基于紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的汽車(chē)零部件制造工藝穩(wěn)健性能

康帆，蔚亞，張強(qiáng)

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a. 汽車(chē)工程學(xué)院； b. 航空制造工程中心，陜西 西安 710089)

0 引言

對(duì)汽車(chē)零部件制造行業(yè)而言，從某種發(fā)展趨勢(shì)上看，零部件開(kāi)發(fā)成功或失敗的關(guān)鍵因素不在于企業(yè)自身的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，而在于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中行之有效、符合實(shí)際的技術(shù)創(chuàng)新能力。在汽車(chē)零部件制造加工過(guò)程中，采用計(jì)算機(jī)輔助的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行汽車(chē)零部件制造工藝設(shè)計(jì)，可以降低汽車(chē)零部件的設(shè)計(jì)和加工誤差。汽車(chē)零部件設(shè)計(jì)因受到小擾動(dòng)和非線(xiàn)性力學(xué)特征的影響，導(dǎo)致汽車(chē)零部件設(shè)計(jì)的定位誤差較大，加工的非線(xiàn)性小擾動(dòng)作用特征明顯。汽車(chē)零部件制造工藝技術(shù)創(chuàng)新是同領(lǐng)域中其他企業(yè)難以復(fù)制和模仿的，也不是簡(jiǎn)單地依靠加大投入資金、購(gòu)買(mǎi)更多先進(jìn)設(shè)備就能夠做到的。由此可見(jiàn)，通過(guò)穩(wěn)定性能更強(qiáng)的制造工藝制造性能生產(chǎn)出更好的零件，才是汽車(chē)零部件行業(yè)發(fā)展的方向[1]。

紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)的過(guò)程中不會(huì)損壞被檢測(cè)對(duì)象，對(duì)產(chǎn)成品的安全可靠保證、特殊設(shè)備的使用等方面均有保障，在提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率的同時(shí)，節(jié)約了制造成本、降低企業(yè)制造費(fèi)用[2]。隨著汽車(chē)性能的不斷提升，零部件結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，功能要求越來(lái)越高，常規(guī)的紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)階段的檢測(cè)要求，因此提出全新的紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)新型零部件制造工藝穩(wěn)健性能的精準(zhǔn)檢測(cè)。所提出的紅外熱波無(wú)損檢測(cè)方法以常規(guī)方法為基礎(chǔ)，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(jié)構(gòu)的特殊性、材料的自身屬性設(shè)置檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，檢測(cè)零件表面粗糙度、裂紋深度、劃痕寬度等數(shù)據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定性能的檢測(cè)[3]。所提出紅外熱波無(wú)損檢測(cè)方法，對(duì)于常規(guī)汽車(chē)零件和復(fù)雜汽車(chē)零件同樣適用，為促進(jìn)零件制造行業(yè)的發(fā)展，提供了更加精準(zhǔn)的檢測(cè)技術(shù)支持。

1 汽車(chē)零部件制造工藝穩(wěn)健性能紅外熱波無(wú)損檢測(cè)

汽車(chē)是由大型框架梁結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)以及其他電器設(shè)備構(gòu)成，通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)而行駛的車(chē)輛。

1.1 建立紅外熱波無(wú)損檢測(cè)模型

紅外熱波無(wú)損檢測(cè)以熱傳導(dǎo)效應(yīng)機(jī)制為核心，存在一維傳導(dǎo)效應(yīng)模型，在紅外熱波傳導(dǎo)脈沖熱源表面施加一定傳感壓力，同時(shí)通過(guò)紅外熱波方式向?qū)嶒?yàn)試件內(nèi)部依次連續(xù)傳播，且隨著時(shí)間的變化而改變。當(dāng)與不同介質(zhì)相遇時(shí)，透過(guò)所接觸介質(zhì)邊緣繼續(xù)傳播。紅外熱波無(wú)損檢測(cè)具有如下特點(diǎn)：

1) 研究了多種方便、精確的熱激勵(lì)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(dòng)識(shí)別等；

4) 紅外線(xiàn)情報(bào)處理的智能化發(fā)展；

5) 對(duì)材料內(nèi)部熱紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入研究；

6) 研究自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)及便攜式檢測(cè)系統(tǒng)。

光譜分析技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)零件的性能檢測(cè)，因此以光譜傳輸特性為依據(jù)，建立紅外熱波無(wú)損檢測(cè)模型。已知零件構(gòu)成材料有散射的特性，滿(mǎn)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(jì)算零件的散射光強(qiáng)度，函數(shù)公式為：

(1)

式中：P表示所求的散射光強(qiáng)度值；k表示洛倫茲曲線(xiàn)分布的漸進(jìn)值；s表示檢測(cè)光入射點(diǎn)處洛倫茲曲線(xiàn)的最大峰值；d表示距離入射點(diǎn)即曲線(xiàn)中心點(diǎn)的水平距離；c表示散射曲線(xiàn)的半波帶寬。已知汽車(chē)零件的光傳輸路徑如圖1所示，計(jì)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(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)與光譜檢測(cè)儀之間的距離。通過(guò)變換光源和儀器距離得到深度不同的汽車(chē)零部件組織信息。根據(jù)高斯函數(shù)計(jì)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(biāo)。結(jié)合式(1)和式(2)，同時(shí)根據(jù)圖2中的傳輸路徑，可得擬合相關(guān)系數(shù)。當(dāng)系數(shù)H>0.99時(shí)說(shuō)明擬合結(jié)果可靠，經(jīng)計(jì)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(xiàn)如圖2所示。

