性力作用下发生的谐振动规律可用下是式表示：

x＝Acos（ωt＋φ)* 振幅A，振动质点离开平衡位置的最大位移;* 频率f，单位时间内质点振动的次数。单位为次／秒，记为“赫”（Hz）;* 波长λ，波的传播方向上相位相同的两质点之间的距离。可用公式λ ＝C/f 计算，式 中C为声速。

* 在介质中超声波传播的传播速度（即声速）与质点的振动速度是不同的。在同一固体介质中，纵波、横波、表面波的传播速度都是不同的。2.3 声阻抗

* 声阻抗表示声场中介质对质点振动的阻碍作用； * 声阻抗的计算：Z＝ρc； * 声波在二种介质的界面上垂直入射时的相对透过率和反射率取决于二种介质的声阻抗 比。

2.4 声波的类型

* 纵波：介质质点的振动方向和波的传播方向相同的声波称为纵波，用符号“L”表示。波速用CL表示。* 横波：介质质点的振动方向和波的传播方向垂直的声波称为横波又称切变波，用符号“S”表示。波速用CS表示。横波探伤最适用于焊逢、管材探伤。

* 波动的形式(波形)可以分为球面波，平面波、柱面波等。

* 固体介质表面的质点发生纵向振动和横向振动，两种振动合成为椭圆振动，椭圆振动在 介质表面传播，这种波称为表面波，用符号“R”表示。* 在板状介质中传播的弹性波称为板波，又称兰姆波。2.5 超声波在二种不同介质面上的行为 2.5.1 超声波的反射和折射

* 超声波在二种不同介质的界面上垂直或倾斜入射时，在第一介质内产生反射回波的性质 称为反射。

* 超声波在二种不同介质的界面上倾斜入射时，在第二介质内产生方向改变的入射波称为 折射，该入射波称为折射波。2.5.2 超声波的波型转换

* 超声波在倾斜入射时发生波型转换，即入射的纵波在反射或折射时会转换成纵波、横 波二种波；入射的横波在反射或折射时会转换成横波、纵波二种波。* 波型转换与介质的类型有关。2.5.3 超声波的衰减

* 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱的现象叫做超声波的衰 减。

由声束扩散引起的超声波衰减称为扩散衰减。

* 声束在不同声阻抗介质的界面散射引起的衰减叫做散射衰减。* 由介质吸收引起的超声波衰减称为吸收衰减。

* 由材料表面粗糙度、表面曲率大小和表面附着物等因素所引起的超声波的衰减称为耦合衰减。2.6 压电效应和探头 2.6.1 压电效应与压电材料

* 某些单晶体和多晶体陶瓷材料在应力（压缩力和拉伸力）作用下产生异种电荷向正反两

面集中而在晶体内产生电场，这种效应称为正压电效应。相反，当这些单晶体和多晶体陶瓷材料处于交变电场中时，产生压缩或拉伸的应力和应变，这种效应称为负压电效应，如图所示。* 负压电效应产生超声波，正压电效应接收超声波并转换成电信号。

* 常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTi03）、锆钛酸铅（PZT）、钛酸铅（PbTiO3)、偏铌酸铅（PbNb2O4）等。2.6.2探头的编号方法

2.5 P 20 Z 5 Q 6×6 K3 | | | | | | | | 频率 材料 直径 直探头 频率 材料 矩形 K=3 材料： P-锆钛酸铅；B-钛酸钡；T-钛酸铅；L-铌酸锂；I-碘酸锂；N-其他 探头类型： Z-直探头； K-斜探头； SJ-水浸探头； FG-分隔探头； BM-表面探头； KB-可变角探头； 2.6.3 探头的基本结构

* 压电超声探头的种类繁多，用途各异，但它们的基本结构有共同之处，如图所示。它们一般均由晶片、阻尼块、保护膜（对斜探头来说是有机玻璃透声楔）组成。此外，还必须有与仪器相连接的高频电缆插件、支架、外壳等。

