CN105067187A - 一种钻孔法残余应力标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻孔法残余应力标定装置，包括标定螺杆、应变片、力值传感器、圆筒状支座、垫片和锁紧螺母；所述标定螺杆依次穿过力值传感器、圆筒状支座、垫片和锁紧螺母设置，所述标定螺杆的中部设有面积大于应变片的矩形平面；所述应变片设置在所述标定螺杆的矩形平面上；所述圆筒状支座的上下两端面为与所述矩形平面平行的环形平面，所述上环形平面上放置钻孔对中仪器。本发明可以在标定螺杆上施加任意大小的应力场，同时可以实现与钻孔对中仪器的良好匹配，确保在应变片的几何中心圆实施精确钻孔，并且钻孔定位和载荷施加互不干扰，保证该装置的使用和操作非常便捷，大大提高了标定试验的规范性。

Description

一种钻孔法残余应力标定装置

技术领域

本发明属于金属材料力学性能测试技术领域，具体涉及一种钻孔法残余应力标定装置。

背景技术

残余应力问题一直受到人们的关注。在铸造、锻造、焊接及各类切削加工过程中，工件均会由于受外力和温度的作用而引起残余应力。残余应力的产生、叠加及释放过程造成零件内部应力状况的重新分布，就可能影响零件的尺寸和形位精度以及零部件的装配精度，降低零件的疲劳强度、抗应力腐蚀及抗蠕变开裂的能力，最终影响到机器设备的性能与使用寿命。因此，分析残余应力的产生机理、探究有效的残余应力测试方法与改善零件中残余应力状况具有非常重大的意义。

目前残余应力的测量方法可分为无损测量法和机械释放测量法两种。无损测量法即物理检测法，主要有x射线法、x射线衍射法、中子衍射法、超声法和磁性法等。机械释放测量法是将具有残余应力的部件从构件中分离或切割出来使应力释放，由测量其应变的变化求出残余应力，该方法会对工件造成一定的损伤或者破坏，但其测量精度较高、理论完善、技术成熟，应用广泛。近年来各国研究者继续对机械释放测量法作了大量的研究工作，从实际操作中的各种工艺参数、误差来源等方面进行了深入分析，使其日趋完善。它们主要包括钻孔法(盲孔法)、环芯法、分割切条法等，美国ASTM协会已将盲孔法纳入标准。盲孔法就是在工件上钻一小通孔或不通孔，使被测点的应力得到释放，并由事先贴在孔周围的敏感栅测得释放的应变量，再根据弹性力学原理通过换算便可以得到钻孔处深度方向上的平均残余应力。

钻孔法残余应力测试需要在被测物体表面贴上如图1所示的应变片，一个应变片通常由三个或三个以上敏感栅组成，敏感栅分布在几何中心圆的四周，该中心圆的直径仅在1mm左右，需要借助钻孔对中仪器进行定位，如图2所示，钻孔对中仪器上的可拆卸测量显微镜20和水平调节旋钮40可帮助操作者完成该项工作，定位完成后取下显微镜换上专用铣刀，在圆心处钻孔(孔必须位于中心圆内，否则数据无效)，最后用应变测量仪记录被测物体表面所释放的应变，将所得数据结合应力标定系数A和B便可计算出残余应力。实际的钻孔与应变片中心的同心度控制非常重要，它对测试结果的准确性起到了决定性作用，因此操作人员需要对钻孔对中仪器进行细致调整，应确保钻孔与应变片中心不发生偏离。

目前有两种不同的方法可以测定残余应力：第一即高速钻残余应力测量方法，其残余应力的测量可以依据有限元分析得到的应力标定系数进行计算；第二是目前国内常用的低速钻残余应力测量方法。第二种方法产生的重要误差来源有两个：一个是小孔边缘应力集中产生的塑性变形，这在高值残余应力场中尤为明显；一个是钻孔过程中与刃具切削和残余应力大小有关的加工应变，这在采用低速钻时十分突出。