圖2 擬合的空間分辨曲線(xiàn)

假設(shè)規(guī)律約束條件為λ，則建立的紅外熱波無(wú)損檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)結(jié)果；ω表示光譜分析強(qiáng)度；n表示檢測(cè)次數(shù)；i表示檢測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量；f(*)表示被約束的分布函數(shù)[6]。至此紅外熱波無(wú)損檢測(cè)模型建立完畢，可進(jìn)行下一步檢測(cè)工作。

1.2 可靠性分析法獲取零件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于上述建立的檢測(cè)模型，利用可靠性分析算法獲取零部件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該算法可描述為：

(4)

圖3 隨機(jī)變量空間

由于汽車(chē)零部件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多層嵌套式結(jié)構(gòu)，因此根據(jù)可靠度指標(biāo)的幾何定義，結(jié)合圖3中的區(qū)域劃分，獲取拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(diǎn)；γ表示可靠度指標(biāo)[8-9]。基于紅外熱波無(wú)損檢測(cè)的汽車(chē)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(wú)損檢測(cè)損傷特征原因分布

綜合上述特征原因分布，通過(guò)功能函數(shù)得到零部件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 零部件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)信息表

根據(jù)表1中的參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，若滿(mǎn)足制造工藝標(biāo)準(zhǔn)，則證明得到的結(jié)構(gòu)與零件實(shí)際情況吻合。

1.3 補(bǔ)償檢測(cè)靈敏度

根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知零部件的詳細(xì)幾何結(jié)構(gòu)，可知關(guān)聯(lián)的零部件集成之間的厚度不一，利用紅外熱波無(wú)損檢測(cè)模型檢測(cè)穩(wěn)定性能時(shí)會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)誤差，因此需要對(duì)檢測(cè)靈敏度進(jìn)行補(bǔ)償，以保證光譜檢測(cè)過(guò)程中發(fā)射器可以自動(dòng)調(diào)整入射聲壓，控制檢測(cè)結(jié)果精度[10]。靈敏度補(bǔ)償示意圖如圖5所示。

圖5 靈敏度補(bǔ)償要求

已知被檢測(cè)汽車(chē)零部件對(duì)超聲信號(hào)的衰減量，主要與零件集成的厚度變化有關(guān)。圖5中黑點(diǎn)代表采樣位置，為了實(shí)現(xiàn)零件集成中接收各個(gè)部位檢測(cè)信號(hào)的幅值保持一致，對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的不同厚度值，補(bǔ)償不同的靈敏度，因此得到靈敏度與零件厚度之間關(guān)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(diǎn)之間關(guān)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(dú)的零部件而言，集成內(nèi)部超聲信號(hào)的傳播途徑和傳播方式更為復(fù)雜，對(duì)于紅外熱波無(wú)損檢測(cè)來(lái)說(shuō)難度極大[11]，因此設(shè)置一個(gè)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(diǎn)曲面的三維坐標(biāo)值。已知曲率的表達(dá)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(xiě)上述公式，得到：

f(i,j)=g′(x,y,z)

(8)

可見(jiàn)只要獲取檢測(cè)采樣點(diǎn)位置的具體坐標(biāo)信息x、y、z與增益值的函數(shù)g′，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外熱波無(wú)損檢測(cè)靈敏度的補(bǔ)償[12]。

1.4 小波多尺度分析零件穩(wěn)健性能

假設(shè)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(jí)數(shù)：

(9)

則根據(jù)上式可推導(dǎo)出：

(10)

式中：a表示固定正交線(xiàn)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(shè)置平滑函數(shù)，通過(guò)控制零部件成像的邊緣連續(xù)程度，滿(mǎn)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(jié)果調(diào)整光譜儀器，運(yùn)行紅外熱波無(wú)損檢測(cè)模型，通過(guò)判別函數(shù)得到穩(wěn)定性能判別結(jié)果[14]。已知判別函數(shù)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 判別函數(shù)分層結(jié)構(gòu)

圖6中n表示結(jié)構(gòu)層數(shù)；D1,D2,…,Dn表示每一層內(nèi)的判別子集。由此得到汽車(chē)零部件的失穩(wěn)指標(biāo)為：

(12)

式中ST表示失穩(wěn)判斷指標(biāo)。將該指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力指標(biāo)對(duì)照，得出零部件制造工藝的穩(wěn)健性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件的紅外熱波無(wú)損檢測(cè)[15]。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

