CN107101756A - 一种测量工件内部残余应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量工件内部残余应力的方法，该方法包括：把测量工件沿深度方向切出一个斜面；沿所述斜面的法向方向打应力测量孔；采用激光干涉应力仪获取所述应力测量孔中的测量残余应力值；根据所述测量残余应力值，利用残余应力修正公式获得实际残余应力值；将所述实际残余应力值进行坐标转换获得初始残余应力值。本发明提供的测量工件内部残余应力的方法，效率高，测量快、结果精确。

Description

一种测量工件内部残余应力的方法

技术领域

本发明涉及应力测量技术领域，更具体地，涉及一种测量工件内部残余应力的方法。

背景技术

残余应力是指物体在不受外力作用状态下或所受外力卸载后，物体内部存在的保持自相平衡的应力系统。残余应力的存在严重影响了工件的疲劳强度、静力强度及抗腐蚀性能，使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷，进而影响零件的使用寿命；残余应力还是影响零件几何尺寸稳定性的主要因素；因此，有效地测量工件的残余应力具有重大意义。

残余应力的测量方法分为无损测量和有损测量。其中，无损测量包括X射线法、X射线衍射法、中子衍射法、扫描电镜声显微镜法、电子散斑干涉法、超声法和磁性法；有损测量包括钻孔法、环芯法、分割切条法、裂纹柔度法和剥层曲率半径法。

其中，钻孔法、环芯法、分割切条法、X射线法、X射线衍射法和电子散斑干涉法，只能测量一层的残余应力，只有与剥层法结合才能测量内部的残余应力。而传统的剥层法耗时很大，每测量一次便要去除一层材料，重新贴一次应变花，而且每一次贴片都会有人为随机误差，工件越大耗时越多。裂纹柔度法、中子衍射法和超声法可以检测内部残余应力分布，但超声法测量精度低，中子衍射设备昂贵且成本太高，裂纹柔度法作为一种新型的测量方法，有很大的前景但是其依然采用贴应变片法测量，会引起较大的人为误差。

发明内容

为了至少部分地克服现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种测量工件内部残余应力的方法。

根据本发明的一个方面，提供一种测量工件内部残余应力的方法，包括：把测量工件沿深度方向切出一个斜面；沿所述斜面的法向方向打应力测量孔；采用激光干涉应力仪获取所述应力测量孔中的测量残余应力值；根据所述测量残余应力值，利用残余应力修正公式获得实际残余应力值；将所述实际残余应力值进行坐标转换获得初始残余应力值。

其中，所述方法还包括：在所述测量工件的上表面打竖直应力测量孔。

其中，在所述测量工件的上表面打竖直应力测量孔之后，采用激光干涉应力仪获取所述竖直应力测量孔中的初始残余应力值。

其中，所述沿所述斜面的法向方向打应力测量孔包括：采用直径为D的刀具在所述斜面的法向方向打应力测量孔，其中，所述应力测量孔的深度为0.6D。

其中，所述方法还包括：所述应力测量孔为多个，各个孔之间在与所述斜面平行方向上的距离至少为4D。

其中，所述方法还包括：所述应力测量孔在所述斜面上成直线排列或者折线形排列。

其中，所述采用激光干涉应力仪获取所述应力测量孔中的测量残余应力值包括：建立空间坐标系；其中，X轴、Y轴在所述斜面上，Z轴垂直向上，X轴、Y轴、Z轴满足右手法则；其中，所述应力测量孔包括多个，每个所述应力测量孔具有相同的深度；采用激光干涉应力仪获取所述应力测量孔中的X轴、Y轴方向的测量残余应力值。

其中，所述采用激光干涉应力仪获取所述应力测量孔中的测量残余应力值还包括：获取所述应力测量孔在X轴方向的投影；通过激光干涉应力仪在所述投影的位置获取Z轴方向的实际残余应力值。