* 脉冲重复频率是指超声波探伤仪在单位时间里所产生的脉冲数目；探伤频率是指在电脉冲作用下晶体每秒钟振动的次数，二者不可相提并论。

2.6.4 直探头

一、直探头的保护膜

* 压电陶瓷晶片通常均由保护膜来保护晶片不与工件直接接触以免磨损。常用保护膜

有硬性和软性两类。氧化铝（刚玉）、陶瓷片及某些金属都属于硬性保护膜，它们适用于工件表面光洁度较高、且平整的情况。用于粗糙表面时声能损耗达20～30dB。* 软性保护膜有聚胺酯软性塑料等，用于表面光洁度不高或有一定曲率的表面时，可改善声耦合，提高声能传递效率，且探伤结果的重复性较好，磨损后易于更换，它对声能的损耗达6～7dB。

* 保护膜材料应耐磨、衰减小、厚度适当。为有利于阻抗匹配，其声阻抗Zm应满 足一定要求。

* 试验表明：所有固体保护膜对发射声波都会产生一定的畸变，使分辨率变差、灵敏度降低，其中硬保护膜比软保护膜更为严重。因此，应根据实际使用需要选用探头及其保护膜。与陶瓷晶片相比，石英晶片不易磨损，故所有石英晶片探头都不加保护膜。

二、直探头的吸收块

为提高晶片发射效率，其厚度均应保证晶片在共振状态下工作，但共振周期过长或晶片背面的振动干扰都会导致脉冲变宽、盲区增大。为此，在晶片背面充填吸收这类噪声能量的阻尼材料，使干扰声能迅速耗散，降低探头本身的杂乱的信号。目前，常用的阻尼材料为环氧树脂和钨粉。#

三、直探头的晶片

晶片产生和吸收超声波，常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTi03）、锆钛酸铅（PZT）、钛酸铅（PbTiO3)、偏铌酸铅（PbNb2O4）等。2.6.5 斜探头

一、结构与类型

二、透声楔

斜探头都习惯于用有机玻璃作斜楔，以形成一个所需的声波入射角，并达到波型转换的目的。一发一收型分割式双直探头和双斜探头也都以有机玻璃作为透声楔，这是因为有机玻璃声学性能良好、易加工成形，但它的声速随温度的变化有所改变又易磨损，所以对探头的角度应经常测试和修正。水浸聚焦探头常以环氧树脂等材料作为声透镜材料。

三、晶片的厚度

压电晶片的振动频率f即探头的工作频率，它主要取决于晶片的厚度T和超声波在晶片材料中的声速。晶片的共振频率（即基频）是其厚度的函数。可以证明，晶片厚度T为其传播波长一半时即产生共振，此时，在晶片厚度方向的两个面得到最大振幅，晶片中心为共振的驻点。

双晶斜探头对钢板内的夹层缺陷比较敏感容易发现，而对有圆弧面的近表面气孔不易发现。2.6.7 探头的功能

使用压电材料制成的探头，要得到最佳的检测效果，必须考虑探头与仪器之间有良好的阻抗匹配。2.7 声场 2.7.1 声场

* 充满超声波的空间称为声场。声场中声能大小通常用空间的声压值表示。

* 声压P有若干极大值与极小值，最后一个声压极大值至声源的距离称为近场长度N，该范 围的声场叫做近场。

* 声压P有若干极大值与极小值，最后一个声压极大值至声源的距离称为近场长度N，该范围的声场叫做近场。

* 当RS »λ时，λ/4可以忽略，故： Rs2 Ds2 Rs ：探头晶片半径 N=-----=------Ds ：探头晶片直径 λ 4λ * 声源的距离≥3N的声场称为远场。2.7.2 声场的扩散

* 声束在传播过程中呈发散状态，离声源近的地方声能强，离声源远的地方声能弱；声束 在1.64N处开始发生扩散；

* 声束的形状与声源的形状有关，下图是方片与矩形片的声场形状。

* 声场的扩散性用半扩散角描述，θ0称为半扩散角，也称为指向角，2θ0范围内的声束叫做主声束； * 声束集中向一个方向辐射的性质，叫做声场的指向性。指向角θ0愈 小，主声束越窄，声能量越集中，则探测灵敏度就越高，方向性越好，从而可以提高对缺陷的分辨力和准确判断缺陷的位置。2.7.3 声束的聚焦与发散