为了克服实际测量过程中可能产生的这些误差，通常采用标定试验的方式解决。这样的标定试验需要在标定试样上施加一个特定应力σ，使最大主应力σ等于外加载荷引起的应力σ，然后在应变圆的中心钻孔，记录加载前后的应变读数。根据钻孔前后的释放应变，按公式(1)、(2)计算标定系数A、B值。

$A=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{2\mathrm{\σ}}\mathrm{...}\left(1\right)$

$B=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{2\mathrm{\σ}}\mathrm{...}\left(2\right)$

系数A、B的测量次数应不少于2次，如果2次比较误差超过10％，应重新标定。2次标定得到A、B系数取平均值使用。

标定试验与残余应力的实际测试过程基本相同，在具体操作过程中钻孔对中仪器的定位非常重要，否则标定系数A和B会产生很大误差。因此，标定试验必须满足两个基本要求：第一要在标定试样上施加一个精确的应力场；第二钻孔对中仪器应能将铣刀准确定位在应变片的中心位置，确保钻孔位置不发生偏离。本发明的目的就是设计一种可以同时满足这两个要求的钻孔法残余应力标定装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻孔法残余应力标定装置，它可以在标定螺杆上施加任意大小的应力场，同时可以实现与钻孔对中仪器的良好匹配，确保在应变片的几何中心圆实施精确钻孔，并且钻孔定位和载荷施加互不干扰，保证该装置的使用和操作非常便捷，大大提高了标定试验的规范性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种钻孔法残余应力标定装置，该装置包括：标定螺杆、应变片、力值传感器、圆筒状支座、垫片和锁紧螺母；其中，

所述标定螺杆依次穿过力值传感器、圆筒状支座、垫片和锁紧螺母设置，所述标定螺杆与锁紧螺母通过螺纹连接，所述标定螺杆的中部设有面积大于应变片的矩形平面；

所述应变片设置在所述标定螺杆的矩形平面上，所述应变片包括3个敏感栅，第一个敏感栅平行于所述标定螺杆的轴向设置，第二个敏感栅垂直于所述标定螺杆的轴向设置，第三个敏感栅倾斜于所述标定螺杆的轴向45°设置；

所述圆筒状支座的上下两端面为与所述矩形平面平行的环形平面，所述上环形平面上放置钻孔对中仪器。

按上述技术方案，所述圆筒状支座的两侧开设有通过标定螺杆的通孔，所述通孔的直径大于标定螺杆的直径。

本发明具有以下有益效果：该装置配有力值传感器，通过调整标定螺杆和锁紧螺母之间的旋紧程度，可以在标定螺杆上施加任意大小的应力场；同时，通过圆筒状支座将该装置设计为卧式布局，可以实现与钻孔对中仪器的良好匹配，确保在应变片的几何中心圆实施精确钻孔；而且，由于钻孔定位和载荷施加互不干扰，该装置的使用和操作非常便捷，大大提高了标定试验的规范性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的爆炸图；

图3是本发明实施例中装有应变片的标定螺杆的结构示意图；

图4是本发明实施例中应变片的结构示意图；

图5是本发明实施例的使用状态示意图；

图6是钻孔对中仪器的结构示意。

图中：1-标定螺杆，101-矩形平面，2-力值传感器，3-圆筒状支座，301-环形平面，302-通孔，4-垫片，5-锁紧螺母，6-应变片，10-锁紧环，20-镜筒，30-目镜，40-水平调节旋钮，50-高度调节旋钮，60-螺母，70-底座帽，80-底座。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的较佳实施例中，如图1-图6所示，一种钻孔法残余应力标定装置，该装置包括：标定螺杆1、应变片6、力值传感器2、圆筒状支座3、垫片4和锁紧螺母5；其中，

