基于紅外熱波無損檢測技術的汽車零部件制造工藝穩(wěn)健性能

康帆，蔚亞，張強

(西安航空職業(yè)技術學院 a. 汽車工程學院； b. 航空制造工程中心，陜西 西安 710089)

0 引言

對汽車零部件制造行業(yè)而言，從某種發(fā)展趨勢上看，零部件開發(fā)成功或失敗的關鍵因素不在于企業(yè)自身的產(chǎn)業(yè)結構，而在于項目開發(fā)過程中行之有效、符合實際的技術創(chuàng)新能力。在汽車零部件制造加工過程中，采用計算機輔助的設計方法，進行汽車零部件制造工藝設計，可以降低汽車零部件的設計和加工誤差。汽車零部件設計因受到小擾動和非線性力學特征的影響，導致汽車零部件設計的定位誤差較大，加工的非線性小擾動作用特征明顯。汽車零部件制造工藝技術創(chuàng)新是同領域中其他企業(yè)難以復制和模仿的，也不是簡單地依靠加大投入資金、購買更多先進設備就能夠做到的。由此可見，通過穩(wěn)定性能更強的制造工藝制造性能生產(chǎn)出更好的零件，才是汽車零部件行業(yè)發(fā)展的方向[1]。

紅外熱波無損檢測技術在檢測的過程中不會損壞被檢測對象，對產(chǎn)成品的安全可靠保證、特殊設備的使用等方面均有保障，在提高勞動生產(chǎn)效率的同時，節(jié)約了制造成本、降低企業(yè)制造費用[2]。隨著汽車性能的不斷提升，零部件結構日趨復雜，功能要求越來越高，常規(guī)的紅外熱波無損檢測技術已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段的檢測要求，因此提出全新的紅外熱波無損檢測技術，實現(xiàn)對汽車新型零部件制造工藝穩(wěn)健性能的精準檢測。所提出的紅外熱波無損檢測方法以常規(guī)方法為基礎，將高頻電磁波作為媒介信息交換的基本工具，根據(jù)零件結構的特殊性、材料的自身屬性設置檢測節(jié)點，檢測零件表面粗糙度、裂紋深度、劃痕寬度等數(shù)據(jù)，以此實現(xiàn)其穩(wěn)定性能的檢測[3]。所提出紅外熱波無損檢測方法，對于常規(guī)汽車零件和復雜汽車零件同樣適用，為促進零件制造行業(yè)的發(fā)展，提供了更加精準的檢測技術支持。

1 汽車零部件制造工藝穩(wěn)健性能紅外熱波無損檢測

汽車是由大型框架梁結構、發(fā)動機、底盤以及其他電器設備構成，通過制動系統(tǒng)驅動而行駛的車輛。

1.1 建立紅外熱波無損檢測模型

紅外熱波無損檢測以熱傳導效應機制為核心，存在一維傳導效應模型，在紅外熱波傳導脈沖熱源表面施加一定傳感壓力，同時通過紅外熱波方式向實驗試件內(nèi)部依次連續(xù)傳播，且隨著時間的變化而改變。當與不同介質(zhì)相遇時，透過所接觸介質(zhì)邊緣繼續(xù)傳播。紅外熱波無損檢測具有如下特點：

1) 研究了多種方便、精確的熱激勵方式；

2) 現(xiàn)已由定性研究向定量研究發(fā)展；

3) 缺陷可自動識別等；

4) 紅外線情報處理的智能化發(fā)展；

5) 對材料內(nèi)部熱紅外無損檢測技術進行深入研究；

6) 研究自動檢測系統(tǒng)及便攜式檢測系統(tǒng)。

光譜分析技術可以實現(xiàn)對汽車零件的性能檢測，因此以光譜傳輸特性為依據(jù)，建立紅外熱波無損檢測模型。已知零件構成材料有散射的特性，滿足輻射方程的散射近似條件，因此可根據(jù)洛倫茲函數(shù)基本原理，計算零件的散射光強度，函數(shù)公式為：

(1)

式中：P表示所求的散射光強度值；k表示洛倫茲曲線分布的漸進值；s表示檢測光入射點處洛倫茲曲線的最大峰值；d表示距離入射點即曲線中心點的水平距離；c表示散射曲線的半波帶寬。已知汽車零件的光傳輸路徑如圖1所示，計算洛倫茲擬合系數(shù)，獲取零部件在三維空間內(nèi)的散射規(guī)律[4]。

圖1 零件光傳輸路徑示意圖

圖1中，L1,L2,…,Ln表示零件上任意一個檢測節(jié)點與光譜檢測儀之間的距離。通過變換光源和儀器距離得到深度不同的汽車零部件組織信息。根據(jù)高斯函數(shù)計算擬合系數(shù)：

(2)