* 声束可以通过声透镜聚焦而做成聚焦探头，它可以聚集能量。但无论采用哪种聚焦方法，都不能把声束聚成一个很小的点。

* 声波从水通过曲表面进入工件时，声束在金属工件内将收敛(如果工件是凹面的)或发 散(如果工件是凸面的)。* 聚焦探头计算公式： C1 F= R(-------------)C1-C2 式中：F---聚焦探头的焦距；C1----第一介质纵波声速；C2---第二介质纵波声速； R---声透镜曲率半径。3 超声检测方法与耦合 3.1 穿透法

* 穿透法是依据脉冲波或连续波穿透试件之后的能量变化来判断缺陷情况的一种方法，如 图所示。

* 穿透法常采用两个探头，一个作发射用，一个作接收用，分别放置在试件的两侧进行探

测，图中显示三种情况：无缺陷时的波形；缺陷阻挡部分声束时的波形；缺陷阻挡全部声束时的波形。3.2 脉冲反射法

超声波探头发射脉冲波到被检试件内，根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法，称为脉冲反射法。3.3 共振法

若声波（频率可调的连续波）在被检工件内传播，当工件的厚度为超声波的半波长的整数倍时，将引起共振，仪器显示出共振频率，若工件内存在缺陷则共振频率发生变化，利用共振频率之差，判断工件内部状态的方法称为共振法。航空航天器上常用胶接结构，脱胶处常用共振方法检测。3.4 耦合介质

一、概念

* 为了排除探头与工件表面之间的空气，在探头与工件表面之间施加的一层透声介质 称为耦合剂。

* 耦合剂的作用在于排除探头与工件表面之间的空气，使超声波能有效地传入工件达 到探伤的目的。此外耦合剂还有减少摩擦的作用。

二、耦合效果与声阻抗有关，声阻抗大耦合性能好。三、耦合介质的种类

* 甘油声阻抗高，耦合性能好，常用于一些重要工件的精确探伤，但价格较贵，对工件有腐蚀作用。* 水玻璃的声阻抗较高，常用于表面粗糙的工件探伤，但清洗不太方便，且对工件有腐蚀作用。* 水的来源广，价格低，常用于水浸探伤，但易使工件生锈。

* 机油和变压器油粘度、流动性、附着力适当，对工件无腐蚀、价格也不贵，因此是目前应用最广的耦合剂。

* 超声波探伤中常用耦合剂有机油、变压器油、甘油、水、水玻璃等。它们的声阻抗Z如下：

耦合剂 机油 水 水玻璃 甘油 Z×106kg/m2 ·s 1.28 1.5 2.17 2.43 * 此外，近年来化学浆糊也常用来作耦合剂，耦合效果比较好。

* 影响耦合的主要因素有：耦合层的厚度，耦合剂的声阻抗，工件表面粗糙度和工件形状。4 检测设备

4.1 A型模拟超声波探伤仪(CTS-9006PLUS型为例)* A型扫描显示中，从荧光屏上直接可获得缺陷回波幅度（表示声能的大小）和缺陷的位 置等信息。

* A型超声探伤仪垂直线性取决于仪器放大功能的好坏而与探头与仪器的匹配无关。* A型超声探伤仪水平线性的好坏直接影响到缺陷的定位而对缺陷大小的判断无关。* A型扫描显示中，“盲区”是指由于仪器原因造成一定范围内不能探到缺陷的区域，它与近场区不能探到缺陷性质是不同的。

* A型扫描显示中，水平基线代表声波传播的时间或距离。CTS-22型仪左面板 CTS-22型仪右面板 其他模拟超声波仪器 4.2 B型和C型超声波探伤仪

* B型显示超声波探伤仪能显示扫查方向的截面上的图象； * C型显示超声波探伤仪则能显示扫查面上的投影图象。4.3 数字超声波探伤仪 其他数字超声仪 4.4 袖珍数字式超声测厚仪 检测系统的校准 5.1 试块简介 5.1.1 试块的用途 * 测试或校验仪器和探头的性能； * 确定探测灵敏度和缺陷大小； * 调整探测距离和确定缺陷位置； * 测定材料的某些声学特性。5.1.2 试块的分类（主要分二类）*

