基于超声法的摩擦焊焊件夹具设计及外圆尺寸测量【含CAD图纸、说明书】
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摘要为了实现摩擦焊焊件外圆尺寸的快速测量,在设计摩擦焊焊件夹具的基础上,基于超声法开展了其外圆尺寸的测量和试验验证工作。试验中首先对超声波探伤仪进行了设备调试,设置了初始检测参数,并对超声波直探头进行了校准。采用校准后的直探头对摩擦焊焊件的外圆尺寸进行了测量。分析了不同直径、加垫板等情况下的测量结果和误差大小,确定了快速测量摩擦焊焊件外圆尺寸的方法。试验结果表明:采用超声法可实现圆形焊件外圆尺寸的快速测量,且准确率高,这可为圆形焊件外圆尺寸的快速测量提供有价值的参考。 关键词 超声法;摩擦焊焊件;夹具设计;外圆尺寸AbstractIn order to realize the rapid measurement of the excircle dimension of the friction welding weldment, On the basis of designing the fixture of friction welding weldment, the measurement and experimental verification of the excircle dimension based on the ultrasonic method were carried out. Firstly, the equipment of ultrasonic flaw detectortesting was debugged, the initial detection parameters were set, and the ultrasonic normal probe was calibrated. Secondly, the calibrated normal probe was used to measure the excircle dimension of the friction welding weldment. Finally, the measurement results and the size of the error are analyzed under the condition of different diameters and pad plates, and the method which can quickly measure the excircle dimension of the friction welding weldment was determined.The experimental results show that the ultrasonic method can realize the rapid measurement of excircle dimentsion of round weldment, and high accuracy can be obtained. This can provide valuable reference for the rapid measurement of excircle dimentsion of round weldment.Keywords ultrasonic method friction welding weldment fixture design excircle dimension目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 前言11.1.1 焊件的无损检测方法11.1.2 无损检测的目的11.2 超声波检测21.2.1 超声波检测的基本原理21.3超声波检测技术的现状及发展21.4 研究目的及意义31.5主要研究内容32 超声波探伤42.1 超声波探伤仪42.1.1超声探头的选择42.1.2 耦合剂的选择52.2 数字式超声波探伤仪EPOCH XT52.3 仪器校准82.4焊件外圆尺寸测量的方法及步骤102.4.1 测量方法102.4.2测量步骤113 夹具设计133.1夹具设计的目的133.2夹紧装置的基本要求133.3夹紧装置设计内容133.4夹紧装置使用方法164 试验结果分析174.1超声法测量结果17结论23参考文献25附录26附录1 在读期间的研究成果26261 绪论1.1 前言伴随着社会的不断进步,我们的科技也在不断的精进,现阶段,电子技术的更新换代之快令人咋舌,在超声检测领域,人们一直在不断的进行创新以提高测量的精度和稳定性,目前我们在追求精度和稳定性的前提下,还在努力的降低生产成本和不污染环境。