式中：H表示擬合系數(shù)；a表示擬合可靠程度；e表示指數(shù)；ε表示固定常數(shù)指標。結合式(1)和式(2)，同時根據(jù)圖2中的傳輸路徑，可得擬合相關系數(shù)。當系數(shù)H>0.99時說明擬合結果可靠，經(jīng)計算H=0.999 4，可利用分布函數(shù)描述光在零部件組織內(nèi)的空間散射規(guī)律[5]，空間分辨曲線如圖2所示。

圖2 擬合的空間分辨曲線

假設規(guī)律約束條件為λ，則建立的紅外熱波無損檢測模型可用下列函數(shù)描述：

(3)

式中：Ev表示體積為v的零部件紅外熱波無損檢測結果；ω表示光譜分析強度；n表示檢測次數(shù)；i表示檢測節(jié)點數(shù)量；f(*)表示被約束的分布函數(shù)[6]。至此紅外熱波無損檢測模型建立完畢，可進行下一步檢測工作。

1.2 可靠性分析法獲取零件拓撲結構

基于上述建立的檢測模型，利用可靠性分析算法獲取零部件的拓撲結構，該算法可描述為：

(4)

圖3 隨機變量空間

由于汽車零部件拓撲結構是多層嵌套式結構，因此根據(jù)可靠度指標的幾何定義，結合圖3中的區(qū)域劃分，獲取拓撲結構約束條件：

(5)

式中:u表示零部件最可能失穩(wěn)的位置節(jié)點；γ表示可靠度指標[8-9]。基于紅外熱波無損檢測的汽車零部件超臨界的損傷特征原因分布如圖4所示。

圖4 紅外熱波無損檢測損傷特征原因分布

綜合上述特征原因分布，通過功能函數(shù)得到零部件的拓撲結構，該結構中的關鍵數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 零部件拓撲結構參數(shù)信息表

根據(jù)表1中的參數(shù)與標準值進行對比，若滿足制造工藝標準，則證明得到的結構與零件實際情況吻合。

1.3 補償檢測靈敏度

根據(jù)拓撲結構可知零部件的詳細幾何結構，可知關聯(lián)的零部件集成之間的厚度不一，利用紅外熱波無損檢測模型檢測穩(wěn)定性能時會出現(xiàn)檢測誤差，因此需要對檢測靈敏度進行補償，以保證光譜檢測過程中發(fā)射器可以自動調(diào)整入射聲壓，控制檢測結果精度[10]。靈敏度補償示意圖如圖5所示。

圖5 靈敏度補償要求

已知被檢測汽車零部件對超聲信號的衰減量，主要與零件集成的厚度變化有關。圖5中黑點代表采樣位置，為了實現(xiàn)零件集成中接收各個部位檢測信號的幅值保持一致，對每個采樣點對應的不同厚度值，補償不同的靈敏度，因此得到靈敏度與零件厚度之間關系的增益函數(shù)為：

f(i,j)=g(r,φ)

(6)

式中：f(i,j)表示第i行j列內(nèi)所有節(jié)點之間關系的增益函數(shù)函數(shù)；r表示零部件厚度值；φ表示零部件的曲率；g(*)表示比較函數(shù)。由于零部件集成相較于單獨的零部件而言，集成內(nèi)部超聲信號的傳播途徑和傳播方式更為復雜，對于紅外熱波無損檢測來說難度極大[11]，因此設置一個底波位置替換厚度參數(shù)r，存在r′=s(x,y,z)，x、y、z為采樣點曲面的三維坐標值。已知曲率的表達式為φ=c(x,y,z)，聯(lián)立上述公式可得新的增益函數(shù)：

f(i,j)=g′[s(x,y,z),c(x,y,z)]

(7)

改寫上述公式，得到：

f(i,j)=g′(x,y,z)

(8)

可見只要獲取檢測采樣點位置的具體坐標信息x、y、z與增益值的函數(shù)g′，就可以實現(xiàn)對紅外熱波無損檢測靈敏度的補償[12]。

1.4 小波多尺度分析零件穩(wěn)健性能

假設φ(z)表示任意正交小波，{φa,m(z)}是根據(jù)該小波生成的M2(S)空間正交基，任意f(z)∈M2(S)可被表示為小波級數(shù)：

(9)

則根據(jù)上式可推導出：

(10)

式中：a表示固定正交線性參數(shù)；n表示小波正交次數(shù)。由于零部件邊緣與表面的成像性質(zhì)不一致，因此設置平滑函數(shù)，通過控制零部件成像的邊緣連續(xù)程度，滿足小波基的容許性條件[13]。該平滑函數(shù)為：

(11)

方程組中β(x,y)表示平滑函數(shù)。根據(jù)所獲結果調(diào)整光譜儀器，運行紅外熱波無損檢測模型，通過判別函數(shù)得到穩(wěn)定性能判別結果[14]。已知判別函數(shù)結構如圖6所示。