标准试块

* 对比试块（参考试块）

其他叫法：校验试块、灵敏度试块；平底孔试块、横孔试块、槽口试块；锻件试块、焊缝试块等。1.荷兰试块

* 1955年荷兰人提出；1958年国际焊接学会通过并命名为IIW试块；ISO组织推荐使用。* 类似的有：中国CSK-IA、日本STB-A1、英国BS-A、西德DIN54521…… 2.CSK-IA试块：中国的改型试块

CSK-IA试块的主要用途： ① R50、R100圆弧：

扫描线比例校准； ② 上下表面刻度：斜探头K值校准；

③ φ50、φ

44、φ40孔：斜探头分辨率测定； ④ 89、91、100mm 台阶：直探头分辨率测定； ⑤ φ50孔：盲区测定。3.CSK-IIA / CSK-IIIA 5.2 仪器扫描线（速度）比例校准（1）直探头扫描线校准

将直探头放于CTS-IA试块的100厚度上，取第一底面反射回波，通过距离调节按钮使该回波在100mm位置上即可。

（2）斜探头扫描线校准

* 斜探头调整仪器扫描线比例是为了识别缺陷波和判定缺陷位置。

一、入射点、前沿测试

* 如图，斜探头入射到R100圆弧上，左右移动探头找到最大反射回波；如果试块上有圆心

刻度，则刻度对应处为入射点；如果试块上无圆心刻度则用钢尺量，使钢尺100处对准试块圆弧端，钢尺0点即为入射点；使钢尺0点对准探头前端点，差值即为前沿。

* 斜探头入射点会改变，其主要原因是楔块长期磨损变薄，所以要经常测试入射点。

二、斜探头K值测试

* 如图，斜探头分别入射到试块的二个圆上，左右移动探头找到最大反射回波；探头入射点所对应的刻度即K。

三、声束偏转角测定

* 概念：主声束中心线与声轴间的夹角称为声轴偏转角。

* 测定：探头置于试块面上，旋转移动找到最大回波，测定探头中心线与试块上表面垂线 间的夹角。

录象：入射点、前沿、斜探头K值测试

四、按声程1：1调节

概念：仪器荧光屏水平线表示声波走的实际声程；

方法：斜探头放于CTS-IA试块的R100、R50处，找到最大回波，分别放于100、50刻度处。

五、按深度1：1调节

六、概念：仪器荧光屏水平线表示声波走的实际声程的垂直 投影，即深度值；

方法：斜探头放于CTS-IA试块的R50、R100处，找到最大回波，分别放于h1、h2刻度处。h1、h2根据K值计算。

六、按水平1：1调节

概念：仪器荧光屏水平线表示声波走的实际声程的水平投影，即水平值；

方法：斜探头放于CTS-IA试块的R50、R100处，找到最大回波，分别放于L1、L2刻度处。L1、L2根据K值计算。

应用

6.1 焊缝检测程序：

⑴ 斜探头基本参数测定：入射点、前沿、K值（测量三次取平均值）⑵ 扫描速度调节（通常按深度调节）⑶ 灵敏度确定：

* 确定探头灵敏度最常用的方法是用人工缺陷反射信号的幅值来确定。

焊缝检测常用横孔作为人工缺陷，制作出距离-波幅曲线，依此对缺陷作出判断。焊缝检测用的距离-波幅曲线有二种：分贝曲线、面板曲线。

* 超声检测系统的灵敏度取决于探头、脉冲发生器和放大器（仪器）。分贝曲线 * 在对接焊缝超声波探伤中，若要计入表面补偿6dB，“距离一分贝”曲线的三条线同时下 移 6dB。

