借助于超声波的用于具有逐段改变的直径的旋转对称加工件的近表面无损检查的方法和装置的制造方法

借助于超声波的用于具有逐段改变的直径的旋转对称加工件的近表面无损检查的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明的主题是借助于超声波的用于具有逐段改变的直径的旋转对称加工件的近表面无损检查的方法和装置。在这种情况下，加工件没有内部切口。方法和装置具体适合于具有各向异性声速的加工件的检查。例如，例如在能够用于例如轨道车辆中的锻造实心轴中频繁地观察到各向异性声速。
【背景技术】
[0002]轨道车辆的轮副一般包括安装在刚性实心或空心轴上的一对车轮。这种情况下使用的轴常常具有逐段(例如用于接纳功能组件、例如车轮、减摩轴承或制动盘的所限定区域)改变的外径。显然，轨道车辆的轮副的轴构成安全相关组件，其对轨道车辆的长使用期限经受自然磨损。为此，其没有缺陷必须不仅仅在轨道车辆的轮副的生产期间借助于无损检查方法来确定。而且对轮副的整个使用期限也要求针对所有组件、在这种情况下具体是车轮以及所使用的轴的没有缺陷的定期检查。实际上，在轨道车辆的轮副的轴中观察到的最经常磨损现象是初裂、即裂纹状疲劳故障(其在相应轴的表面开始)的发生。因此，每一个轨道车辆操作员必须提供适当检查方法和装置，以便对轨道车辆的轮副定期检查其没有缺陷。
[0003]至今，借助于具有逐段改变的直径的旋转对称加工件、具体是轨道车辆的实心轴的超声波的检查构成特别棘手的检测任务。另一方面，这归因于如下事实:通常，具有逐段改变的直径的旋转对称加工件仅具有适合于超声波中的耦合的极少表面。此外，这类加工件常常是锻件。通常，它们对超声波具有声速的增加各向异性。
[0004]此外，轨道车辆的轮副的检查常常需要轨道车辆的停工期，这与因轨道车辆停止服务引起的高停工期成本直接相关。为了使其为最小，期望能够检查完全组装轮副、即具有组装轴承和/或制动盘的轮副。如果它们被安装，则来自轴或者来自端面的声透射(例如借助于锥形探头)采用现有技术已知的检查方法是不可能的。
[0005]最后，对旋转对称加工件所得到的超声检查的结果的易于解释的表示构成就本申请人所知至今未解决的问题。