当我们的测量精度得到了保证,我们还应该注意到夹具的设计,由于手动扶持会导致各种误差的产生,比如当测量的工件表面是曲面,操作人员有可能会无法对准轴线,扶持的力度也无法始终保持不变,因此单纯的靠双手来扶持工件是不切实际的,我们还应设计出解放双手的夹紧装置,本文中我们将涉及到超声波对摩擦焊焊件外圆尺寸的检测以及夹紧装置。1.1.1 焊件的无损检测方法由于各种原因的存在,在材料进行焊接的过程中,随时都有可能会出现产生缺陷的情况。根据材料某些物理性质的变化来测量其变化的程度,依据其变化程度来判断出此材料内部存在缺陷与否,同时还可判定出缺陷的大小和种类的一种检测技术,这就是无损检测,因此它的理论根据是材料的物理性质。焊接检验可分为破坏性检验、非破坏性检验和声发射检测,其中又包含许多其他具体的检测方法。无损检测的具体方法有许多,我们应该根据不同的场合来选择最合适的检测方法。现阶段最常采用的是五大常规无损检测方法,其中包括射线、超声波、磁粉、渗透和涡流,这些方法都有其相应的优缺点,也都有自己的适用范围和适宜的检测对象,因此在进行探伤之前应尽量选择最适宜的探伤方法。1.1.2 无损检测的目的1)保证产品质量,在规定的使用期限内和条件下,产品不会出现破坏现象,这就是采用无损检测方法来保障其产品的质量。2)保障使用安全,无损检测的其中一个目的就是保障设备的安全以及使用者的人身安全。3)改进制造工艺,为了使检测的精度更加的精确,我们要在能够检测出工件中存在缺陷的前提下进行其制造工艺的改进。比如,当我们要焊接某一种压力型容器时,为了确定焊接的规范,我们可以根据预先设定的焊接规范加工成试样,接着采用射线照相法来检验试样的焊缝,然后依据检测出来的结果修改先前的焊接规范,最终可以确定出能够达到质量要求的规范。4)降低成本,降低生产制造成本也是无损检测的目的之一。比如,当我们要焊接某种容器时,我们应在整个容器焊接完成前的中间工序进行无损检测,而不是在其完成后再进行无损检测,这样我们可以提前发现不合格产品的缺陷出现在哪里,并进行及时的修补,减少不合格产品的概率,节省了原材料和人工时间的浪费,也就达到了我们要降低生产制造成本的目的。1.2 超声波检测1.2.1 超声波检测的基本原理超声波的频率在2020000Hz之间,可在弹性介质中传播,它具有良好的指向性,经过异质界面时将有以下几种情况:(1)当超声波从一种介质垂直射入到另一种介质时,它的能量一部分将发生反射形成反射波,其方向与入射波相反,而另一部分能量将穿过界面,产生透射波,其方向与入射波一致。(2)当声波绕过尺寸较小的界面边缘时,它将沿着边缘一直前进并产生波的绕射。超声波检测到缺陷的大小与超声波的频率有关,且它能检测到的最小缺陷为/2,提高超声波的频率将对超声波的检测带来便捷,比如能够检测到尺寸较小的缺陷等。(3)当超声波由一种介质斜射到另一种介质时,波的反射、折射以及波型转换将会在异质界面产生。超声测厚原理是利用直探头测量超声波在工件上、下底面之间往返一次的传播时间,以测量得到的底波渡越时间乘以超声波在工件中的声速获得厚度测量值。所测工件的厚度等于往返时间的一半乘以超声波在工件中的声速。摩擦焊焊件外圆尺寸的测量与此相仿,只不过摩擦焊焊件外圆尺寸的测量需要考虑其它因素,如超声波直探头在摩擦焊焊件上无法对准轴线,无法稳定等3。超声波检测的优点及局限性:优点:超声波检测容易实现自动化,其检测速度快,成本低;局限性:缺陷定性定量困难,一般无检测记录,受人为因素影响较大。1.3超声波检测技术的现状及发展超声无损检测技术作为一种常见的检测技术,凭借其在使用过程中所体现的优势与高准确性的检测结果,在众多领域内得到重视并被广泛应用。目前,超声检测技术在多种领域的需求进一步提高,并有着广阔的发展前景4。在无损检测的领域中,超声技术则是作为应用发展速度较快并且使用频率最高的检测技术。目前,由于超声无损检测的应用技术已经得到了快速的发展,并且广泛应用到工业生产的探伤当中,比如在一些领域当中的工业化工、生产钢铁、压力容器以及机械等范围都拥有广泛的应用,因此,当前的超声检测技术已经逐步朝着智能化、自动化、图像化、数字化等相关领域大力发展,并且有着良好的发展趋势,标志着超声无损检测走向了现代化的进程51.4 研究目的及意义徐州是中国的工程机械之都,阶梯轴摩擦焊焊件的应用非常广泛,但其外圆尺寸目前无法实现快速测量,因此设计一套用于摩擦焊焊件外圆尺寸快速测量的夹具,并实现其外圆尺寸的快速测量,对于快速确定焊件的外圆尺寸,具有十分重要的实际意义。本课题研究中采用直探头对摩擦焊焊件外圆尺寸进行测量,并获得外圆尺寸,为检测人员快速确定摩擦焊焊件的外圆尺寸提供有价值的参考。因此采用超声波的方法对摩擦焊焊件外圆尺寸进行尺寸测量有着极为重要的现实意义和工程应用背景。1.5主要研究内容1)制订合理的试验方案;2)提出摩擦焊焊件外圆尺寸超声测量的夹具设计方案,对摩擦焊焊件外圆尺寸进行快速测量;3)验证测量结果,并对测量结果进行分析与讨论,得出合理结论。