CN105067167B - 一种采用盲孔法测试大型机床用滑枕铸件残余应力分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用盲孔测试大型数控机床铸件残余应力分布的方法，包含如下步骤：将滑枕铸件从铸型中取出，选择残余应力测试面，然后进行残余应力测点布置，对各测试点残余应力引起的应变进行测试，将测试得到的应变数据进行分析整合，计算各点的残余应力值，得到残余应力分布，该方法成本低、不需要昂贵的设备，计算简单，测量精度较高、理论完善、技术成熟，能够较为准确、科学地评价的残余应力分布，实现对滑枕铸件的残余应力分布进行测试，通过获得滑枕铸件残余应力分布，可确定滑枕结构应力集中和薄弱部位，从而可为滑枕铸件铸造工艺的设计和优化提供参考依据。
Description
技术领域
本发明涉及大型铸件应力测试领域，特别涉及一种采用盲孔法测试大型机床用滑枕铸件残余应力分布的方法。
背景技术
随着我国高端制造与装备业的快速发展，对零部件加工精度的要求也越来越高。滑枕作为大型数控机床的核心功能部件，其内部安装有机床主轴，因此滑枕变形将直接导致刀具和工件的相对误差，是影响加工质量的重要因素。滑枕铸件较长，壁厚差较大，在铸造过程中由于温度分布不均，温度下降会产生收缩和发生相变，使其内部产生应力，当内应力没有被彻底消除时便会产生铸造残余应力，过大的残余应力会引起铸件产生开裂、变形等早期失效事故，影响铸件的机械性能和使用寿命。对于残余应力的测试，国内外学者进行了大量的研究。Schajer,G.S.等通过采用几种典型的破坏性测量残余应力方法进行对比分析，并对相应方法进行了分析。饶德林等人采用振动时效(VSR)的方法消除焊接残余应力,并对焊后和振动时效后底板焊缝上残余应力的对比测量，全面地、定量地了解振动时效工艺对残余应力的变化及最终的应力状况的影响。张津等人借助自主研发的短波长特征X射线衍射仪（SWXRD）对2024-T351铝合金FSW焊件内部残余应力进行了测试，结果表明, SWXRD可以实现铝合金内部残余应力的无损检测。董达善等人通过张量分解，推导了残余应力在压痕过程中所做的功，通过有限元分析，总结了残余应力对压痕过程的影响；刘晓丹等人根据膨胀波纹管体冷压成型后存在较大的残余应力常导致管端面严重变形和尺寸不稳定性，探索了振动时效法用于消除或减弱波纹管体残余应力的可行性。
目前，国内外对残余应力进行测试的方法很多，相对发展较成熟的且获得广泛认可的是X 射线衍射法，该方法对被测件无损害，但是成本较高、所需设备昂贵，且计算复杂，常用于平面应力的场合下测量细晶粒材料的内应力。
盲孔法应力测试方法属于小孔释放法中的一种，其基本原理是在残余应力待测点上钻上一个小盲孔。由于孔壁原有残余应力的释放，在孔附近引起线应变，测量线应变便可换算出孔壁原有残余应力值。该方法是残余应力测量机械法中破坏性最小的一种。美国材料试验协会于1981年首次颁布ASTM标准E837-81“用钻孔应变测量决定残余应力的标准方法”，表明小孔释放法已可应用于工业。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供一种采用盲孔法测试大型机床用滑枕铸件残余应力分布的方法，该方法成本低、不需要昂贵的设备，计算简单，测量精度较高、理论完善、技术成熟，根据滑枕铸件结构进行应力测点布置，依据盲孔法测量标准对测点位置因残余应力引起的应变进行测试，可确定滑枕结构应力集中和薄弱部位，为大型滑枕铸件及其类似结构的铸造工艺提供参考依据。
本发明的目的是通过以下技术要求和措施来实现：
一种采用盲孔法测试大型机床用滑枕铸件残余应力分布的方法，包含如下步骤：
