用于CA488轻型车凸轮轴的音频无损检测系统

　　1　系统原理及其基本结构

　　音频无损检测系统主要应用于检测工件的金属材料的内部结构(基体组织),基体组织和球化率是球墨铸铁的2个重要参数,它们共同决定着球墨铸铁的内在质量.检测球铁工件的弹性模量和内耗值, 可以得到石墨和基体组织的有关信息.共振频率对某些基体组织较为敏感[1],如马氏体的存在会明显降低共振频率.根据共振频率与石墨的关系,可以预测碳钢、球墨铸铁的球化率.内耗值可以反映出材料中声音的衰减情况,它对基体组织结构、分布非常敏感.根据内耗值与基体组织的关系,也可以预测材料的机械性能.

　　由上述原理可以看出,检测出共振频率和内耗值是音频无损检测系统的主要目的.在刚体模态中, 当激励作用产生自由振动时,测量共振频率可根据单位时间内脉冲总个数来计算共振频率[2].当外力对工件激励后,由于材料内部粘性阻尼的存在使工件的机械性能被损耗(称之为内耗),使工件处于自由衰减振动状态,如图1所示.衰减振动中的内耗值可用单位时间间隔内首尾两时刻振幅比的自然对数衰减率来表示.根据上述理论设计的音频无损检测系统是:在工件的一端置一定时音频脉冲激振器,定时向工件发送音频激振脉冲,该脉冲在工件内部经过一系列反射(折射)后,送至放置在工件另一端的接收换能器(传感器);将脉冲信号转换成相应的电信号后,送至处理电路,经放大和带通滤波后,一路送整形电路变为矩形脉冲信号,经过光电耦合器送入单片机内测量共振频率,另一路送检波器,经电压比较触发后送入单片机内测量内耗值.单片机对数据进行处理后,结果经显示、打印输出,从而实现音频无损检测系统的“双通道、双参数”的检测,如图2所示.由于该系统的音频信号频率范围为3~15kHz,带宽太宽(上截止频率对下截止频率的比值超过一个倍频程).在该系统中,把频率分为4段,即3~6 kHz、6~9 kHz、9~12 kHz、12~15 kHz.系统运行时,对于每一种被检工件,音频信号频带范围(即相应频带宽度的滤波器)的选择通过采用多路模拟开关来控制[2].根据已知的大约频率范围,用软件设计来实现模拟开关的自动控制.其硬件原理如图3所示.

　　2　实验验证

　　利用该音频无损检测系统对100根球铁488型轻型车凸轮轴进行检测,通过定量分析与系统测定值相比较,以验证系统检测是否可靠.把音频共振的检测结果与定量分析结果进行对比,经计算机数据处理后,拟合出凸轮轴的球化率与共振频率的关系曲线,如图4所示.从图4中可以看出,随着共振频率的增加,球化率Dp也增加,共振频率由7.42 kHz上升到8.26 kHz时,球化率在31.4%至80%内变动,符合表达式f0=12L(E/ρ)1/2(E为弹性模量;ρ为材料密度;L为试件长度;f0为共振频率)的要求.在实际应用中,汽车、拖拉机的发动机曲轴、凸轴要求具备优良的强度性能和耐磨性,球铁凸轮轴目前绝大多数呈铁光体组织.所以,音频无损检测系统还要求检测出凸轮轴的内耗值来分析其基体组织(珠光体)的质量分数是否达到生产要求.图5是珠光体质量分数与内耗值的关系曲线.该曲线表明,随着珠光体质量分数w的增加,阻尼振动次数不断提高,内耗值δ减小.当珠光体质量分数由44%增加到80%时,阻尼振动次数由150增加到500,而内耗值由3.0×10-4下降到1·28×10-4.通过检测结果可以发现,系统的相对平均误差小于5%.音频检测法无论从检测方法上还是从检测精度上完全优越于超声波检测法,采用非接触式检测方法方便、可靠,有利于实现自动化检测;音频检测法与超声波检测法相比,精度提高11.4%.