2 超声波探伤2.1 超声波探伤仪探伤仪是超声波探伤的主要设备,它的工作原理是:通过使其产生频率振荡,利用振荡来刺激探头让它产生超声波并发射出去,同一时间,放大了的电信号也会被通过探头传送回来,然后经过一系列的处理以一定的方式在示波屏上显示出来。本次试验需要利用超声波检测摩擦焊焊件的外圆尺寸,因此选用的测量方法为脉冲反射法,选择的探伤设备是数字式探伤仪EPOCH XT。探伤仪电路主要由显示电路、接收电路、发射电路和辅助电路等组成,其电路框图可见2-1所示。图2-1 A型脉冲反射式超声波探伤仪电路框图 首先将探伤仪与电源连接到一起,此时将触发到同步电路,同步电路通过扫描电路传递锯齿形电压,在示波屏显示出一条平直线,与此同时,发射电路也接收到了同步电路的触发,其产生的高频率脉冲将加载在超声波探头上,导致探头中压电晶片振动,产生超声波传递到被检工件当中。在超声波的传递过程中将会接触到工件底部和工件中存在的缺陷发生反射,产生的回波将被探头接收,随即又被转化成电信号,电信号经过接收电路的放大显示在示波屏上,此时将产生底波和缺陷波。2.1.1超声探头的选择探头也是超声波探伤设备的重要组成之一,它使电能与声能的相互转换得到了实现,超声探头有若干不同的种类,按照波形不同可划分为纵波探头、横波探头、表面波探头等,因此选择一个合适的探头对于整个检测过程是极为重要的。下面介绍在焊缝探伤中常用的探头:(1)直探头:检测与工件表面平行的缺陷,其可发射纵波也可接收纵波,声束将垂直射入到工件当中;(2)斜探头:检测与工件表面成一定角度的缺陷,其组成部分包括楔块和直探头,它通过可透声的斜楔块将声束射入工件;(3)水浸聚焦探头(4)双晶探头1.探头频率的选择a. 对于小缺陷、厚度不大的工件,适宜选择频率较高的探头,如晶粒较细的锻件、轧制件和焊接件等,常用2.510MHz;b. 对于大厚工件、高衰减材料,适宜选择频率较低的探头,如晶粒较大的铸件、奥氏体钢等,常采用0.52.5MHz。2. 探伤结果是否精确会受到探头性能的影响,探头的性能好,检测的结果精度就会相对高一些,反之将会产生误差,导致精度降低,因此应慎重选择探头。3. 由于平时常用的超声波检测的频率在0.510MHz之中,因此常用探头的频率为2.55.0MHz。实验室中有频率为1.25MHz和5MHz的直探头,由以上因素可知,不同的材料应选择不同频率的探头。本次的被测工件为低碳钢,因此采用频率为5.0MHz的直探头。4. 试块的选择本次将选用GB11345-89规定的CSK-IA试块为探伤标准试块。2.1.2 耦合剂的选择由于在进行超声波检测时,超声波探头和被检工件表面会存在空气,导致超声波被反射,无法射入到被检工件中,因此,为了能够成功的将超声波射入到被检工件中,我们需要在被检工件及超声波探头中间加入能够透声的某种介质,这种介质就叫做耦合剂,与此同时,还应将超声波探头与工件表面件的空气排出。耦合剂的选用原则:1 能够是探头和被测工件表面有效的结合在一起,避免了空气和其他杂质的干扰;2 容易清洗,对工件没有腐蚀性,探头可以在被测工件上随意移动进行扫查;3 对操作人员没有损害,对环境没有伤害;4 成本低;5 方便获取。在工业生产中,经常选择机油、润滑油、甘油、水玻璃、专用的超声波检测耦合剂、化学浆糊和高温耦合剂等。考虑到成本及来源等,本次选用机油做耦合剂。2.2 数字式超声波探伤仪EPOCH XT超声波探伤仪时超声波检测的一个重要组成部分,本次采用的超声测量设备是克洛力有限公司的数字式超声波探伤仪-EPOCH XT。进行超声波检测需要用到直探头(如图2-2所示),电缆(如图2-3所示),EPOCH XT主机(如图2-4所示),标准试块(如图2-5所示),电源线(如图2-6所示),摩擦焊焊件(如图2-7所示)和耦合剂等。 图2-2 直探头图2-3 电缆 图2-4 EPOCH XT超声波探伤仪图2-5 标准试块图2-6 电源线图2-7 摩擦焊焊件(1) 特点1)仪器很小,整个仪器的重量不超过2.1公斤,方便携带,仪器背面有个很大的蓄电池,方便随时蓄电。2)通过了在爆炸气体中使用的测试,以及防振、防撞击的测试。3)不污染环境。环境等级IP67,设计符合环境侵入保护评级的要求,密封外壳,可在严酷的环境中工作。4) 能够快速接收到回波信号并根据回波信号进行分析,评价产品有无缺陷,如有缺陷可及时判定缺陷位置。5) 能够完整的采集并储存数据,可以即时进行数据分析,也可后续再进行数据分析6) USB主机接口提供打印和保存数据的功能,USB客户接口提供通讯功能。7) Perfect Square技术:电子控制脉冲的上升沿和下降沿,可以最大限度的优化探头的性能,提高近表面的分辨率。 8) 彩色液晶显示屏,用户可选择颜色和亮度,分屏和全屏显示模式,分辨率高,波形能显示得非常清晰。