* JB4730-94标准中规定用于制作“距离--波幅”曲线的试块是： CSK-IIA和CSK-IIIA 面板曲线

⑷ 检测（扫描）技术

* 声波与入射面垂直时得到最大的反射回波，如果被检工件的上下两平面不平行，工件中 缺陷信号幅值将不会显示。

* 必须选择入射声波与缺陷面的入射角度。

* 由于气孔通常是圆球形的，其反射波是发散的，所以超声波探测气孔时，反射波较低。

* 超声波垂直入射到表面粗糙的缺陷与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，能量损失大。

* 用超声波检查板厚100mm以上的焊缝中垂直表面的裂纹，采用最有效的方法是串列法。

⑸缺陷定位、定量

* 深度定位

* 当量法定量 ⑹ 记录与报告

7.法规、标准、技术条件和规程

7.1 与超声检测特别有关的法规、标准和技术条件

（1）GB/T 11345-89 钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果的分级（2）GB/T 29712-2013（3）GB/T 29711-2013（4）GB 50205-2001

7.3 检测规程

7.3.1 检测规程制定和执行程序

① 无损检测工程师和无损检测 III 级人员具有制定检测规程的资格； ② 制定-审核-批准-使用 修定-审核-批准-使用 7.3.2 检测规程类型 ① 通用规程： 内容 实例

* 被检件相关参数 * 检测与验收标准 * 人员资格 * 设备与器材（仪器型号、探头、耦合剂等）* 方法与技术（采用、扫查方式）* 其他事项 7.3.3 工艺卡 ②专用工艺规程

针对某一具体检测对象制定的工艺程序 ③工艺卡

一、工艺卡的生成

表格形式集中显示专用工艺规程中的工件参数、工艺参数，验收依据等数据，是操作者的工作依据。

二、工艺卡的执行和修订

三、根据工艺卡进行检测 8.结果的记录和评定

8.1 记录：记录实际操作的工艺参数 表格的填写 8.2 评定： 8.3 报告：表格的填写

第五篇：超声相控阵技术细谈

航空无损检测新技术之

超声相控阵技术的发展及应用

学院：测试与光电工程学院 班级：080812班 姓名：郭林

超声相控阵技术的发展及应用

郭林

(南昌航空大学 测试与光电工程学院0808012班)

摘要: 扼要介绍超声相控阵技术的发展历史、原理及特点。着重介绍其最新研究动态及其在无损检测与评价中的典型应用。指出将相控阵技术同其它诸如纵波一发一收(TRL)、声时衍射(TOFD)技术、数字信号处理(DSP)及成像等技术结合起来,将有助于充分发挥其特点,提高其检测能力,促进无损检测与评价的发展及应用。

关键词: 超声检验;相控阵技术;换能器;

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： 超声检测是根据超声波在材料中传播特性，检测材料中的缺陷。向工件中发射超声波；超声波在工件中传播，遇到缺陷，传播特性改变，检测变化后的超声波，并进行处理和分析；根据接收波的特征，评估工件内存在缺陷的特性。在超声无损检测新技术中，大概有相控阵检测技术、电磁超声检测技术、激光超声检测技术、声振检测技术等。其中超声相控阵技术已有近20 多年的发展历史。初期主要应用于医疗领域,医学超声成像中用相控阵换能器快速移动声束对被检器官成像利用其可控聚焦特性局部升温热疗治癌,使目标组织升温并减少非目标组织的功率吸收。最初,系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限。然而随着电子技术和计算机技术的快速发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测,特别是在核工业及航空工业等领域。如核电站主泵隔热板的检测;核废料罐电子束环焊缝的全自动检测及薄铝板摩擦焊焊缝热疲劳裂纹的检测。

近几年,超声相控阵技术发展尤为迅速,在第 15 届世界无损检测会议中,关于超声相控阵技术的文献有 17 篇之多。在相控阵系统设计、系统仿真、生产与测试和应用等方面已取得一系列进展,如采用新的复合材料压电换能器改善电声性能;奥氏体焊缝、混凝土和复合材料等的超声相控阵检测;R/ D TECH ,SIEMENS 及 IMA2SONIC 等公司已生产超声相控阵检测系统及相控阵换能器。而动态聚焦相控阵系统[10 ],二维阵列、自适应聚焦相控阵系统,表面波及板波相控阵换能器和基于相控阵的数字成像系统等的研制、开发、应用及完善已成为研究重点。其中,自适应聚焦相控阵技术尤为突出,它利用接收到的缺陷回波信息调整下一次激发规则,实现声束的优化控制,提高缺陷(如厚大钛锭中的小缺陷或埋藏较深的大缺陷)的检出率。目前,国内在超声相控阵技术上的研究应用尚处于起步阶段,主要集中于医疗领域。