【发明内容】

[0006]因此，本发明的目的是提出借助于超声波的用于具有逐段改变的直径的旋转对称加工件的近表面无损检查的方法和装置，其中加工件没有内部切口。在这种情况下，超声检查的结果应该是特别易于解释的。
[0007]这个目的通过具有如权利要求1所述特征的方法以及具有如权利要求15所述特征的装置来实现。从属权利要求示出按照本发明的方法以及控制本发明的装置的有利发展，其中从属权利要求能够在技术可行的上下文之内按照任何方式相互自由组合。但是，这种组合不是绝对要求。
[0008]按照本发明的方法借助于超声波的用于具有逐段改变的直径的旋转对称加工件的近表面无损检查。在这种情况下，加工件没有旋转对称内部切口。为了使事情变得简单，下面将加工件称作“实心轴”。在其最简单形式中，该方法包括下列过程步骤:
a.在耦合位置E以所定义声透射角Θ将超声测试脉冲声穿透进加工件，
b.记录优选地以声透射角Θ来自加工件的超声回波信号，
c.选择与加工件中的超声测试脉冲的声路W相关的传播时间间隔I，所选传播时间间隔I对应于加工件的预先选择近表面区域ROI (R0I 感兴趣区域”)，
d.通过分析所选传播时间间隔I中的超声回波信号，来生成回波值G，以及
e.生成加工件的表面的表示，其中回波值G在表示中按照空间解析方式示出。
[0009]一般来说，加工件中的超声测试脉冲的声路W与加工件几何结构、耦合位置E、声透射角Θ、声透射方向Φ (参见以下所述)相关并且与加工件以及用于生成超声测试脉冲的超声测试探头的声学性质相关。
[0010]按照本发明的方法提供一种检查方法，其准许按照检查员具体可理解的方式来显示旋转对称加工件的关于近表面缺陷的超声检查的结果。在这种情况下，按照本发明所生成的加工件表面的表示是二维的、例如采取C图像的形式，或者它可以是空间的，其中空间、即三维表示是优选的。本领域的技术人员清楚地知道，本文所述的加工件的图形表示的生成包括代表例如在CAD模型的意义上的加工件的表示的数据集的生成以及在能够连接到例如按照本发明的装置的适当图示单元上、例如在适当显示器上的加工件的图形表示的实际图示。
[0011]在该方法的一优选实施例中，将加工件的表示的表面上的点w指配给加工件中的超声测试脉冲的声路W。例如，超声测试脉冲在内部加工件表面上的第一入射的位置在这种情况下能够用于点W。在加工件表面的图形表示中，指配给这个点w的超声测试脉冲的回波值G然后按照适当方式、例如通过局部颜色或亮度编码来呈现。下面通过示范实施例的上下文中的示例更详细描述这个方面。
[0012]如果所选传播时间间隔I中发生的超声回波信号的最大幅度用作回波值G，则得到按照本发明的检查方法的一实施例，其因为能够易于在技术上实现所以是特别优选的。
[0013]在按照本发明的方法的另一个有利发展中，超声回波信号至少在所选传播时间间隔I中经过传播时间相关和/或声透射角相关放大。这样，能够补偿例如因沿传播方向的声场的几何膨胀引起的声衰减效应、其在加工件中例如因对各向异性的散射引起的衰减以及超声洞庭脉冲的反射与加工件的内边界表面的可能角相关性。因此，相同大小和取向的缺陷生成近似相同大小的回波信号，而与其在加工件中的位置无关，这又进一步改进测试方法的结果的可解释性。
[0014]本领域的技术人员清楚地知道，所记录超声回波信号能够具体在数字化过程之后经过例如用于改进信噪比的适当信号调节过程。为此，多种方法是本领域已知的。
[0015]如果方法步骤a至d对固定耦合位置E和固定声透射角Θ执行数次，以及如果形成所生成回波值G的平均值<G>，则还能够显著改进信噪比。在步骤e，这个平均值<G>则在表示中按照空间解析方式示出。
[0016]在按照本发明的方法的特别有利发展中，以不同声透射角Θ将多个连续超声脉冲声穿透进加工件。有可能逐个脉冲改变声透射角Θ ;但是，也有可能仅在相同声透射角的有限系列的脉冲之后改变后续脉冲系列的声透射角。因此，对产生于以相同声透射角Θ所耦合的多个超声测试脉冲的多个回波信号将要评估的缺陷信号的平均值形成改进信噪比。在该过程中，按照本发明的方法优选地对声穿透进加工件的各超声测试脉冲来执行。在该方法的另一个优选实施例中，加工件表面上的耦合位置E相对于其对称轴S的位置在该过程中保持为基本上恒定。这个上下文中的“保持为基本上恒定”具体意味着，包括用于生成超声测试脉冲的超声换能器的超声测试探头的位置X相对于加工件的对称轴保持为恒定。在实际常用的具有可变声透射角的倾斜声透射的超声测试探头(其中超声换能器设置在例如楔形前导体上)的情况下，如果改变声透射角，则实际耦合位置略微改变。允许这种效应在这种情况下被忽略。
[0017]所谓的“相控阵”超声测试探头(其是现有技术中已知的，并且其在本发明的上下文中的应用将被更详细论述)准许对大角度范围的声透射角Θ的电子调谐。具体与按照本发明的方法的优选实施例相结合(其中声透射角Θ在测试脉冲系列的不同超声测试脉冲之间改变)，具有电子可调谐声透射角Θ的这类“相控阵”测试探头的使用已经证明是特别有利的。如果还使用按照PCT/EP2010/0566154系列的理论的测试探头，则得到具体优点，其中通过引用将这个理论添加到本申请的公开中。这类测试探头的使用允许考虑沿35个轴向和径向方向的耦合表面的曲率，其具体在轮副(其轴几何结构也能够部分沿纵向完全弯曲，使得一至少具有诸如车轮、轴承或制动盘之类的组件安装在轴上一不存在具有超声耦合的恒定直径的完全圆柱区域)的轴的情况下是有利的。
[0018]优选地，一个或多个超声测试脉冲声穿透进加工件按照如下方式来执行:加工件中的(一个或多个)超声测试脉冲的声路W以及旋转对称加工件的对称轴S跨越公共平面，即，(一个或多个)超声测试脉冲的声路W与旋转对称加工件的对称