(二) 汇集各种实用测量功能图2-8 奥林巴斯 EPOCH XT 探伤仪的小键盘从图2-8我们可以直观的看出奥林巴斯 EPOCH XT 探伤仪的小键盘的布局:(1) 按照不同的颜色来区别各功能键;(2) 可以准确直观的看到主要的参数设置键;(3) 可以按字母/数字直接输入需要的范围等;(4) 拥有5个自定义功能键,可选择需要设置的数字;(5) 键盘上的符号包括汉语、英语等。2.3 仪器校准在进行超声波对摩擦焊焊件的外圆尺寸进行测量之前,必须将仪器进行校准。在特定的温度下,使用特定的探头对特定的材料进行精确的校准调试,本次采用EPOCH XT超声波探伤仪进行检测,其具有先进的自动校准功能。本次试验将采用频率为5MHz、直径为13mm的直探头进行校准,标准试块采用CSK-IA国产标准试块,需要校准的标准试块的厚度分别为25mm、85mm、91mm和100mm,接下来是仪器校准步骤。(一)初始设置 在进行仪器校准之前,首先将直探头通过电缆与仪器连接到一起,然后在标准试块上涂上耦合剂,接着打开探伤仪设备,根据探伤仪上的小键盘(见图2-8)进行各项必要参数的设置:1) 首先按【开/关】键,将仪器打开,接着按【测量设置】进入主界面,把曲面校正打开,然后按【字母/数字】,将延迟调节为0。2) 按【增益】,按【字母/数字】键,然后按数字0将增益设置为0,随后增益会在在校准过程中自动进行适当的调节。3) 按【确定】键,光标直接跳到【声速】位置,按【字母/数字】键,由于本次被测工件为低碳钢,故设置声速为5900。4) 继续按【确定】键,光标直接跳到【零位】位置,按【字母/数字】键,然后按数字0将零位设置为0。5) 按【确定】键,光标直接跳到【角度】位置,按【字母/数字】键,然后按数字0将角度设置为0。6) 按【范围】键,接着按【字母/数字】键,输入合适的数字。7) 剩余的各参数保留其默认值,至此参数设置完毕,我们在标准试块表面涂上一层薄薄的耦合剂,将直探头置于上方,示波屏上会显示出波形。(二)直探头的校准本次直探头使用的频率为5MHZ(见图2-2),接下来我们将对其进行校准。在校准过程中我们还需要使用标准试块,本例中使用CSK-IA国产标准试块,厚度依次为25、85、91和100mm。1) 首先打开实验室的电源,将电源线的一端连接电源,另一端连接EPOCH XT数字式探伤仪,接着将直探头和EPOCH XT数字式探伤仪通过电缆见(图2-3)连接起来,然后按【开/关】键打开探伤仪。2) 接着在标准试块上涂上一层薄薄的耦合剂,将直探头置于耦合剂上方3) 按照上方的初始设置的步骤,设置好各项参数,然后按【闸门1】,为了能使闸门能在示波屏上随意移动,我们将使用调节功能键使得闸门1可以在示波屏上上下左右移动最终闸门将打在试块反射回来的第一次回波上,然后按【F5】自动百分之80,待读数不变稳定后显示在示波屏的右上角,按【屏幕锁定】用相机拍下,如图2-9所示。图2-9 第一次底面回波4)接着进行超声波探伤仪的校准,先按【校准】、然后按【零位】将自动弹出一个对话框。在对话框中输入已知标准试块的厚度25,然后按F1继续,如下图2-10所示。图2-10 输入已知试块厚度5)接着使用键盘上的上下左右键调节闸门1的位置,按上键则使闸门1向右移动,将闸门1移动到第二次回波上,按【F5】自动百分之80,待读数不变稳定后显示在示波屏的右上角,按【屏幕锁定】用相机拍下。6)按【声速】,将再次弹出一个对话框。在对话框中输入数字50,如图2-11所示,按F2计算,结果将如图2-12和2-13所示显示出校准后的波形。图2-11 输入已知试块厚度的2倍值 图2-12 直探头在试块上校准后的一次底面回波波形图2-13 直探头在试块上校准后的二次底面回波波形7)最终数字式探伤仪EPOCH XT校准完成。数字式探伤仪EPOCH XT可以根据不同的被测工件将增益、零位和声速等进行自动调优。2.4焊件外圆尺寸测量的方法及步骤2.4.1 测量方法在被检工件上涂一层薄薄的耦合剂,将超声波直探头置于上方可以看做是两者直接接触,这种采用声耦合进行超声波探伤的方法叫做直接接触法。因为此方法便于操作人员进行操作,探伤的灵敏度高,示波屏上显示的波形也简单易懂,方便我们进行判断,因此在实际的生产生活中得到了非常广泛的应用。直接接触法包括垂直入射法和斜角探伤法两种基本方法,本次将采用垂直入射法测量摩擦焊焊件的外圆尺寸。使用垂直入射法的前提是被检工件的表面与直探头平行,超声波的声束可以垂直射入到被检工件表面进行探伤的方法称为垂直入射法。其主要的表现形式为:当此被检工件没有缺陷时,无论超声波直探头在工件表面上移动到何处,示波屏上始终只显示始波(T)和底波(B)(如图2-13 a)所示);当被检工件中存在较小的缺陷而探头也移动到此处时,示波屏上将出现始波(T),缺陷波(F)和底波(B)(如图2-13 b)所示);而当被检工件中存在较大的缺陷,探头扫查到此处时,示波屏上将出现只始波(T)和缺陷波(F)(如图2-13 c)所示)。