CN110749391A - 基于磁声发射原理的刀具残余应力测试***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁声发射原理的刀具残余应力测试***及方法，其中，该***包括：脉冲电源、激励线圈、测试传感器、卡具和处理器，其中，脉冲电源与激励线圈连接，脉冲电源为激励线圈提供预设大小的电流；测试传感器和待测刀具置于激励线圈内部，且利用卡具将测试传感器贴于待测刀具的上表面，激励线圈为待测刀具提供交变磁场，测试传感器用于采集待测刀具受磁场影响后产生的应力波；处理器与测试传感器连接，处理器用于接收并处理应力波，输出待测刀具的残余应力水平。该***检测手段更为便捷，更为廉价，且评估整体的残余应力水平，准确程度良好的情况下，时效性大大提高。

Description

基于磁声发射原理的刀具残余应力测试***及方法

技术领域

本发明涉及残余应力检测技术领域，特别涉及一种基于磁声发射原理的刀具残余应力测试***及方法。

背景技术

随着工业的高速发展，对优质刀具的需求量日益上升。刀具在加工出厂和使用过后都会产生不同程度残余应力，残余应力水平直接影响了刀具质量的优劣和寿命的长短。目前的刀具多以高速钢、硬质合金材质为基体，表面涂覆硬化涂层，硬度很高，传统有损残余应力测量手段很难奏效。

现有残余应力检测手段分为两大类，有损检测和无损检测。有损检测方面，通常采用“环芯法”、“盲孔法”等，无损检测方面多用“X射线检测”、“中子衍射”等。两类方法在操作难度、成本、效率上都存在不同程度的缺点。

有损检测如盲孔法，需要在待测表面打一定深度和直径的盲孔，通过应变花记录的应变变化来反推出残余应力的大小，操作空间和操作效率上均存在很大的不足。应对小型刀具大批量的检测，只能采用抽样的办法进行性能评估。同时经过检测后的刀具将不能再进行使用，在动态评估上，有损检测显得毫无办法。而常用的无损残余应力检测方面，如X射线衍射仪，因其操作繁琐且评估区域过小，成本过高，不利于工业的应用，也无法进行大批量的测试。

现有的利用磁声发射原理进行检测残余应力的应用并不普遍，在国内外研究中，多对焊接容器、火车轮、战车、导弹等大型构件在热处理后的残留应力检测，而未见过应对刀具残余应力利用磁声发射方法进行检测。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于磁声发射原理的刀具残余应力测试***。

本发明的另一个目的在于提出一种基于磁声发射原理的刀具残余应力测试方法，该方法具有极高的效率和不错的准确性，同时不损伤试样，操作简便且非常经济。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了基于磁声发射原理的刀具残余应力测试***，包括脉冲电源、激励线圈、测试传感器、卡具和处理器，其中，所述脉冲电源与所述激励线圈连接，所述脉冲电源为所述激励线圈提供预设大小的电流；所述测试传感器和待测刀具置于所述激励线圈内部，且利用所述卡具将所述测试传感器贴于所述待测刀具的上表面，所述激励线圈为所述待测刀具提供交变磁场，所述测试传感器用于采集所述待测刀具受磁场影响后产生的应力波；所述处理器与所述测试传感器连接，所述处理器用于接收并处理所述应力波，输出所述待测刀具的残余应力水平。

本发明实施例的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试***，***结构简单，成本低，操作简便，且评估整体的残余应力水平，准确程度良好的情况下，时效性大大提高，具有极高的效率和不错的准确性，同时不损伤试样。

另外，根据本发明上述实施例的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试***还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述卡具包括：两个转盘和螺旋压头，所述两个转盘置于待测刀具两侧，用于夹持固定被测刀具，所述螺旋压头用于将传感器贴于所述待测刀具的上表面。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述测试传感器与所述待测刀具的接触面涂覆耦合剂。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：导线，用于连接所述脉冲电源与所述激励线圈；信号放大器，所述信号放大器分别与所述测试传感器和所述处理器连接，用于放大所述应力波；信号传输数据线，用于将所述应力波传输至所述处理器。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述测试传感器用于采集所述待测刀具受磁场影响后产生的应力波，具体为：在所述变交磁场作用下，所述待测刀具的晶格发生磁致伸缩现象，两个磁畴内产生相对位移，所述相对位移引起所述应力波，并将所述应力波释放，所述测试传感器将所述应力波采集。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了基于磁声发射原理的刀具残余应力测试方法，包括以下步骤：向激励线圈输入预设大小电流，使待测刀具置于预设大小的变交磁场中；利用测试传感器采集所述待测刀具受磁场影响产生的应力波；将所述应力波传输至处理器进行处理，输出所述待测刀具的残余应力水平。