1原理及特点

超声相控阵就是采用一个探头多个晶片的有机排列，利用计算机技术不同时间对每个晶片发出激励信号 和接收声波，使合成的超声波形受计算机的控制，产生不同的方向，聚焦点等等。从而完成检测。我们知道普通的超声聚焦探头可以将超声波聚焦在某一点处，从而可以在该点处获得最好的分辨率和灵敏度，但对不处于该位置的缺陷就没有这么好的分辨率和灵敏度了。而相控阵探头的聚集位置是可以由计算机控制的，是动态可变化的，所以可在声程范围内设定聚集的范围，计算机可自动控制探头各个晶片发射和接收超声波，从而在该范围内进行动态聚集，所以聚集是一条线。如下图。

这样扩展了聚集范围，其优点可以从下面的例子看出，这是一块试块，有三个人工孔，最近的离表面距 离为 25mm,试块高 75mm。如采用聚集在 25 mm 处时，如图可见孔的图像清楚，但底面回波图像模糊。如采用聚集在 75 mm 处时，如图可见孔的图像模糊，但底面回波图像清楚。如采用动态聚集，聚集在 25 mm —75 mm 处时，如图可见孔的图像和底面回波图像都很清楚。这意味着发射超声可以由电子控制扫查聚集，同时接收超声也由电子控制扫查聚集，从而完成整个设定深度范围内的聚集。这就是动态聚集的优点。前面提到超声相控阵可以由计算机控制不同晶片发射和接受超声波的时间点，从而可以合成不同的发射波的角度，我们可以在仪器中设定超声波扫查的角度范围，计算机就驱动扫查晶片的合适方式，使超声波在某一角度范围内进行扫查检测，如下图图示。

在每个重复脉冲周期里，在晶片电子扫查过程中同时被激发和接收的组，按预定程序

移动。无需光珊移动，就能全面覆盖被检区域。如图所示

如此时探头沿着与晶片排列垂直的方向移动，并由一编码器配合记录行程，这就可以完成超声相控阵 C扫描检测，与传统的 C 扫描相比，效率高得多，在波音 787 飞机中，由于没有铆钉连接蒙皮，在检测中难以判断是缺陷还是复合材料机身内的结构的影响。可以在机身外采用该方法以查明内部结构，快速高效。在目前的飞机上应用该方法，可以查找蒙皮搭接处的内部腐蚀，如下图所示：

超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理。换能器由多个相互独立的压电晶片组成阵列,每个晶片称为一个单元,按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个单元,使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面。同样,在反射波的接收过程中,按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成,再将合成结果以适当形式显示。由其原理可知,相控阵换能器最显著的特点是可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布。其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸及位置在一定范围内连续、动态可调;而且探头内可快速平移声束。因此,与传统超声检测技术相比,相控阵技术的优势是：

①单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测速度。

②不移动探头或尽量少移动探头可扫查厚大工件和形状复杂工件的各个区域,成为解决可达性差和空间限制问题的有效手段。

③通常不需要复杂的扫查装置,不需更换探头就可实现整个体积或所关心区域的多角度多方向扫查,因此在核工业设备检测中可减少受辐照时间。④优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向,在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。

超声相控阵还不是十分完美，还有需要进一步改进的方面 ： 1． 探头体积还太大，特别在航空器上好多地方难以运用 2． 探头导线非常精密。容易损坏 3． 仪器参数设置非常复杂 4． 相应的标准规范还没有跟上