本次主要讨论超声波测量摩擦焊焊件外圆尺寸,应随时关注波形和数据的变化。图2-14 垂直法探伤超声波测距的优点如下: (1)流程清晰,操作简单,方便工作人员进行技术操作。(2)超声波测得的数据精度较高,具有较强的可读性6。(3)超声波测量的速度快,在恶劣的环境中也可适用。2.4.2测量步骤在进行超声波检测前,首先要进行仪器校准,校准步骤见2.3。校准完成后按照下述步骤进行检测:(1) 先测量摩擦焊焊件上直径较大的一侧,将范围设置为22,然后按闸门1;(2)在被测焊件表面涂上一层薄薄的耦合剂(试块如图2-4所示),然后将探头置于被测工件表面(如图2-15所示),并在摩擦焊焊件上缓慢移动;图2-15 探头置于焊件上(3)按功能键的上下键移动闸门1的位置,将闸门1打在第一次回波上,按【F5】自动百分之80,如果波峰溢出屏幕则手动调节增益,将增益降低。数据结果会出现在示波屏的右上角,待读数不再变动时按【屏幕锁定】键,然后拿出相机拍照,记录下数据。(如图2-16所示);图2-16 测量波形(4) 重复上述步骤,根据不同的方案进行超声波测量,并将实验数据记录下来与游标卡尺测量的数据进行对比,并计算其误差值。3 夹具设计3.1夹具设计的目的摩擦焊焊件在重要工业部门中应用日益广泛,但其接头是否存在缺陷无法提前预知。为改善摩擦焊焊接工艺,进而提高摩擦焊焊件的接头质量,并防止重大安全事故的发生,开展摩擦焊焊件的无损检测有着极为重要的现实意义。超声检测作为一种应用较广泛的无损检测方法,在快速测厚方面具有较大的优势,但要测量摩擦焊焊件外圆尺寸时,由于圆柱形直探头与焊件外圆始终处于线接触(见图3-1),检测人员无法保证使圆柱形直探头的轴线始终与水平面垂直,因此检测结果的准确性无法保证。为提高超声测量焊件外圆尺寸的准确性和便捷性,发明一种用于摩擦焊焊件外圆尺寸测量的自适应夹紧装置非常必要。该装置不但可把被检测的摩擦焊焊件固定起来,而且可实现圆柱形直探头与夹具间始终处于平面接触,同时可解放检测人员的一只手,使其双手可同时开展焊件外圆尺寸超声测量工作,可减轻检测人员劳动强度,提高超声测量的准确性和便捷性。图3-1 使用夹具前摩擦焊焊件外圆尺寸超声测量示意图3.2夹紧装置的基本要求根据夹紧的作用力来源划分可以包括手动夹紧装置和机械夹紧装置,手动夹紧装置容易产生一些人为难以避免的误差,夹紧的位置和力度也没法得到很好的控制,因此我们需要设计一些新的夹紧装置来弥补这些问题。夹紧装置的基本要求:1 需要找准夹紧的位置,在不会损害被测工件的前提下,确定夹紧的位置是正确的,这样就可以方便操作人员解放双手,减小误差的概率。2 在找准位置的前提下,还需保证夹紧的力度适当,保证不会出现松动的现象也不会有夹得过紧损害工件表面的情况。3 装置的结构不要过于复杂,应当方便操作人员进行操作,操作简单,节省时间。4 要保证夹紧装置的质量,避免断裂等现象3.3夹紧装置设计内容由于本次需要测量摩擦焊焊件的外圆尺寸,超声波直探头与摩擦焊焊件的接触面只有一条线,针对目前检测人员无法保证使圆柱形直探头的轴线始终与水平面垂直,操作不方便、检测结果的准确性无法保证等问题,本次提出了一种超声法快速测量摩擦焊焊件外圆尺寸的自适应夹紧装置,如下图所示。图3-2 摩擦焊焊件外圆尺寸超声测量的自适应夹紧装置图3-3 底板图3-4 左、右支撑柱图3-5 压板图3-6 夹紧块图3-2中1为底板;2为内六角螺栓;3为左支撑柱;4为左支撑弹簧;5为压板;6为左夹紧弹簧;7为左夹紧块;8为超声直探头;9为被测量的摩擦焊焊件;10为右夹紧块;11为右夹紧弹簧;12为右支撑弹簧;13为右支撑柱,其与左支撑柱3尺寸完全相同,但安装时侧壁上的孔均位于内侧,14为试样支撑柱。底板与左、右支撑柱通过内六角螺栓连接到一起。压板5与直探头的接触面为平面,左右支撑弹簧4、12起到调节压板位置的作用,可适应直径大小不同的圆柱体,实现其外圆尺寸的快速测量。左右夹紧弹簧6、11起到自适应夹紧圆柱形焊件的作用。左右夹紧块7、10的圆弧部分可实现与被测量圆柱形焊件外廓的紧密贴合,防止夹紧时出现打滑现象。试样支撑柱14用于支撑起试样。3.4夹紧装置使用方法检测人员先将阶梯轴摩擦焊焊件放入左右夹紧块中间的空腔中,夹紧块在左右夹紧弹簧的弹力作用下实现了阶梯轴摩擦焊焊件在左右方向上的自适应夹紧。同时,压板在自身重力的作用下不断下移,直至下表面与圆柱形焊件的外轮廓相接触,此时压板停止运动,且压板在左右支撑弹簧的弹力作用下保持水平,实现了上下方向上对摩擦焊焊件的压紧。左右支撑弹簧同样也可适应不同直径的焊件外圆尺寸。因此该发明可实现阶梯轴摩擦焊焊件的自适应夹紧,以便于进行后续的超声测量。