本发明实施例的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试方法，操作简便且非常经济，评估整体的残余应力水平，准确程度良好的情况下，时效性大大提高，具有极高的效率和不错的准确性，同时不损伤试样。

另外，根据本发明上述实施例的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述利用测试传感器采集所述待测刀具受磁场影响产生的应力波，包括：在所述变交磁场作用下，所述待测刀具的晶格发生磁致伸缩现象，两个磁畴内产生相对位移，所述相对位移引起所述应力波，并将所述应力波释放；所述测试传感器检测到所述待测刀具的信号变化，将所述应力波采集，其中，利用卡具将所述测试传感器贴于被测刀具的上表面。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述将所述应力波传输至处理器进行处理，输出所述待测刀具的残余应力水平，包括：将所述应力波传输至所述处理器中，利用所述待测刀具磁畴区的体积微元的非弹性应变张量表示所述应力波；处理所述非弹性应变张量得到MAE信号强度，根据所述MAE信号强度评估所述待测刀具的残余应力水平。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述非弹性应变张量与所述MAE信号强度的关系公式为：

其中，V_p为残余应力，C为待测刀具的材料参数，ΔV为磁畴区的待测刀具体积微元，Δε为非弹性应变张量，τ为Δε增长的时间。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述MAE信号的强度与所述非弹性应变成张量正比关系，所述MAE信号强度与所述待测刀具的残余应力水平呈正比关系。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的于磁声发射原理的刀具残余应力测试***结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的卡具结构示意图；

图3为根据本发明具体示例中振铃计数率与激励时间关系图；

图4为根据本发明具体示例中单位均值幅度与激励时间关系图；

图5为根据本发明一个实施例的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试方法流程图。

附图标记说明：10-基于磁声发射原理的刀具残余应力测试***、100-脉冲电源、200-激励线圈、300-测试传感器、400-卡具、500-处理器、600-导线，700-信号放大器和800-信号传输数据线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试***及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试***。

图1是本发明一个实施例的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试***结构示意图。

如图1所示，该***10包括：脉冲电源100、激励线圈200、测试传感器300、卡具400和处理器500。

其中，脉冲电源100与激励线圈200连接，脉冲电源100为激励线圈200提供预设大小的电流；测试传感器300和待测刀具置于激励线圈200内部，且利用卡具400将测试传感器300贴于待测刀具的上表面，激励线圈200为待测刀具提供交变磁场，测试传感器300用于采集待测刀具受磁场影响后产生的应力波；处理器500与测试传感器300连接，处理器500用于接收并处理应力波，输出待测刀具的残余应力水平。本发明实施例的刀具残余应力测试***结构单且好操作，评估整体的残余应力水平，准确程度良好的情况下，时效性大大提高。

进一步地，本发明实施例还包括：导线600，信号放大器700和信号传输数据线800。其中，导线600用于连接脉冲电源100与激励线圈200；信号放大器700分别与测试传感器300和处理器500连接，用于放大应力波；信号传输数据线800，用于将应力波传输至处理器500。

需要说明的是，本发明实施例脉冲线圈匝数可设置为100匝铜线绕制，铜线可通过最大电流为100A；声发射***采用PAC公司提供的PCI-2信号采集卡，2/4/6信号放大器以及nano30传感器，信号处理软件为AEwin；电源为频率可调、电流可调，输出电流模式可调的综合电源，频率范围从1～50Hz，电流范围从0～10A，模式可选择方波、三角波、正弦波等。需要说明的是，本领域技术人员，可根据实际情况选取器件种类及参数，在此不做具体限定。

进一步地，测试传感器与待测刀具的固定需要借助卡具，如图2所示，两侧通过卡具的转盘对待测刀具进行夹持固定，声发射传感器贴于测试刀具的上表面，表面接触之处涂覆耦合剂。声发射传感器与待测刀具之间需要通过卡具的螺旋压头进行固定，保证测试时信号传输的稳定性。