相控阵技术在实现上要面临诸多挑战,如要求压电晶片电声性能好;相邻单元间隔声性能好;避免产生旁瓣,声束角度较大时更应注意该问题;时间延迟的精确控制以及声束方向、形状及声压分布的仿真等。超声相控阵换能器按其晶片形式主要分三类,即线阵、面阵和环形阵列。线阵最为成熟,已有含256 个单元的线阵(N ×1), 可满足多数情况下的应用要求;面阵又叫二维阵列(N ×M),可对声束实现三维控制,对超声成像及提高图像质量大有益处,目前已有含 128 ×128 阵列的超声成像系统应用于金属和复合材料的检测与性能评价[14 ] ,该系统具有实时 C 扫描成像功能,以标准视频图像在液晶显示器上显示,然而同线阵相比,面阵的复杂性剧增,其经济适用性影响该类探头在工业检测领域的应用;环形阵列在中心轴线上的聚焦能力优异、旁瓣低、电子系统简单、应用广泛,但不能进行声束偏转控制。

典型应用

在核动力装置及设备中,厚壁工件、粗晶材料和复杂形状工件多,设备和管道中某些焊缝可达性及可检性差而申请免检多。此时,应用相控阵技术可提高检测效率,减少辐照时间,扩大超声检测应用范围,取得显著的经济效益和社会效益。用相控阵技术对盛装核废料的罐体封头和筒体间电子束焊环焊缝进行100 %全自动超声检测,可避免采用复杂机械装置,利用其动态聚焦能力并结合分离谱技术可减少粗晶的影响,提高信噪比。采用含 64 个单元的相控阵换能器进行水浸法 B 扫描检测,在模拟试块中可检出焊缝区内直径为13mm 的人工边孔。

900MW 压水堆主泵隔热板热疲劳裂纹的检测存在的困难是,凸缘和轴承之间空间狭小(图2),探头移动空间极为有限,可达性差;双曲面形状的凸缘使声束强烈发散。然而,使用具有 16 个单元的线性阵列探头进行检测,可不拆卸轴承和密封圈等结构;具有双曲面形状的楔块可实现探头和凸缘间的耦合;根据楔块形状调整延迟,校正畸变声场。该系统可扫查圆周外表面以下 200mm 的范围,可检出径向平面内 5mm 以上的疲劳裂纹粗晶奥氏体钢在核工业中应用广泛,但其可靠检测一直是个难题。最新研究表明,相控阵技术同TRL 及 DSP 技术结合起来已成为行之有效的检测手段,其最大特点是检测信噪比高,且只需一个相控阵换能器就可检测不同深度缺陷。汽轮机转子叶根、轮槽和键槽等的超声检测由于其结构限制而难以用普通单一探头进行。以叶根检测为例,若使用相控阵换能器,可在不拆卸叶片的条件下从三个方向检测,既能提高检测效率,又能避免拆卸损坏。在其它工业领域,相控阵技术亦有着广泛的应用,如压力容器、高能管道焊缝和输油管道焊缝的检测。R/ D TECH 公司研制的管道全自动超声相控阵系统可检测壁厚 650mm ,直径 100 1 400mm的管道,扫查速度为100mm/ s ,4min 可检测一条完整的陆地输油管焊缝(包括仪器安装和拆除),结合声时衍射技术(TOFD)提高缺陷检出能力和定量精度。

3结论

超声相控阵技术的特点及在众多富有挑战性检测中的成功应用,使之成为超声检测的重要方法之一。由于它可以灵活而有效地控制声束使之具有广阔的应用与发展前景,将其同信号分析与处理、数字成像和声时衍射等技术结合起来是其主要发展方向。显然,超声相控阵技术的应用将有助于改善检测的可达性和适用性,提高检测的精确性、重现性及检测结果的可靠性,增强检测的实时性和直观性,促进无损检测与评价的应用及发展。

参考文献:

[1]

Von Ramm OT, Smith SW.Beam steering with linear arrays[J ].IEEE Transactions on

Biomedical Engineering ,1983 ,30(8):438-452.[2]

Weyman AE.Principles and Practice of Echocardiography[M].Piladelphia : Lea and

Febiger ,1994.[3]

美国无损检测学会编《, 美国无损检测手册》译审委员会译.美国无损检测手册·超声卷(上册)