检测人员把阶梯轴摩擦焊焊件自适应夹紧后,在压板上表面(位置位于压板与圆柱形焊件接触处)涂上一层耦合剂,然后手持直探头在压板上表面来回移动,测量出从压板上表面到底板上表面的距离,该距离减去压板厚度(可提前测量出来,为已知量),即可得出摩擦焊焊件的外圆尺寸。设计的超声法快速测量摩擦焊焊件外圆尺寸的自适应夹紧装置结构简单,操作方便,可实现直径大于支撑柱高度的圆形焊件的自适应夹紧,夹紧尺寸可调,调节范围大,实用性强。该装置把直探头与圆形焊件的线接触转变为平面接触,超声测量更易于实现。利用设计的超声法快速测量摩擦焊焊件外圆尺寸的自适应夹紧装置可实现对摩擦焊焊件的自适应夹紧,解放了检测人员的一只手,提高了检测效率和准确性。4 试验结果分析4.1超声法测量结果可采用多种方式测量摩擦焊焊件外圆尺寸,本次试验采用了两种测量方式,一是直接测量摩擦焊焊件外圆尺寸,二是在摩擦焊焊件底部垫上一个标准试块,测量标准试块和摩擦焊焊件外圆总尺寸。此次测量的试样是摩擦焊焊件,游标卡尺测量结果如下:图4-1 游标卡尺测摩擦焊焊件中较小圆柱的直径图4-2 游标卡尺测摩擦焊焊件中较大圆柱的直径由图4-1和4-2可知,游标卡尺测得的摩擦焊焊件较小圆柱和较大圆柱的直径分别为10mm和19.72mm。超声波测量摩擦焊焊件外圆尺寸如下:(1) 直接测量 (a) 第一次测量结果(b) 第二次测量结果(c) 第三次测量结果图4-3 10mm摩擦焊焊件波形由图4-3可知,通过超声波法三次测量的结果分别为10.47mm、10.37mm和10.41mm。(a) 第一次测量结果(b) 第二次测量结果(c) 第三次测量结果图4-4 20mm摩擦焊焊件波形由图4-4可知,通过超声法三次测量的结果分别为19.31mm、19.27mm和19.27mm。(a) 第一次测量结果(b) 第二次测量结果(c) 第三次测量结果图4-5 50mm摩擦焊焊件波形由图4-5可知,通过超声法三次测量的结果分别为50.03mm、50.09mm和50.01mm。表4-1外圆尺寸直接测量结果分析 外圆尺寸测量方法 10mm19.72mm50mm超声法10.4710.3710.4119.3119.2719.2750.0350.0950.01超声法平均值10.4219.2850.04游标卡尺1019.7250测量误差4.2%2.23%0.08%由表4-1可知,采用超声法直接测量摩擦焊焊件外圆尺寸时,圆棒直径越大,则测量误差越小。(2)焊件底部垫标准试块(a) 第一次测量结果(b) 第二次测量结果(c) 第三次测量结果图4-6 10mm垫标准试块的摩擦焊焊件波形由图4-6可知,通过超声法三次测量的结果分别为35.28mm、34.75mm和35.29mm。(a) 第一次测量结果(b) 第二次测量结果(c) 第三次测量结果图4-7 19.72mm垫标准试块的摩擦焊焊件波形由图4-7可知,通过超声法三次测量的结果分别为44.83mm、44.79mm和44.80mm。表4-2 外圆尺寸垫标准试块测量结果分析 外圆尺寸测量方法35mm44.72mm超声法35.2834.7535.2944.8344.7944.80超声波法平均值35.1144.80游标卡尺3544.72测量误差0.31%0.18%由表4-2可知,垫标准试块时,外圆尺寸直径越大,测量误差越小。(3)10mm的焊件不垫标准试块和垫标准试块测量结果表4-3 10mm焊件不垫标准试块和垫标准试块测量结果分析 外圆尺寸测量方法10mm35mm超声法10.4710.3710.4135.2834.7535.29超声波法平均值10.4235.11游标卡尺1035测量误差4.2%0.31%由表4-3可知,10mm不垫标准试块比垫标准试块的测量误差大。(4)19.72mm的焊件不垫标准试块和垫标准试块测量结果表4-4 19.72mm焊件不垫标准试块和垫标准试块测量结果分析 外圆尺寸测量方法19.72mm44.72mm超声法19.3119.2719.2744.8344.7944.80超声波法平均值19.2844.80游标卡尺19.7244.72测量误差2.23%0.18%表4-4可知,19.72mm不垫标准试块比垫标准试块的测量误差大。(5)测量误差结果误差对比分析见表4-5表4-5 测量误差结果对比分析 外圆尺寸测量方法10mm19.72mm35mm44.72mm50mm测量误差4.2%2.23%0.31%0.18%0.08%综上所述,使用超声法测量焊件外圆尺寸时,外圆尺寸越大误差越小。结论本文获得结论如下:(1) 采用超声法可实现对摩擦焊焊件外圆尺寸的快速测量,且误差不超过5%,可为摩擦焊焊件外圆尺寸提供有价值的参考。(2) 外圆尺寸越大,误差越小。最大误差为4.2%,最小误差为0.08%。(3) 测外圆尺寸时,超声法与游标卡尺相比,测量速度快,效率高,易于实现。