1）将滑枕铸件从铸型中取出，清除掉本体以外的多余部分，并打磨精整铸件内外表面；
2）分析滑枕铸件结构，选择残余应力测试面，并对各面进行打磨清洗，然后进行残余应力测点布置；
3）对各测试点残余应力引起的应变进行测试；
4）将测试得到的应变数据进行分析整合，利用残余应力计算公式计算得到各点的残余应力值，最终通过曲线拟合，得到滑枕铸件残余应力分布。
步骤1）中具体为清除滑枕铸件上的型芯和芯铁，切除浇口、冒口、拉筋和增肉，清除铸件粘砂和表面异物，铲磨割筋、披缝和毛刺等凸出物，以及打磨和精整铸件表面。
步骤2）中，滑枕铸件呈长方体多窗口箱式结构，实际生产中，类似滑枕铸件在未受外加载荷时发生变形或者开裂皆是在结构外表面，因此应力测试时只需测量外表面应力，滑枕外表面主要分为主轴箱安装面、前端面、导轨丝杆面和滑枕侧面，本发明目的需获得滑枕铸件残余应力及其分布，因此需对滑枕铸件所有外表面进行残余应力测试；各测试面上应力测点选择根据残余应力测试标准、滑枕结构理论分析和实际应力测试经验而定；将应力测试点分别放置在几何尺寸变化较大、加强筋交叉处、导轨表面及侧面、靠近主轴端部以及滑枕结构中心等可能出现应力集中、变形较大、工况条件较差的位置处。其余测点根据现场需求或需对已经测点数据进行验证等综合因素进行布置。
步骤3）中，因为滑枕铸件各测点主应力和主方向角均未知，因此需选择三向应变花进行应变测试；使用静态电阻应变仪进行测量，同时采用3台静态电阻应变仪进行测量，且每台应变仪使用不同的温度补偿片进行补偿，测试时对应变仪各测试孔，进行平衡清零操作，待应变释放时间为120分钟后，应变仪应变数值不变化时，小孔处的应变释放完全，对各测量通道的数据进行记录。
本发明的有益效果是一种采用盲孔法测试大型机床用滑枕铸件残余应力分布的方法，该方法成本低、不需要昂贵的设备，计算简单，测量精度较高、理论完善、技术成熟，能够为确定大型铸件应力测试测点布置提供参考，同时较为准确、科学地评价的残余应力分布，可确定滑枕结构应力集中和薄弱部位，从而可为滑枕铸件铸造工艺的设计和优化提供参考依据。
附图说明
图1为滑枕结构图
图2主轴箱安装面各应力测试点位置图
图3滑枕前端面各应力测试点位置图
图4导轨丝杆面各应力测试点位置图
图5滑枕侧面各应力测试点位置图
图1中 16-主轴箱安装面 17-加强筋 18-滑枕前端面19-导轨丝杆面 20-滑枕侧面
具体实施方式：
下面将结合附图对本发明作进一步详述，并不是对本发明的限定。
实施例
一种采用盲孔法测试大型机床用滑枕铸件残余应力分布的方法，包含如下步骤：
1）将滑枕铸件从铸型中取出，清除掉本体以外的多余部分，并打磨精整铸件内外表面；
2）分析滑枕铸件结构，选择残余应力测试面，并对各面进行打磨清洗，然后进行残余应力测点布置；
3）对各测试点残余应力引起的应变进行测试；
4）将测试得到的应变数据进行分析整合，利用残余应力计算公式计算得到各点的残余应力值，最终通过曲线拟合，得到滑枕铸件残余应力分布，结果偏差为±5Mpa。
步骤1）中具体为清除滑枕铸件上的型芯和芯铁，切除浇口、冒口、拉筋和增肉，清除铸件粘砂和表面异物，铲磨割筋、披缝和毛刺等凸出物，以及打磨和精整铸件表面。
步骤2）中，滑枕铸件呈长方体多窗口箱式结构，滑枕铸件在未受外加载荷时发生变形或者开裂是在结构外表面，应力测试时只需测量外表面应力，滑枕外表面主要分为主轴箱安装面、前端面、导轨丝杆面和滑枕侧面，需对滑枕铸件所有外表面进行残余应力测试；各测试面上应力测点选择根据残余应力测试标准、滑枕结构理论分析和实际应力测试经验而定；将应力测试点分别放置在几何尺寸变化较大、加强筋交叉处、导轨表面及侧面、靠近主轴端部以及滑枕结构中心等可能出现应力集中、变形较大、工况条件较差的位置处，其余测点根据现场需求或需对已经测点数据进行验证等综合因素进行布置。