其中，所述采用激光干涉应力仪获取所述应力测量孔中的测量残余应力值之后，根据所述测量残余应力值，利用残余应力修正公式获得实际残余应力值包括：获取所述应力测量孔的上面材料去除厚度和剩余材料厚度；获取去除材料时对剩余材料产生的在所述应力测量孔的X轴、Y轴方向的作用力和去除材料时对剩余材料产生的在所述应力测量孔的X轴、Y轴方向的弯矩；获取所述应力测量孔在X轴、Y轴方向的作用力产生的应力值和所述应力测量孔在X轴、Y轴方向的弯矩产生的弯曲应力值；获取所述应力测量孔在X轴、Y轴方向的总的应力值，其中，所述应力测量孔在X轴方向的总的应力值等于所述应力测量孔在X轴方向的应力值和所述应力测量孔在X轴方向的弯曲应力值之和，所述应力测量孔在Y轴方向的总的应力值等于所述应力测量孔在Y轴方向的应力值和所述应力测量孔在Y轴方向的弯曲应力值之和；获取所述应力测量孔在X轴、Y轴方向的实际残余应力值，其中，所述应力测量孔在X轴方向的实际残余应力值等于所述应力测量孔在X轴方向的测量残余应力值和所述应力测量孔在X轴方向的总的应力值之差，所述应力测量孔在Y轴方向的实际残余应力值等于所述应力测量孔在Y轴方向的测量残余应力值和所述应力测量孔在Y轴方向的总的应力值之差。

其中，所述获得实际残余应力值之后，将所述实际残余应力值进行坐标转换获得初始残余应力值包括：把X轴、Y轴、Z轴方向的实际残余应力值进行坐标转换获得所述初始残余应力值。

综上，本发明提供的一种测量工件内部残余应力的方法，把测量工件沿深度方向切出一个斜面；沿斜面的法向方向打应力测量孔；采用激光干涉应力仪获取应力测量孔中的测量残余应力值；根据测量残余应力值，利用残余应力修正公式获得实际残余应力值；将实际残余应力值进行坐标转换获得初始残余应力值。本发明提供的测量工件内部残余应力的方法，效率高，测量快、结果精确。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种测量工件内部残余应力的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种测量工件内部残余应力的方法中测量点成直线排布方式示意图和折线型排布方式示意图；

图3为本发明实施例提供的一种测量工件内部残余应力的方法第j个测量点沿深度测量m层示意图；

图4为本发明实施例提供的一种测量工件内部残余应力的方法中获得实际残余应力值的方法流程图；

图5为本发明实施例提供的一种测量工件内部残余应力的方法中坐标系的转换示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的一个实施例中，参考图1，一种测量工件内部残余应力方法，包括：

S101，把测量工件沿深度方向切出一个斜面；

S102，沿所述斜面的法向方向打应力测量孔；

其中，由于激光干涉应力仪的理想测量表面为平面，并且根据残余应力边缘释放原理，应使得测量位置周围保证留有至少5倍刀具直径的面积，且测量表面的法向与刀具轴向重合，因此沿斜面的法向方向，采用刀具打孔。

S103，采用激光干涉应力仪获取所述应力测量孔中的测量残余应力值；

其中，激光干涉法利用激光干涉代替贴应变片法，并且其每两个像素点便能看作是一个应变片，则测量时所采集的是成千上万个应变片数值，利用算法求其平均值以避免测量误差，能够很好的防止人为贴片所引起的粗大误差，由于像素点代替应变片，就能减小测量残余应力所需的工件表面积，从而增大了其适用范围。

S104，根据所述测量残余应力值，利用残余应力修正公式获得实际残余应力值；

其中，由于经过加工的工件其内部自平衡的初始残余应力得到破坏，需要重新分布以达到新的平衡，因此所测量残余应力为重分布的。为得到初始的残余应力。需要对测量值进行修正。这与传统的修正法不同，原先的剥层法为去除一层释放一次，且每一层的去除量相同。而斜坡法是一次性去除材料然后释放，且去除形状为一个斜楔形，如果还看作一层层的话，每一层的材料去除体积沿深度方向为递减的过程。

S105，将所述实际残余应力值进行坐标转换获得初始残余应力值。

其中，斜坡上所测量残余应力的X、Y、Z方向与原始工件的X、Y、Z方向存在一个旋转角，即斜坡的倾斜角度。

具体地，把测量工件沿深度方向切出一个斜面；沿斜面的法向方向，采用刀具打应力测量孔；采用激光干涉应力仪获取应力测量孔中的测量残余应力值；根据测量残余应力值，利用残余应力修正公式获得实际残余应力值；将实际残余应力值进行坐标转换获得初始残余应力值。

本实施例提供了一种测量工件内部残余应力的方法，该方法通过把测量工件沿深度方向切出一个斜面；沿斜面的法向方向，采用刀具打应力测量孔；采用激光干涉应力仪获取应力测量孔中的测量残余应力值；根据测量残余应力值，利用残余应力修正公式获得实际残余应力值；将实际残余应力值进行坐标转换获得初始残余应力值。本发明实施例提供的测量工件内部残余应力方法，效率高，测量快、结果精确。