致谢在这里,我首先要感谢我的毕业设计导师石端虎教授,在进行夹紧装置设计的过程中,我们遇到了许多自己无法解决的困难,在我们一筹莫展的时候,石老师给予了我们许多有建设性意义的建议,在做实验的过程中,由于一些误差,我们始终无法准确的测量到理想的实验结果,石老师就给我们提出了一些别的方案,甚至亲自带我们去实验室进行实验来验证结果,正因为有石老师孜孜不倦的教诲和不遗余力的带领,我们才最终完成了我们的实验和夹具设计,石老师这种精神和作风值得我们每一位学生去学习。还要感谢石老师平时对我们的生活上关心和爱护,可以说是我们的良师益友。接着我要感谢一直致力于创造诚信友善,敬业乐群校风的我的母校-徐州工程学院,在校四年间,我亲眼见证了学校为我们谋求的许多福利,比如它为我们创造的舒适的学习环境以及和谐的生活环境,与此同时,还为我们配备了良好的实验设备,方便我们去探寻摸索更多未知的知识,然后我还要感谢我的学院-机电工程学院,学院的老师都非常的和蔼可亲,对学生也非常的有耐心,领导也经常会关心我们的生活,给予了我们许多帮助。最后我要感谢我的同伴,我们做的都是超声波检测试验,每一次去实验室做实验我们都会相互帮助,正因为她的存在,我的实验结果才会一次又一次的更加精确。同时,我还要感谢我的舍友,在我的同伴不在的情况下,是她们帮助我进一步完善我的试验,在生活中,她们也经常帮助我,正是因为她们的存在,我的大学生活才不会枯燥乏味反而变得丰富多彩,更加的有回忆的价值。参考文献1陈应龙, 武林英. 超声波探伤技术在钢结构检测中的应用C.陕西省无损检测年会暨产品展示会, 2014.2赵熹华. 焊接检验M. 北京: 机械工业出版社, 2016.3石端虎,邵晴晴,刘红玲,王杨.基于超声法的等离子弧粉末堆焊层厚度测量J,热加工工艺,2014,43(17):197-200.4任志宏.超声无损检测技术现状与发展趋势J.技术与市场,2016,23(9):255-256.5李灼华. 超声无损检测技术的现状和发展趋势J. 硅谷, 2013,(21):11.6莫林夫. 超声波测距应用研究J. 电子技术与软件工程, 2014(21):163-163.7陈焕明. 焊接工装设计M. 航空工业出版社, 2010.8倪卫宁, 朱祖扬, 张卫等. 高精度微距超声波测距系统J. 仪表技术与传感器, 2014,(1):75-76.9朱华锋, 李会荣, 蒋鲁军. 快捷夹紧装置:CN 201711695 UP. 2011.10梁文涛. 一种测量外圆的检具:CN203587005UP. 2014.11朱和军, 周炎, 陈俊. 一种快速夹紧装置的设计J. 农业装备技术, 2011,(5):47-49.12杨林涛, 张虎. 超声波探伤检测的影响因素J. 中国石油和化工标准与质量, 2013,(16):18.13牛鹏亮, 李文亚. 搅拌摩擦焊残余应力研究现状及展望J. 精密成形工程, 2015,7(5):1-6.14L. Koval,J. Vau,P. Bilk. Distance Measuring by Ultrasonic SensorJ. IFAC PapersOnLine,2016,49(25).附录附录1 在读期间的研究成果受理的发明专利和实用新型专利:1. 石端虎,闫朵,刘瑞,何敏,杨峰,陈豹. 用于超声法测量摩擦焊焊件外圆尺寸的装置及其使用方法.申请号:201810332838.9.2. 石端虎,闫朵,刘瑞,何敏,杨峰,陈豹. 用于超声法测量摩擦焊焊件外圆尺寸的装置. 申请号:201820526628.9. 毕业论文附本基于超声法的摩擦焊焊件夹具设计及外圆尺寸测量FIXTURE DESIGN AND MEASUREMENT OF EXCIRCLE DIMENSION OF FRICTION WELDING WELDMENT BASED ON ULTRASONIC METHOD学生姓名班 级学 号学院名称专业名称指导教师年 5月30日目 录毕业设计(论文)课题申报表1毕 业 设 计(论 文) 任 务 书 2毕业设计(论文)开题报告8毕业设计(论文)指导手册11学生毕业设计(论文)中期汇报表16学生毕业设计(论文)中期情况检查表17毕业设计(论文)指导教师评阅表18毕业设计(论文)评阅教师评阅表19毕业设计(论文)答辩及综合成绩评定表20外文翻译21毕业设计(论文)答辩及综合成绩评定表学 院机电工程学院 专 业 材料成型及控制工程学生姓名 学 号指导教师设计论文题 目 基于超声法的摩擦焊焊件夹具设计及外圆尺寸测量答辩时间2018 年 5 月 28 日 时 分至 时 分答辩地点敬本102 答辩小组成 员答辩记录提问人提问主要内容学生回答摘要 答辩记录人签名:答辩小组意见答辩评语: 答辩成绩: 答辩小组组长签名:综合成绩评定指导教师评定成绩评阅教师评定成绩答辩成绩综合评定成绩答辩委员会主任签名: 年 月 日毕业设计(论文)课题申报表指导教师职称教授教研室材料成型及控制工程申报课题名称基于超声法的摩擦焊焊件夹具设计及外圆尺寸测量课题类型工程设计类课题来源A教师科研课题简介徐州是中国的工程机械之都,阶梯轴摩擦焊焊件的应用非常广泛,但其外圆尺寸目前无法实现快速测量,因此设计一套用于摩擦焊焊件外圆尺寸快速测量的夹具,并实现其外圆尺寸的快速测量,对于快速确定焊件的外圆尺寸,具有十分重要的实际意义。