标定螺杆1依次穿过力值传感器2、圆筒状支座3、垫片4和锁紧螺母5设置，标定螺杆1与锁紧螺母5通过螺纹连接，标定螺杆1的中部设有面积大于应变片6的矩形平面101；

应变片6设置在标定螺杆的矩形平面101上，应变片6包括3个敏感栅，第一个敏感栅平行于标定螺杆1的轴向设置，第二个敏感栅垂直于标定螺杆1的轴向设置，第三个敏感栅倾斜于标定螺杆1的轴向45°设置；

圆筒状支座3的上下两端面为与矩形平面101平行的环形平面301，上环形平面上放置钻孔对中仪器。

在本发明的优选实施例中，如图2所示，圆筒状支座3的两侧开设有通过标定螺杆1的通孔302，通孔302的直径大于标定螺杆1的直径。

如图1-图6所示，本发明的使用步骤如下：

1、首先制作一个M28×280mm的标定螺杆1，在标定螺杆1的中部磨削长度为100mm的矩形平面101，在该矩形平面101的中部粘贴应变片6，该应变片由三个敏感栅组成，粘贴时应使第一个敏感栅平行于螺杆的轴向；

2.制作一个外径Φ180mm、内径Φ100mm、高度100mm的圆筒状支座3，在圆筒状支座3的侧面钻直径Φ30mm的通孔302，方便标定螺杆的穿入，将粘贴好应变片的标定螺杆1依次穿入力值传感器2和圆筒状支座3内，再装入垫片4和锁紧螺母5，用测量导线将应变片与应变测量仪相连，接上电源，圆筒状支座3为卧式布局，可以将其放置在任意一个平整的台面上；

3、通过调整锁紧螺母5的松紧程度，可以在标定螺杆上施加一个5kN的轴向载荷，载荷的大小通过力值传感器2进行显示，由于粘贴应变片部位的截面积S₀可以先行测得，从而可以确定标定螺杆上的单向应力场σ的大小，记录此时应变片上的读数，此时应变片的最大主应力σ即等于外加载荷引起的应力σ；

4、将钻孔对中仪器放到圆筒状支座3的上环形平面上，钻孔对中仪器包括按图5连接的锁紧环10、镜筒20、目镜30、水平调节旋钮40、高度调节旋钮50、螺母60、底座帽70和底座80，钻孔对中仪器的三个底座80可以在圆筒状支座3上自由转动，先借助测量显微镜将自身位置对准应变圆的中心，两者完全重合后，将镜筒和目镜取下换上专用铣刀，在应变圆的中心钻孔，记录钻孔后的应变读数，根据钻孔前后的释放应变ε₁和ε₃，按公式(1)、(2)计算标定系数A、B值。

经过试验，该标定装置设计合理，可以实现与钻孔对中仪器的良好匹配，确保在应变片的几何中心实施精确钻孔。由于钻孔定位和载荷施加互不干扰，该装置的使用和操作非常便捷，大大提高了标定试验的规范性，同时也可以节省标定时间，具有较好的适应性和实用价值。采用该装置后，可以确保金属材料残余应力测试的规范性，相关测试结果的准确性得到用户的认可，提高了产品的核心竞争力。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种钻孔法残余应力标定装置，其特征在于，该装置包括：标定螺杆、应变片、力值传感器、圆筒状支座、垫片和锁紧螺母；其中，

所述标定螺杆依次穿过力值传感器、圆筒状支座、垫片和锁紧螺母设置，所述标定螺杆与锁紧螺母通过螺纹连接，所述标定螺杆的中部设有面积大于应变片的矩形平面；

所述应变片设置在所述标定螺杆的矩形平面上，所述应变片包括3个敏感栅，第一个敏感栅平行于所述标定螺杆的轴向设置，第二个敏感栅垂直于所述标定螺杆的轴向设置，第三个敏感栅倾斜于所述标定螺杆的轴向45°设置；

所述圆筒状支座的上下两端面为与所述矩形平面平行的环形平面，所述上环形平面上放置钻孔对中仪器。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述圆筒状支座的两侧开设有通过标定螺杆的通孔，所述通孔的直径大于标定螺杆的直径。