进一步地，在本发明的一个实施例中，测试传感器300用于采集待测刀具受磁场影响后产生的应力波，具体为：在变交磁场作用下，待测刀具的晶格发生磁致伸缩现象，两个磁畴内产生相对位移，相对位移引起应力波，并将应力波释放，测试传感器300将应力波采集。

具体而言，待测刀具可采用铁磁性材料或顺磁性材料，待测刀具在变交磁场的作用下发生磁致伸缩现象，即晶格的弹性变形，其长度与体积会发生变化。磁化时，内部的磁畴壁会发生突然的移动和磁化矢量的转动，两个磁畴内的磁致伸缩不一致，出现相对位移，而该相对位移引起应力波并释放出来，贴于待测刀具表面的测试传感器感应到信号，将应力波采集。

综上，本发明实施例的工作原理为：脉冲电源100通过导线600将电流传输给激励线圈200，通电后的激励线圈200产生交变磁场，位于激励线圈200内部的待测刀具受磁场影响内部的磁畴壁发生相对位移，产生并释放出应力波，贴于待测刀具表面的测试传感器300感应到信号，将应力波采集，并通过信号传输数据线800传输至信号放大器700或直接传输给处理器500，处理器接收到应力波后，利用待测刀具磁畴区的体积微元的非弹性应变张量表示应力波，处理非弹性应变张量得到MAE信号强度，根据MAE信号强度评估待测刀具的残余应力水平，输出待测刀具的残余应力水平。

其中，非弹性应变张量与MAE信号强度的关系公式为：

式中，V_p为残余应力，C为待测刀具的材料参数，ΔV为磁畴区的待测刀具体积微元，Δε为非弹性应变张量，τ为Δε增长的时间。

根据上式可以判断，MAE信号的强度与磁畴内部的非弹性应变成正比关系，因此MAE信号强度与材料内部的残余应力水平呈正比，可以通过观察MAE信号的强度来评估材料内部的残余应力水平。

下面通过评估接受信号的振铃计数率、幅值和峰值频率来分析待测刀具内部的残余应力水平及分布状况。

为检验评估效果，特取相同尺寸的45钢试块(φ20,h＝10)2块，分别经过退火和淬火处理。然后进行磁激励下的磁声发射检验，可评估振铃计数率、信号幅值等参数，从而推测残余应力水平。振铃计数率统计为单位时间内信号振铃数，而信号的单位均值幅度为单位时间内所有撞击信号的幅值的平均值。

如图3和4所示，残余应力水平高的淬火45钢，其声发射信号的幅值和振铃呈现很高的水平，而退火态45钢的声发射信号幅值和振铃水平很低。依据这一方法，在测试刀具的残余应力水平时，只要以退火态的同款刀具作为对比组，即可评价处理刀具的残余应力水平。

根据本发明实施例提出的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试***，***结构简单，成本低，操作简便，且评估整体的残余应力水平，准确程度良好的情况下，时效性大大提高，具有极高的效率和不错的准确性，同时不损伤试样。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试方法流程图。

如图5所示，该基于磁声发射原理的刀具残余应力测试方法，采用上述的刀具残余应力***，包括以下步骤：

在步骤S501中，向激励线圈输入预设大小电流，使待测刀具置于预设大小的变交磁场中。

在步骤S502中，利用测试传感器采集待测刀具受磁场影响产生的应力波。

进一步地，在本发明的一个实施例中，利用测试传感器采集待测刀具受磁场影响产生的应力波，包括：

在变交磁场作用下，待测刀具的晶格发生磁致伸缩现象，两个磁畴内产生相对位移，相对位移引起应力波，并将应力波释放；

测试传感器检测到待测刀具的信号变化，将应力波采集，其中，利用卡具将测试传感器贴于被测刀具的上表面。

在步骤S503中，将应力波传输至处理器进行处理，输出待测刀具的残余应力水平。

进一步地，在本发明的一个实施例中，将应力波传输至处理器进行处理，输出待测刀具的残余应力水平，包括：将应力波传输至处理器中，利用待测刀具磁畴区的体积微元的非弹性应变张量表示应力波；处理非弹性应变张量得到MAE信号强度，根据MAE信号强度评估待测刀具的残余应力水平。