课题要求(包括所具备的条件)要求学生具备材料成型及控制工程专业的理论基础知识、焊接专业知识和无损检测方面的知识,具有一定的文献阅读、外文翻译和超声波设备实际操作能力,能在查阅、总结资料的基础上,围绕课题的完成制订合理的试验方案,提出摩擦焊焊件超声测量的夹具设计方案,对摩擦焊焊件外圆尺寸进行快速测量,能对试验结果进行分析和讨论,进而获得合理的结论。课题工作量要求1、开题报告一份;2、外文翻译一篇(5000字以上,要求翻译内容与毕业论文课题有关);3、毕业设计一份(要求中、英文摘要,且中文摘要400字左右;正文8000字以上);4、近五年的主要参考文献不少于10篇(包括1篇以上外文文献)。教研室审定意见本课题实验方法得当,措施切实可行。通过审核。同意室主任签字:学 院审定意见同意 教学院长签字: 2毕 业 设 计(论 文) 任 务 书 学院(系):机电工程学院专 业:材料成型及控制工程学生姓名:学 号:设计(论文)题目:基于超声法的摩擦焊焊件夹具设计及外圆尺寸测量起 迄 日 期:2018年 2月 26日 2018年 5月 26日指 导 教 师:教研室主任: 发任务书日期: 年 3月 4日 毕 业 设 计(论 文)任 务 书 1毕业设计的背景:徐州是中国的工程机械之都,阶梯轴摩擦焊焊件的应用非常广泛,但其外圆尺寸目前无法实现快速测量,因此设计一套用于摩擦焊焊件外圆尺寸快速测量的夹具,并实现其外圆尺寸的快速测量,对于快速确定焊件的外圆尺寸,具有十分重要的实际意义。本课题研究中采用直探头对摩擦焊焊件外圆尺寸进行测量,并获得外圆尺寸,为检测人员快速确定摩擦焊焊件的外圆尺寸提供有价值的参考。因此采用超声波的方法对摩擦焊焊件外圆尺寸进行尺寸测量有着极为重要的现实意义和工程应用背景。2毕业设计(论文)的内容和要求:研究的具体内容和要求如下:1、制订合理的试验方案;2、提出摩擦焊焊件外圆尺寸超声测量的夹具设计方案,对摩擦焊焊件外圆尺寸进行快速测量;3、能对试验结果进行分析和讨论,进而获得合理的结论;4、开题报告一份;5、外文翻译一篇(5000字以上,要求翻译内容与毕业论文课题有关);6、毕业设计一份(要求中、英文摘要,且中文摘要400字左右;正文8000字以上); 7、近五年的主要参考文献不少于10篇(包括1篇以上外文文献)。3主要参考文献:1方强.机械零件检测技术要点J.山东工业技术,2018,(3):18.2冯镇江.焊接检验中超声检测技术的实际应用J.科技经济导刊,2017,(23):60.3赵明.超声波无损检测技术应用J.山东工业技术,2017,(8):50.4韩海军.无损检测技术在机械焊接结构中的应用J.山西冶金,2016,39(4):76-77.5安环君.无损检测相关技术分析J.科技创新与应用,2015,(2):97.6张会.同种材质摩擦焊接头焊缝的组织及性能研究J.热加工工艺,2013,42(1):196-197.7陈超,刘晓睿.浅谈小径管环向对接接头的超声波检测J.科技信息,2013,(24):344.8彭映成,钱海,曹龙等.一种高精度超声测距系统设计J.电子测量技术,2013, 36(10):16-18.9徐慧君.超声波大尺寸测量的双相位数字检测方法D.合肥工业大学,2016.11田文成. 超声波测距系统的研究与实现D.南京邮电大学,2017.12Krzysztof Gdek,Marek Dudzik,Anna Strk. A Novel Three-Head Ultrasonic System for Distance Measurements Based on the Correlation MethodJ. Measurement Science Review,2014,14(6):331-336.4毕业设计(论文)进度计划(以周为单位):第12周 文献检索,外文翻译、撰写开题报告;第34周 围绕课题的完成制订合理的试验方案;第57周 提出摩擦焊焊件外圆尺寸超声测量的夹具设计方案,对摩擦焊焊件外圆尺寸进行快速测量;第89周 对摩擦焊焊件外圆尺寸进行快速测量; 第10周 进行试验验证,分析试验结果获得合理结论;第1112周 撰写毕业设计论文,准备答辩;第13周 毕业答辩。教研室审查意见: 室主任签名: 年 月 日学院审查意见: 教学院长签名: 年 月 日
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