航空發(fā)動(dòng)機(jī)三支點(diǎn)軸承件的超聲波檢測(cè)技術(shù)

王 玲

（沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110015）

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)三支點(diǎn)軸承件在使用時(shí)出現(xiàn)內(nèi)圈金屬軌道脫落，造成滑油污染，堵塞滑油濾網(wǎng)，引起滑油傳感器報(bào)警，影響發(fā)動(dòng)機(jī)使用。經(jīng)分析內(nèi)圈金屬脫落為零件內(nèi)部鍛造缺陷擴(kuò)展所致，而該零件在裝機(jī)前未進(jìn)行無損檢測(cè)。因此，為了保證軸承軌道及其內(nèi)部質(zhì)量，需對(duì)其進(jìn)行無損檢測(cè)。

在目前的五大常規(guī)檢測(cè)方法中，滲透、磁粉和渦流檢測(cè)法主要是檢測(cè)表面及近表面缺陷，因此，不考慮采用該三種方法。射線檢測(cè)，雖然對(duì)零件結(jié)構(gòu)沒有特殊要求，且檢測(cè)靈敏度較高，但不適合檢測(cè)鍛造類缺陷，容易造成漏檢?；谝陨峡紤]，只有采用超聲波進(jìn)行檢測(cè)。

由于目前國(guó)內(nèi)還沒有現(xiàn)行的軸承鋼無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)可供參考，而且以前該三支點(diǎn)軸承件一直未進(jìn)行過無損檢測(cè)，因此采用超聲波檢測(cè)存在以下幾個(gè)問題：

第一沒有相關(guān)的檢測(cè)技術(shù)及相應(yīng)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可供參考，需要試驗(yàn)及分析以確定具體的檢測(cè)技術(shù)及相關(guān)參數(shù)。

第二為了防止后續(xù)零件出現(xiàn)內(nèi)圈金屬軌道脫落的現(xiàn)象，在檢測(cè)試驗(yàn)過程中，需要采用高靈敏度檢測(cè)技術(shù)，以保證檢出所有微小缺陷；需要采用特殊的探頭和試塊。這都對(duì)檢測(cè)的實(shí)施帶來極大的挑戰(zhàn)。

第三裝機(jī)后返廠零件形狀復(fù)雜。內(nèi)圈已經(jīng)加工相應(yīng)的軌道，致使零件形狀復(fù)雜，給檢測(cè)帶來了諸多困難。

筆者通過試驗(yàn)確定了超聲波檢測(cè)參數(shù)，對(duì)比試塊，檢測(cè)工藝，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了超聲波檢測(cè)該工件的可靠性。

1 檢測(cè)技術(shù)的確定

1.1 三支點(diǎn)軸承件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

三支點(diǎn)軸承件屬于環(huán)形件，其主要尺寸和結(jié)構(gòu)如圖1所示。毛坯狀態(tài)時(shí)內(nèi)外壁表面光滑，上下端面平行，表面加工余量較小，約為2mm。成品狀態(tài)時(shí)壁厚較小，且內(nèi)壁加工軌道，帶有曲率很小的圓弧面。

圖1 三支點(diǎn)軸承結(jié)構(gòu)圖

1.2 超聲波檢測(cè)技術(shù)的選擇

環(huán)形件超聲波檢驗(yàn)一般采用接觸法或者水浸法［1］。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，水浸法在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)、減少人為因素影響、提高檢測(cè)可靠性等方面的優(yōu)勢(shì)，越來越為人們所認(rèn)知。因此，對(duì)重要零件進(jìn)行高分辨力、高靈敏度和高可靠性的檢測(cè)時(shí)，更多的選擇超聲波水浸法進(jìn)行檢測(cè)。

該三支點(diǎn)軸承件材料為軸承鋼，材料內(nèi)部缺陷較小，表面加工余量?jī)H為2 mm，必須采用高靈敏度、高分辨力的檢測(cè)技術(shù)，以保證所有微小缺陷的檢出。因此，宜采用水浸法進(jìn)行檢測(cè)，如圖2所示。

圖2 水浸法檢測(cè)的原理圖

為檢測(cè)材料中的微小缺陷，提高小缺陷反射超聲信號(hào)幅度和信噪比是關(guān)鍵要素［2］。為此筆者采用了超聲聚焦檢測(cè)技術(shù)。由于聚焦聲束在聚焦區(qū)能量集中度較高，聲壓提高較明顯，因此小缺陷反射幅度高；其次，基體材料被聲束穿過部分的體積較小，相對(duì)應(yīng)引起的散射噪聲也較小，因此信噪比也較好，這樣可明顯提高小缺陷檢測(cè)的靈敏度和信噪比。