在本发明的另一个实施例中，在上述实施例的基础上，所述方法还包括：

在所述测量工件的上表面打竖直应力测量孔。

其中，工件的上表面可以防止残余应力边缘释放，并且工件上表面的残余应力更容易获得。

具体地，在工件的上表面采用刀具打竖直应力测量孔。优选地，根据残余应力测试仪的测试标准，采用直径为3.2mm的刀具在梯形上表面打竖直应力测量孔，则一个测试点最大深度为0.6倍的孔径即2mm。

在本发明的再一个实施例中，在上述实施例的基础上，在所述测量工件的上表面打竖直应力测量孔之后，采用激光干涉应力仪获取所述竖直应力测量孔中的初始残余应力值。

其中，在所述工件的上表面的孔的所有测量值都是初始残余应力值。

具体地，采用激光干涉应力仪获取工件的上表面的竖直应力测量孔中的X轴、Y轴、Z轴三个方向上的初始残余应力值。

在本发明又一个实施例中，在上述实施例的基础上，所述沿所述斜面的法向方向打应力测量孔包括：

采用直径为D的刀具在所述斜面的法向方向打应力测量孔，其中，所述应力测量孔的深度为0.6D。

具体地，采用直径为D的刀具在工件的斜面的法向方向获取深度为0.6D的孔。

在本发明又一个实施例中，在上述实施例的基础上，所述方法还包括：所述应力测量孔为多个，各个孔之间在与所述斜面平行方向上的距离至少为4D。

其中，为了保证能够测量工件中所有深度的残余应力，必须保证孔与孔之间在斜面平行方向上的距离至少为4D。

具体地，采用直径为D的刀具在梯形的斜面的法向方向获取的孔与孔之间在斜面平行方向上的距离至少为4D。

优选地，根据残余应力测试仪的测试标准，采用直径为3.2mm的刀具在工件斜面上打应力测量孔，斜面上测试点的布置需要满足测试点之间的距离至少为孔径的4倍即12.8mm。

在本发明又一个实施例中，参考图2，在上述实施例的基础上，所述方法还包括：

所述应力测量孔在所述斜面上成直线排列或者折线形排列。

其中，首先利用激光干涉仪测量工件上下表面各个位置的残余应力分布是否均匀，如果同一表面残余应力值十分相近，则可以选择折线形排布。

具体地，根据激光干涉仪孔在工件上下表面各个位置的残余应力测量结果，在工件的斜面的法向方向上把孔1、孔2、孔3……孔n设置成直线排列或者在工件的斜面的法向方向上把孔1、孔2、孔3…….孔n设置成折线形排列。

本实施例提供了一种测量工件内部残余应力方法，选择折线型排布可以有效的扩大测量点之间间距，减小在工件斜面上打孔时应力释放所引起的相互干涉，同时可以减少斜面所需的最小尺寸。

在本发明又一个实施例中，参考图3，在上述实施例的基础上，所述采用激光干涉应力仪获取所述应力测量孔中的测量残余应力值包括：

建立空间坐标系；其中，X轴、Y轴在所述斜面上，Z轴垂直向上，X轴、Y轴、Z轴满足右手法则；其中，所述应力测量孔包括多个，每个所述应力测量孔具有相同的深度；采用激光干涉应力仪获取所述应力测量孔中的X轴、Y轴方向的测量残余应力值。

具体地，首先在斜面上建立空间坐标系，其中，X轴、Y轴在斜面上，Z轴垂直向上，X轴、Y轴、Z轴满足右手法则；应力测量孔包括多个，每个应力测量孔具有相同的深度；采用激光干涉应力仪获取应力测量孔中的X轴、Y轴方向的测量残余应力值。

本实施例提供了一种测量工件内部残余应力的方法，采用激光干涉应力仪获取应力测量孔中的X轴、Y轴方向的测量残余应力值，可以测量出工件中所有深度的残余应力。

在本发明又一个实施例中，在上述实施例的基础上，所述采用激光干涉应力仪获取所述应力测量孔中的测量残余应力值还包括：获取所述应力测量孔在X轴方向的投影；通过激光干涉应力仪在所述投影的位置获取Z轴方向的实际残余应力值。

具体地，获取应力测量孔在X轴方向的投影；通过激光干涉应力仪在投影的位置获取Z轴方向的实际残余应力值。

在本发明又一个实施例中，参考图4，在上述实施例的基础上，所述采用激光干涉应力仪获取所述应力测量孔中的测量残余应力值之后，根据所述测量残余应力值，利用残余应力修正公式获得实际残余应力值包括：