提出對(duì)比實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)試基于紅外熱波無(wú)損檢測(cè)以及常規(guī)紅外熱波無(wú)損檢測(cè)的汽車(chē)零部件制造工藝穩(wěn)健性能，分析兩種檢測(cè)技術(shù)影響下零部件的許用應(yīng)力，得出有關(guān)制造工藝穩(wěn)健性能的測(cè)試結(jié)果。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

搭建測(cè)試平臺(tái)，導(dǎo)入紅外熱波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境

按照?qǐng)D7所示連接測(cè)試硬件，將諧振器探頭緊貼待檢測(cè)零件表面，將同軸線(xiàn)連接在頻譜儀上接收回波信號(hào)；再將回波信號(hào)接入控制主板，與計(jì)算機(jī)串口相連，建立完整的汽車(chē)零部件制造工藝穩(wěn)健性能紅外熱波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。此次測(cè)試分兩組進(jìn)行，一組為所提出紅外熱波無(wú)損檢測(cè)方法的實(shí)驗(yàn)測(cè)試組；另一組為常規(guī)紅外熱波無(wú)損檢測(cè)方法的對(duì)照測(cè)試組，實(shí)驗(yàn)測(cè)試選取的汽車(chē)零部件如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象

已知選取的第1組和第2組待測(cè)零件中，#1為穩(wěn)健性較差的零部件。實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取結(jié)束后測(cè)試關(guān)鍵檢測(cè)硬件的運(yùn)行狀態(tài)。經(jīng)由30min系統(tǒng)測(cè)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(hào)，運(yùn)作檢測(cè)示意圖如圖9所示。

圖9 信號(hào)源運(yùn)作監(jiān)測(cè)圖像界面

圖9界面中，頻譜儀顯示的中心頻點(diǎn)在3.5GHz上，說(shuō)明測(cè)試系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，可以開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

2.2 結(jié)果分析

記錄兩種檢測(cè)技術(shù)下，汽車(chē)零部件的電平數(shù)據(jù)，分析零部件的許用應(yīng)力，測(cè)試出實(shí)驗(yàn)對(duì)象的穩(wěn)健性能。測(cè)試過(guò)程中，在測(cè)試對(duì)象上分別設(shè)置若干個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，將諧振器探頭與這些節(jié)點(diǎn)相連，得到不同零部件結(jié)構(gòu)表面的介電特性，其中常規(guī)無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值如表2所示，所提出紅外熱波無(wú)損檢測(cè)方法下的實(shí)驗(yàn)組測(cè)試結(jié)果與常規(guī)紅外熱波無(wú)損檢測(cè)下的對(duì)照組測(cè)試結(jié)果，分別如表3、表4所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)果 單位：mV

表3 實(shí)驗(yàn)組測(cè)試結(jié)果 單位：mV

表4 對(duì)照組測(cè)試結(jié)果 單位：mV

由表2、表3和表4的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，所提出的紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到的應(yīng)力值與標(biāo)準(zhǔn)值相近，而對(duì)照組測(cè)試結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)值相差較大。4個(gè)測(cè)試樣本的反射波值均從小增大到最大值，然后再降低，可見(jiàn)兩種檢測(cè)技術(shù)下的測(cè)試結(jié)果可信。根據(jù)上述檢測(cè)技術(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算汽車(chē)零件許用應(yīng)力的計(jì)算模型為：

(13)

已知最大許用應(yīng)力為1 MPa。經(jīng)計(jì)算，所提出紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到穩(wěn)定性好的零件最大應(yīng)力結(jié)果為0.962 5 MPa；得到穩(wěn)定性差的零件最大應(yīng)力結(jié)果為1.412 2 MPa。傳統(tǒng)紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到穩(wěn)定性好的零件的最大應(yīng)力結(jié)果為0.944 7 MPa；得到穩(wěn)定性差的零件的最大應(yīng)力結(jié)果為1.126 5 MPa。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知所提出的紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)汽車(chē)零部件制造工藝穩(wěn)定性的檢測(cè)更加貼合實(shí)際。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，汽車(chē)零件生產(chǎn)企業(yè)，以新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)為載體，增強(qiáng)企業(yè)的自主開(kāi)發(fā)能力和創(chuàng)新技術(shù)，通過(guò)紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，對(duì)汽車(chē)零部件進(jìn)行可靠檢測(cè)，對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的穩(wěn)定性能做出有效評(píng)價(jià)。基于紅外熱波無(wú)損檢測(cè)提出的汽車(chē)零部件制造工藝穩(wěn)定性檢測(cè)方法，通過(guò)分析零件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)幅值等參數(shù)，得到零件的最大許用應(yīng)力。根據(jù)零件的最大應(yīng)力值，判斷汽車(chē)零件在投入使用過(guò)程中的運(yùn)轉(zhuǎn)是否安全，以此得出制造工藝的穩(wěn)定性能。該技術(shù)彌補(bǔ)常規(guī)紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的缺陷，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件性能的精準(zhǔn)檢測(cè)。但該檢測(cè)在計(jì)算步驟上相對(duì)復(fù)雜，易產(chǎn)生誤差，因此在計(jì)算過(guò)程中要注意數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。