綜上，水浸聚焦檢測(cè)技術(shù)可很好地滿足三支點(diǎn)軸承件高靈敏度、高信噪比的檢測(cè)要求。

2 超聲波檢測(cè)參數(shù)選擇

2.1 探頭參數(shù)

2.1.1 超聲波檢測(cè)頻率

超聲波檢測(cè)頻率是超聲波對(duì)缺陷探測(cè)能力的主要決定因素［3］。頻率高時(shí)，因其波長(zhǎng)短、聲束窄、擴(kuò)散角小、能量集中，因此發(fā)現(xiàn)小缺陷的能力強(qiáng)，橫向分辨力好，缺陷定位準(zhǔn)確。

幾種常用水浸探頭的參數(shù)如表1所示。由于三支點(diǎn)軸承件厚度和余量較小，為提高信噪比，適合選擇10 MHz的頻率進(jìn)行探傷。

表1 常用水浸探頭參數(shù)

2.1.2 探頭的類型

聲透鏡加上水浸平探頭則可產(chǎn)生聚焦聲束，組成聚焦探頭。聚焦可使聲束在一定范圍深度內(nèi)直徑變窄，聲強(qiáng)增高，也可使部分區(qū)域的檢測(cè)靈敏度、信噪比及橫向分辨力參數(shù)提高，同時(shí)還可提高C 掃描檢測(cè)中的圖像分辨率。聚焦探頭的能量集中，發(fā)現(xiàn)小缺陷的能力強(qiáng)。

2.2 檢測(cè)儀器

由于采用高頻水浸聚焦檢測(cè)技術(shù)，因此選擇的檢測(cè)設(shè)備應(yīng)具有較寬的頻帶寬度及低噪聲電平，發(fā)射脈沖可調(diào)為窄脈沖和高阻尼。為了對(duì)零件實(shí)施完全的檢測(cè)，檢測(cè)設(shè)備應(yīng)能夠方便三支點(diǎn)軸承件的裝夾；系統(tǒng)至少具有A 掃和C 掃這兩種顯示模式，以方便缺陷的評(píng)定。

為此，選擇了以色列SCANMASTER 公司的盤環(huán)件超聲水浸檢測(cè)系統(tǒng)，型號(hào)為L(zhǎng)S200－LP，該系統(tǒng)精度高，具有專業(yè)化的程序軟件，適宜高靈敏度下環(huán)形件的水浸探傷。

2.3 對(duì)比試塊

由于該三支點(diǎn)軸承件是首次進(jìn)行超聲波檢測(cè)，且檢測(cè)靈敏度高，需要采用同材料不同埋藏深度的一組對(duì)比試塊來調(diào)節(jié)檢測(cè)靈敏度。根據(jù)該三支點(diǎn)軸承件的加工余量和檢測(cè)厚度，最終采用4013316－417試塊組，如圖3所示。試塊內(nèi)埋藏的平底孔孔徑為φ0.4mm，孔深范圍1.5～40mm。

圖3 4013316－417對(duì)比試塊組外觀

2.4 檢測(cè)面

選擇檢測(cè)面應(yīng)最先考慮缺陷的最大可能取向。若缺陷的主反射面近似平行于試件的某一表面，應(yīng)選擇從此表面入射的垂直入射縱波，達(dá)到缺陷的主反射面與聲束軸線接近垂直，這樣檢測(cè)缺陷最為有利。但是三支點(diǎn)軸承件的缺陷主要是沿著平行于圓周的方向分布，因此，宜采用從外圓方向垂直入射的縱波進(jìn)行檢測(cè)。

3 超聲波檢測(cè)工藝

3.1 檢測(cè)靈敏度的調(diào)整

將4013316－417試塊組的6個(gè)試塊（缺陷埋深分別為：1.52，3.18，6.35，12.7，25.4，38.1mm）按照厚度由小到大的順序依次擺放在試塊架上。將HGE－5827－A 探頭置于第一個(gè)試塊上，將最淺孔（埋深1.52mm）的最高反射波高調(diào)至80%，此時(shí)靈敏度為基準(zhǔn)靈敏度，此后不改變基準(zhǔn)靈敏度，記錄其余各孔的波高達(dá)到80%時(shí)的增益值，完成TCG 曲線的繪制。