进一步地，在本发明的一个实施例中，非弹性应变张量与MAE信号强度的关系公式为：

其中，V_p为残余应力，C为待测刀具的材料参数，ΔV为磁畴区的待测刀具体积微元，Δε为非弹性应变张量，τ为Δε增长的时间。

进一步地，在本发明的一个实施例中，MAE信号的强度与非弹性应变成张量正比关系，MAE信号强度与待测刀具的残余应力水平呈正比关系。

根据本发明实施例提出的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试方法，操作简便且非常经济，评估整体的残余应力水平，准确程度良好的情况下，时效性大大提高，具有极高的效率和不错的准确性，同时不损伤试样。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于磁声发射原理的刀具残余应力测试***，其特征在于，包括：脉冲电源、激励线圈、测试传感器、卡具和处理器，其中，

所述脉冲电源与所述激励线圈连接，所述脉冲电源为所述激励线圈提供预设大小的电流；

所述测试传感器和待测刀具置于所述激励线圈内部，且利用所述卡具将所述测试传感器贴于所述待测刀具的上表面，所述激励线圈为所述待测刀具提供交变磁场，所述测试传感器用于采集所述待测刀具受磁场影响后产生的应力波；

所述处理器与所述测试传感器连接，所述处理器用于接收并处理所述应力波，输出所述待测刀具的残余应力水平。

2.根据权利要求1所述的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试***，其特征在于，所述卡具包括：两个转盘和螺旋压头，所述两个转盘置于待测刀具两侧，用于夹持固定被测刀具，所述螺旋压头用于将传感器贴于所述待测刀具的上表面。

3.根据权利要求1所述的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试***，其特征在于，所述测试传感器与所述待测刀具的接触面涂覆耦合剂。

4.根据权利要求1所述的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试***，其特征在于，还包括：

导线，用于连接所述脉冲电源与所述激励线圈；

信号放大器，所述信号放大器分别与所述测试传感器和所述处理器连接，用于放大所述应力波；

信号传输数据线，用于将所述应力波传输至所述处理器。

5.根据权利要求1所述的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试***，其特征在于，所述测试传感器用于采集所述待测刀具受磁场影响后产生的应力波，具体为：

在所述变交磁场作用下，所述待测刀具的晶格发生磁致伸缩现象，两个磁畴内产生相对位移，所述相对位移引起所述应力波，并将所述应力波释放，所述测试传感器将所述应力波采集。

6.一种基于磁声发射原理的刀具残余应力测试方法，采用上述权利要求1-5所述的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试***，其特征在于，包括以下步骤：

向激励线圈输入预设大小电流，使待测刀具置于预设大小的变交磁场中；

利用测试传感器采集所述待测刀具受磁场影响产生的应力波；以及

将所述应力波传输至处理器进行处理，输出所述待测刀具的残余应力水平。

7.根据权利要求6所述的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试方法，其特征在于，所述利用测试传感器采集所述待测刀具受磁场影响产生的应力波，包括：

在所述变交磁场作用下，所述待测刀具的晶格发生磁致伸缩现象，两个磁畴内产生相对位移，所述相对位移引起所述应力波，并将所述应力波释放；

所述测试传感器检测到所述待测刀具的信号变化，将所述应力波采集，其中，利用卡具将所述测试传感器贴于被测刀具的上表面。

8.根据权利要求6所述的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试方法，其特征在于，所述将所述应力波传输至处理器进行处理，输出所述待测刀具的残余应力水平，包括：

将所述应力波传输至所述处理器中，利用所述待测刀具磁畴区的体积微元的非弹性应变张量表示所述应力波；

处理所述非弹性应变张量得到MAE信号强度，根据所述MAE信号强度评估所述待测刀具的残余应力水平。

9.根据权利要求8所述的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试方法，其特征在于，所述非弹性应变张量与所述MAE信号强度的关系公式为：

其中，V_p为残余应力，C为待测刀具的材料参数，ΔV为磁畴区的待测刀具体积微元，Δε为非弹性应变张量，τ为Δε增长的时间。

10.根据权利要求9所述的基于磁声发射原理的刀具残余应力测试方法，其特征在于，所述MAE信号的强度与所述非弹性应变成张量正比关系，所述MAE信号强度与所述待测刀具的残余应力水平呈正比关系。

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