本文有助于使用激光振动器确认绿色粉末冶金件中裂纹检测的主要可能性,无论部分内的裂缝位置,以及在PM部分上的整体振动光谱作为振动强度的函数。

C粉末冶金中绿色零件的堆放是粉末冶金行业关注的焦点。在烧结前检测未烧结件的裂纹,可以防止已烧结件的回收或不良件的生产。与烧结零件不同,冲击光谱可以很好地显示裂纹的存在,这对绿色零件来说是一个挑战。原因是这些由压实而非烧结的金属粉末颗粒组成的零件的机械质量因数极低。粒子的机械完整性低导致零件没有明显的共振。这项研究的目的是测试一种可能性,以识别健康和裂纹绿色部分使用激光振动测量信号的光谱特征。从粉末冶金制造公司获得了四个类似的绿色粉末冶金齿轮:其中两个是健康的,另外两个在轮毂和轮盘之间的应力集中区域出现了模拟裂纹。

实验装置包括Polytec PSV-500扫描激光振动计和bruel&kker 4824型振动台。在齿轮表面95个点的网络上记录频率范围为50 ~ 3500 Hz的积分谱图,并按比例在1 ~ 5范围内分级不同的振动强度。通过对三维(频率-强度-振幅)振动谱图的比较,发现有裂纹缺陷试件与健康试件在以下几个方面有不同之处:载荷变化时共振频率的漂移和/或共振的分裂。研究证实了无论裂纹在零件中的位置如何,使用激光振动仪检测绿色粉末零件裂纹的主要可能性。进一步研究的目的是确定基于裂纹尺寸的灵敏度极限。关键词:无损检测,粉末冶金,生坯,裂纹,激光振动测量。

1介绍

粉末冶金(PM)使获得具有独特物理和机械性能的产品成为可能,提高了金属的利用率,减少了产品的机械加工到最低[1]。PM产品用于在各种极端机械载荷下的机器和结构的负责单元中运行,因此,对这些部件有很强的无缺陷要求。破坏的一个最危险的原因是,裂纹的形成可能出现在挤压产品的阶段,即在生坯或未烧结状态,然后在烧结和精整操作中生长。绿态裂纹的主要原因可以归纳为四大类:材料成分不当,如润滑剂的缺乏或过量以及杂质的存在;压实技术不当,颗粒侧移;存在塑性变形时不当的弹性应变释放;以及[2]制造过程中由外部或内部因素造成的高拉伸/剪切应力。为了防止生产有缺陷的零件,最好在早期的绿状态就能检测出裂纹。在这种情况下,不需要对有缺陷的烧结产品进行劳动密集型和能源密集型的再加工操作。尽管冲击共振光谱技术或多或少地解决了烧结部件的裂纹诊断问题,包括在线商业装置[3],但在绿色部件中裂纹检测仍然是一个挑战。 This is due to two reasons: firstly, the inapplicability of impact to green parts that can damage them, and secondly, an extremely low mechanical quality factor of these parts composed of compacted but non-sintered metal powder particles with weak bonds between them.

尽管努力相当大,但传统的无损检测(NDT)方法在检测到绿色PM部件的缺陷时已经大大不成功,或者它在实际生产环境中显示了有限的适用性。通过弹簧触点的阵列通过表面上的电压分布测量来实现电阻率法[4]。表面波介体技术使用点接触诱导并接收瑞利声表面波在兆赫兹频率范围内对表面断裂裂缝敏感[5]。通过诱导剪切水平波和扭转波的超声电磁声换能器在相同的工作中观察到另一个测试的选择。在绿色PM部件中的高频声波的衰减增加,强制开关到较低频率,而不是传统上用于金属物体的超声波NDT [6]。增强的图像处理技术应用于数字射线照相图像允许识别在原始数字X射线图中几乎不可见的绿色PM压块中的裂缝[7]。总结了上述方法,可以得出结论,尽管存在明显的积极效应,但绿色PM部位的NTD仍然是一个或多种以下原因:缺乏敏感性,仅在局部可访问的情节中测量,不允许的影响或接触动作,巨大和慢速操作设备,和/或无法使设备适应在线测试。

本研究的目的是评估通过激光振动器获得的信号的光谱特性检测绿色PM产品中的裂缝的可能性。选择激光多普勒振动器[8],考虑到遥感的优点,避免了与PM部分直接接触的必要性以及对测试对象的温和振动效应。此外,它适用于不同尺寸和复杂形状的物体。尽管激光振动设备的成本相对较高,但它可以轻松地建立在线测试中,可以在散装批量生产中偿还。

2。材料和方法

2.1 PM零件检验

检查的PM部件是由直径为80mm的钢粉制成的四个类似的绿色PM齿轮。该标本是从一个大的PM制造公司获得MIBA Sinter Slovakia,S.R.O.两种样本是健康的,另外两个人为地用模拟裂缝损坏。通过中等浅吹的突出诱导裂缝,并通过连接轮毂和盘之间的孔的轨迹在盘上的应力浓度面积(图1)。