曲線制作完畢后，為了達(dá)到較高的檢測(cè)靈敏度（一般不低于φ0.4～10dB），需再將增益提高10dB。

3.2 缺陷的識(shí)別與評(píng)定

為防止漏檢，檢測(cè)時(shí)對(duì)波高超過30%的顯示信號(hào)進(jìn)行記錄，包括缺陷的埋深，大小并在零件上定位，標(biāo)記出缺陷表面位置。

對(duì)三支點(diǎn)軸承件進(jìn)行超聲波檢測(cè)，顯示方式為兩種：A 掃描和C掃描。

A 掃描方式：采用直角坐標(biāo)系來顯示超聲信號(hào)幅度與傳播時(shí)間的關(guān)系，縱坐標(biāo)為信號(hào)幅度，橫坐標(biāo)為時(shí)間。由于水浸法檢測(cè)的傳播介質(zhì)是水，水是均質(zhì)材料，則超聲波在水中傳播聲速是恒定的，因此傳播時(shí)間可轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞑ゾ嚯x。因此，可以從A 型顯示中得到反射面距入射面的距離（縱波垂直入射檢驗(yàn)時(shí)顯示缺陷的深度），及回波幅度的大小（用來判斷缺陷的當(dāng)量尺寸）。軸承超聲波檢測(cè)的方向是沿軸向掃查，從A 型顯示中可讀出缺陷的埋深和當(dāng)量大小，如圖4所示。

圖4 三支點(diǎn)軸承件的A 掃描信號(hào)圖

C掃描方式：采用試件的平面投影圖，利用探頭對(duì)該試件表面進(jìn)行二維掃查，探頭的掃查位置對(duì)應(yīng)顯示屏的二維坐標(biāo)。探頭的每一移動(dòng)位置，采用電子門對(duì)應(yīng)選出某一深度范圍的信號(hào)幅度，信號(hào)的幅度大小可用亮度或顏色表示，并在對(duì)應(yīng)的探頭位置上顯示，最終可得到某一深度范圍缺陷的二維形狀與分布。

掃描圖像底部有一條色帶，不同的顏色代表不同大小的信號(hào)幅度。如果零件內(nèi)部無缺陷或者材質(zhì)均勻，則C 掃描圖像的顯示會(huì)很均勻，顏色也基本相同。反之，若在C 掃描圖像上發(fā)現(xiàn)局部顏色與周圍呈現(xiàn)的顏色不同的部位，則需將探頭移動(dòng)到該反射信號(hào)處，結(jié)合其A 掃描圖像進(jìn)行評(píng)定，若A 掃描圖上界面波和底波之間有反射波存在，則一般被認(rèn)為是缺陷反射信號(hào)，此刻探頭的位置即認(rèn)為是缺陷所在部位，如圖5所示。

圖5 三支點(diǎn)軸承件的C掃描缺陷反射信號(hào)圖

3.3 檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)對(duì)象為80件三支點(diǎn)軸承件。檢測(cè)結(jié)果為該80件三支點(diǎn)軸承件采用超聲法水浸法聚焦檢測(cè)，其中45件合格，35件發(fā)現(xiàn)有明顯的缺陷信號(hào)。缺陷件的C掃描圖像如圖6所示。

圖6 缺陷埋深為3.35 mm，距邊緣位置為34mm，當(dāng)量大小為φ0.4～8dB，且該缺陷顯示信號(hào)成片狀顯示，為密集型缺陷。對(duì)該缺陷件進(jìn)行理化失效分析，檢測(cè)結(jié)果為夾渣缺陷。

圖6 存在缺陷的三支點(diǎn)軸承件C掃描信號(hào)圖

4 結(jié)論

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)三支點(diǎn)軸承件采用水浸超聲聚焦檢測(cè)技術(shù)，在檢測(cè)靈敏度不低于φ0.4～10dB的情況下，可以有效保證內(nèi)部缺陷的檢出，且經(jīng)過理化分析，證明檢測(cè)方法是可靠的，能夠用于工業(yè)生產(chǎn)中。

［1］胡天明.超聲檢測(cè)［M］.武漢：測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1994.

［2］史亦偉.超聲檢測(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］李家偉，陳積懋.無損檢測(cè)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.