步骤3）中，因为滑枕铸件各测点主应力和主方向角均未知，因此需选择三向应变花进行应变测试；打孔装置为标准的残余应力测试用打孔装置；使用静态电阻应变仪进行测量， 根据《残余应力测试方法：钻孔应变释放法》的要求，先将铸件测试点处用细砂纸打磨抛光，然后用丙酮擦洗干净，将应变花，电阻值120Ω，灵敏系数2.0，用胶水粘贴在被测处；应变花的导线接到应变测量仪上，调零；用打孔装置在应变花中心钻一直径为1.5mm，深为2mm的小孔，使铸造残余应力释放；为提高测试效率，同时采用3台静态电阻应变仪进行测量，且每台应变仪使用不同的温度补偿片进行补偿。测试过程中，保证应变仪、导线、应变片等不会受到触碰和抖动，测试环境干燥，各点测试过程温差变化小。为排除因钻孔产生的热量等对结果的影响，测试时对应变仪各测试孔，进行平衡清零操作，待应变释放时间为120分钟后，应变仪应变数值不变化时，小孔处的应变释放完全，对各测量通道的数据进行记录。
本实施例选用国内某机床厂生产的龙门加工中心用滑枕铸件，
（1）滑枕铸件材料为HT300，呈长方体多窗口箱式结构，外形尺寸为： 2600mm×700mm×600mm，在实际工况下，滑枕前后两面分别装有主轴箱和导轨丝杆，其余面安装部分辅助构件。图1为滑枕铸件的结构图，铸件内部中间交叉均匀布置加强筋17，并且在外壁上还有3个窗口，根据滑枕在实际工作中的功能，各面分别为主轴箱安装面16 、加强筋17、滑枕前端面18、导轨丝杆面19 、滑枕侧面20。
（2）将滑枕铸件从铸型中取出，清除掉本体以外的多余部分，并打磨精整铸件内外表面；具体为清除滑枕铸件上的型芯和芯铁，切除浇口、冒口、拉筋和增肉，清除铸件粘砂和表面异物，铲磨割筋、披缝和毛刺等凸出物，以及打磨和精整铸件表面等。
（3）分析滑枕铸件结构，选择残余应力测试面，并对各面进行打磨清洗，然后进行残余应力测点布置；具体为滑枕铸件呈长方体多窗口箱式结构，实际生产中，类似滑枕铸件在未受外加载荷时发生变形或者开裂皆是在结构外表面，因此应力测试时只需测量外表面应力，需对滑枕铸件所有外表面进行残余应力测试；各测试面上应力测点选择根据残余应力测试标准、滑枕结构理论分析和实际测试经验而定；将应力测试点分别放置在几何尺寸变化较大、加强筋17交叉处、导轨表面及侧面、靠近主轴端部以及滑枕结构中心等可能出现应力集中、变形较大、工况条件较差的位置处。其余测点根据现场需求或需对已经测点数据进行验证等综合因素进行布置。
为获得滑枕铸件残余应力分布规律，需要对各测试部位进行具体测点布置；
图2是主轴箱安装面16的残余应力测试点的具体分布位置，该面上测点2～5为滑枕结构突变位置测试区域，测点6～13为材料均匀区域，各测点横向和纵向尺寸如图2中尺寸标注所示。
图3是滑枕前端面18的残余应力测试点的具体分布位置，该面材料分布较均匀，无明显结构突变，按照测试标准（CB3395-92）中的测点布置方法进行布置，各测点横向和纵向尺寸如图3中尺寸标注所示。
图4是导轨丝杆面19的残余应力测试点的具体分布位置，该面上测点1～3处于主轴轴承外部支撑座外部，属于有明显结构突变测试区域，测点4为加强筋17外壁测试区域，测点5～8为无结构突变测试区域，11～15为导轨区域测试点，各测点横向和纵向尺寸如图4中尺寸标注所示，为获得和验证应力集中部位的应力，局部位置测点布置较密集。
图5是滑枕侧面20的残余应力测试点的具体分布位置，该面上测点1～5为靠近主轴箱安装面16测试区域，测点6～9为靠近导轨丝杆面19测试区域，各测点横向和纵向尺寸如图5中尺寸标注所示。
（4） 对各点残余应力引起的应变进行测试；