圖6 判別函數(shù)分層結構

圖6中n表示結構層數(shù)；D1,D2,…,Dn表示每一層內(nèi)的判別子集。由此得到汽車零部件的失穩(wěn)指標為：

(12)

式中ST表示失穩(wěn)判斷指標。將該指標與標準許用應力指標對照，得出零部件制造工藝的穩(wěn)健性能，實現(xiàn)對零部件的紅外熱波無損檢測[15]。

2 實驗測試與數(shù)據(jù)分析

提出對比實驗方案，測試基于紅外熱波無損檢測以及常規(guī)紅外熱波無損檢測的汽車零部件制造工藝穩(wěn)健性能，分析兩種檢測技術影響下零部件的許用應力，得出有關制造工藝穩(wěn)健性能的測試結果。

2.1 實驗準備

搭建測試平臺，導入紅外熱波無損檢測系統(tǒng)，實驗測試環(huán)境如圖7所示。

圖7 實驗測試環(huán)境

按照圖7所示連接測試硬件，將諧振器探頭緊貼待檢測零件表面，將同軸線連接在頻譜儀上接收回波信號；再將回波信號接入控制主板，與計算機串口相連，建立完整的汽車零部件制造工藝穩(wěn)健性能紅外熱波無損檢測系統(tǒng)。此次測試分兩組進行，一組為所提出紅外熱波無損檢測方法的實驗測試組；另一組為常規(guī)紅外熱波無損檢測方法的對照測試組，實驗測試選取的汽車零部件如圖8所示。

圖8 實驗測試對象

已知選取的第1組和第2組待測零件中，#1為穩(wěn)健性較差的零部件。實驗對象選取結束后測試關鍵檢測硬件的運行狀態(tài)。經(jīng)由30min系統(tǒng)測試，探頭與其他硬件均正常工作，頻譜儀可以輸出穩(wěn)定的3.5GHz頻率信號，運作檢測示意圖如圖9所示。

圖9 信號源運作監(jiān)測圖像界面

圖9界面中，頻譜儀顯示的中心頻點在3.5GHz上，說明測試系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，可以開始實驗。

2.2 結果分析

記錄兩種檢測技術下，汽車零部件的電平數(shù)據(jù)，分析零部件的許用應力，測試出實驗對象的穩(wěn)健性能。測試過程中，在測試對象上分別設置若干個檢測節(jié)點，將諧振器探頭與這些節(jié)點相連，得到不同零部件結構表面的介電特性，其中常規(guī)無損檢測標準值如表2所示，所提出紅外熱波無損檢測方法下的實驗組測試結果與常規(guī)紅外熱波無損檢測下的對照組測試結果，分別如表3、表4所示。

表2 標準值結果 單位：mV

表3 實驗組測試結果 單位：mV

表4 對照組測試結果 單位：mV

由表2、表3和表4的實驗測試結果可知，所提出的紅外熱波無損檢測技術得到的應力值與標準值相近，而對照組測試結果和標準值相差較大。4個測試樣本的反射波值均從小增大到最大值，然后再降低，可見兩種檢測技術下的測試結果可信。根據(jù)上述檢測技術的測試數(shù)據(jù)，計算汽車零件許用應力的計算模型為：

(13)

已知最大許用應力為1 MPa。經(jīng)計算，所提出紅外熱波無損檢測技術得到穩(wěn)定性好的零件最大應力結果為0.962 5 MPa；得到穩(wěn)定性差的零件最大應力結果為1.412 2 MPa。傳統(tǒng)紅外熱波無損檢測技術得到穩(wěn)定性好的零件的最大應力結果為0.944 7 MPa；得到穩(wěn)定性差的零件的最大應力結果為1.126 5 MPa。綜合上述實驗結果，可知所提出的紅外熱波無損檢測技術對汽車零部件制造工藝穩(wěn)定性的檢測更加貼合實際。

3 結語

目前，汽車零件生產(chǎn)企業(yè)，以新產(chǎn)品開發(fā)為載體，增強企業(yè)的自主開發(fā)能力和創(chuàng)新技術，通過紅外熱波無損檢測技術，對汽車零部件進行可靠檢測，對被檢測對象的穩(wěn)定性能做出有效評價。基于紅外熱波無損檢測提出的汽車零部件制造工藝穩(wěn)定性檢測方法，通過分析零件拓撲結構、汽車運行狀態(tài)下的振動幅值等參數(shù)，得到零件的最大許用應力。根據(jù)零件的最大應力值，判斷汽車零件在投入使用過程中的運轉是否安全，以此得出制造工藝的穩(wěn)定性能。該技術彌補常規(guī)紅外熱波無損檢測技術的缺陷，實現(xiàn)對零件性能的精準檢測。但該檢測在計算步驟上相對復雜，易產(chǎn)生誤差，因此在計算過程中要注意數(shù)據(jù)的真實性和可靠性。