图1:检查PM齿轮:A -产品概况;B, C -用箭头表示的齿轮体的模拟裂纹。

2.2激光vibrometry

实验激光振动器设备包括单通道激光振动计和图2中描绘的振动计架。

图2:实验图:振动台上的A -测试齿轮;B -设备的总体视图,C -带有测点网格的齿轮;在共振时带有虚拟振荡模式的D齿轮。

激光振动计是一个Polytec扫描振动计PSV-500在1D光学配置提供从直流到100 kHz范围内的全自动振动测量。Polytec振动计系统是一种激光多普勒振动计,通过传感从移动表面散射的激光的频移和相位变化来确定在一点上的振动速度和位移。扫描头配有高精度扫描仪和高清摄像机,有助于记录齿轮表面95点网络上的振动频谱(图2C),并最终呈现所有95点的积分频谱。该振动计是bruel&ker 4824型电动力模态激振器(图2A),用于结构动力学研究中的模态测试。它在直流到5 kHz的频率范围内工作,提供高达100N的正弦额定力。选择的频率范围为DC - 4000 Hz,因为试件的自振共振正好在此范围内。频谱采集的频率阶跃为1 Hz。

结果,为齿轮表面上的测量网络的所有95点提供了积分频谱。为了评估光谱特性对振动强度的依赖性,在振动器的逐渐增加的激励电压设定为5至5V的5个功率水平,通过1V的步长,拍摄光谱。

图3表示具有空平台(A)的卸载振动器的整体振动光谱的实例,并且与来自该组的PM齿轮样本装载的相同平台。获得的光谱的幅度与五逐渐增加的振动强度的幅度成比例。

图3:空平台(A)和一个PM齿轮加载平台(B)在1V ~ 5V激励等级控制的5级振动强度下的振动谱。

3。结果与讨论

主要结果如图4所示。它显示了空平台的积分光谱和由健康(H1,H2)负载的平台,并且频率范​​围为500至3,500Hz的损坏(D1,D2)标本。光谱呈现为B扫描,其中亮度对频谱幅度进行解码。一条线对应于振动强度的步骤,在此获得频谱。光谱由峰值幅度归一化。用二维频率强度模式表示为四边形A和B的区域轮廓兴趣区的区域,其中最多表达了健康和损坏标本之间的差异。

图4:空平台的振动光谱和由健康(H1和H2)装载的平台,并在5℃的5级振动强度从1V至5V损坏(D1和D2)PM齿轮试样。光谱呈现为B模式扫描,其具有相应的振动强度水平的归一化幅度。频率强度场的兴趣区是由四边形A和B表示的。

在图4中的施加的频率强度模式中清楚地识别了健康(H1,H2)和损坏(D1,D2)标本之间的差异。分离H和D的两个主要表现形式。第一个是频移朝着损坏的标本中的损坏标本中的较低频率值,在四边形A和B中出现明亮的图表,在D1的情况下最表达。第二个是光谱峰和外观的分裂,如案例D2,Quadrangle A.

在两种健康和受损样品的情况下,根据振动强度观察光谱的变化。空平台的情况是与振动器僵硬的情况。它具有大约2,750 Hz的强大共振,这对振动强度不变。显然,实验中的非线性的主要来源是PM样品和平台之间的刚性耦合。

然而,这种情况并不妨碍识别健康和受损标本之间的差异。同时,频移作为振动强度的函数要求在规划试验时考虑这一因素。

利用模式识别和机器学习的原理,将振动谱在逐渐增加的振动强度水平上形成的二维频率强度模式作为诊断零件PM状态的源材料是一个很好的机会。这种模式中感兴趣的区域可以使用特定类型的PM产品的数据库来预先确定,该数据库从众所周知的健康和受损样本中获得。

关于生产方法的适用性,关键的成功标准是测试产品的速度和缺陷导致最小影响的缺陷。尽管在多点网格上的电流实验中完全扫描物流实验需要几分钟,但是使用物体积分光谱的振动测定测试可以减少到几(5-6)秒,允许 -线路质量保证批量生产。需要进一步的工业研究来确定方法在不同尺寸和形状的一系列类似的健康物体中检测不同位置和对象内的不同位置和取向的小内裂缝的能力。

结论

研究证实了无论裂纹在零件中的位置如何,利用零件的积分振动谱作为振动强度的函数,使用激光振动仪检测绿色粉末零件裂纹的主要可能性。在振动强度逐渐增大的情况下,振动谱所形成的二维频率-强度模式可作为模式识别方法诊断零件PM状态的源材料。进一步研究的目的是确定该方法在裂缝大小和位置方面的灵敏度极限,以及该方法测试复杂结构对象的能力。

确认

作者感谢Miba Sinter Slovakia S.R.O.的代表为测试提供了绿色的PM样品,以及里加技术大学材料与结构研究所的研究员Eduards Skukis,感谢他在使用激光振动测量法进行实验时的热心帮助。

参考文献

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