具体为滑枕铸件各测点主应力和主方向角均未知，因此需选择三向应变花进行应变测试；打孔装置为标准的残余应力测试用打孔装置；应变测量仪选择江苏东华公司生产的24通道DH3818静态电阻应变仪进行测量。根据《残余应力测试方法：钻孔应变释放法》的要求，先将铸件测试点处用细砂纸打磨抛光，然后用丙酮擦洗干净，将BX120-1CG应变花（电阻值120Ω，灵敏系数2.0）用502胶水粘贴在被测处；应变花的导线接到应变测量仪上，调零；用打孔装置在应变花中心钻一直径为1.5mm， 深为2mm的小孔，使铸造残余应力释放，为提高测试效率，采用3台24通道DH3818静态电阻应变仪进行测量，且每台应变仪使用不同的温度补偿片（型号为BX120-3AA）进行补偿。测试过程中，保证应变仪、导线、应变片等不会受到触碰和抖动，测试环境干燥，各点测试过程温差变化小。为排除因钻孔产生的热量等对结果的影响，测试时对应变仪各测试通道进行平衡清零操作钻孔后，待应变仪应变数值不变化时，应变释放时间为120分钟，小孔处的应变释放完全，对各测量通道的数据进行记录。
（5）将测试得到的应变数据进行分析整合，利用残余应力计算公式计算得到各点的残余应力值，最终通过曲线拟合，得到滑枕铸件残余应力分布。
Claims (1)
1.一种采用盲孔法测试大型机床用滑枕铸件残余应力分布的方法，包含如下步骤：
1）将滑枕铸件从铸型中取出，清除掉本体以外的多余部分，并打磨精整铸件内外表面，具体为清除滑枕铸件上的型芯和芯铁，切除浇口、冒口、拉筋和增肉，清除铸件粘砂和表面异物，铲磨割筋、披缝和毛刺等凸出物，以及打磨和精整铸件表面；
2）分析滑枕铸件结构，选择残余应力测试面，并对各面进行打磨清洗，然后进行残余应力测点布置，因滑枕铸件呈长方体多窗口箱式结构，滑枕铸件在未受外加载荷时发生变形或者开裂是在结构外表面，应力测试时只需测量外表面应力，滑枕外表面主要分为主轴箱安装面、前端面、导轨丝杆面和滑枕侧面，需对滑枕铸件所有外表面进行残余应力测试，各测试面上应力测点选择根据残余应力测试标准、滑枕结构理论分析和实际应力测试而定；将应力测试点分别放置在几何尺寸变化较大、加强筋交叉处、导轨表面及侧面、靠近主轴端部以及滑枕结构中心可能出现应力集中、变形较大、工况条件较差的位置处，其余测点根据现场需求或需对已经测点数据进行验证综合因素进行布置；
3）对各测试点残余应力引起的应变进行测试；
4）将测试得到的应变数据进行分析整合，利用残余应力计算公式计算得到各点的残余应力值，最终通过曲线拟合，得到滑枕铸件残余应力分布，
其特征在于，步骤3）中，因为滑枕铸件各测点主应力和主方向角均未知，因此需选择三向应变花进行应变测试；使用静态电阻应变仪进行测量，同时采用3台静态电阻应变仪进行测量，且每台应变仪使用不同的温度补偿片进行补偿，测试时对应变仪各测试孔，进行平衡清零操作，待应变释放时间为120分钟后，应变仪应变数值不变化时，小孔处的应变释放完全，对各测量通道的数据进行记录。
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| CN104296894A (zh) * | 2014-11-04 | 2015-01-21 | 苏州精创光学仪器有限公司 | 构件的残余应力盲孔检测法 |
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| 机床床身铸件的数值模拟及残余应力研究;卫海东等;《铸造技术》;20140131(第1期);第221-223页 * |
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