S401，获取所述应力测量孔的上面材料去除厚度和剩余材料厚度；

S402，获取去除材料时对剩余材料产生的在所述应力测量孔的X轴、Y轴方向的作用力和去除材料时对剩余材料产生的在所述应力测量孔的X轴、Y轴方向的弯矩；

S403，获取所述应力测量孔在X轴、Y轴方向的作用力产生的应力值和所述应力测量孔在X轴、Y轴方向的弯矩产生的弯曲应力值；

S404，获取所述应力测量孔在X轴、Y轴方向的总的应力值，其中，所述应力测量孔在X轴方向的总的应力值等于所述应力测量孔在X轴方向的应力值和所述应力测量孔在X轴方向的弯曲应力值之和，所述应力测量孔在Y轴方向的总的应力值等于所述应力测量孔在Y轴方向的应力值和所述应力测量孔在Y轴方向的弯曲应力值之和；

S405，获取所述应力测量孔在X轴、Y轴方向的实际残余应力值，其中，所述应力测量孔在X轴方向的实际残余应力值等于所述应力测量孔在X轴方向的测量残余应力值和所述应力测量孔在X轴方向的总的应力值之差，所述应力测量孔在Y轴方向的实际残余应力值等于所述应力测量孔在Y轴方向的测量残余应力值和所述应力测量孔在Y轴方向的总的应力值之差。

优选地，共有n个孔，每个孔分m层，有m个测量点。以第j个孔的第i个点为例：

测量点深度：(j-1)×h+i×Δh，其中Δh为每一个测量点所在层材料厚度；

该点上方材料去除厚度：(j-1)×h-i×Δh×tan²α，其中，α为斜面的倾斜角；

剩余材料厚度：H-(j-1)×h+i×Δh×tan²α，其中，H为梯形的高度；

去除材料时对余下材料所产生的作用力：

其中σ_T(j-1)-m为第j-1个孔第m个测量点实际应力值；

去除材料时对余下材料所产生的弯矩：

作用力F_j,i产生的应力：

弯矩M_j,i所产生的弯曲应力：其中：

第j个孔第i个测量点所受到总的应力值σ_j,i＝σ_Fj,i+σ_Mj,i；

第j个孔第i个测量点的实际残余应力值σ_Tj-i＝σ_j-i-σ_j，i；

上式中，σ_j-i为第j个孔第i个测量点的测量应力值。

其中，通过上述公式分别计算出第i个点在X轴、Y轴方向上的实际残余应力值。

在本发明又一个实施例中，参考图5，在上述实施例的基础上，所述获得实际残余应力值之后，将所述实际残余应力值进行坐标转换获得初始残余应力值包括：

把X轴、Y轴、Z轴方向的实际残余应力值进行坐标转换获得所述初始残余应力值。

优选地，斜面坐标系为OX₀Y₁Z₁，平面坐标系为OX₀Y₀Z₀，平面坐标系绕X₀轴旋转α角即可得到斜面坐标系。其中，α角的大小为斜面的倾斜角。设初始残余应力值为(X₀，Y₀，Z₀)^T，其中，斜面坐标系中实际残余应力值为(X₁，Y₁，Z₁)^T。

其中，旋转矩阵为：

则

(X₀，Y₀，Z₀)^T＝R×(X₁，Y₁，Z₁)^T

即

X₀＝X₁

Y₀＝Y₁cosα-Z₁sinα

Z₀＝Y₁sinα+Z₁cosα

由上式可以得到：

X₀＝X₁

本发明提供了一种测量工件内部残余应力的方法，把测量工件沿深度方向切出一个斜面；沿斜面的法向方向，采用刀具打应力测量孔，采用激光干涉应力仪获取应力测量孔中的X轴、Y轴方向的测量残余应力值；获取应力测量孔在X轴方向的投影，通过激光干涉应力仪在投影的位置获取Z轴方向的实际残余应力值。根据X轴、Y轴方向的测量残余应力值，利用残余应力修正公式获得X轴、Y轴方向的实际残余应力值，将X轴、Y轴、Z轴方向的实际残余应力值进行坐标转换获得初始残余应力值。本发明实施例提供的测量工件内部残余应力方法，效率高，测量快、结果精确。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种测量工件内部残余应力的方法，其特征在于，包括：

把测量工件沿深度方向切出一个斜面；

沿所述斜面的法向方向打应力测量孔；

采用激光干涉应力仪获取所述应力测量孔中的测量残余应力值；

根据所述测量残余应力值，利用残余应力修正公式获得实际残余应力值；

将所述实际残余应力值进行坐标转换获得初始残余应力值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述测量工件的上表面打竖直应力测量孔。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述测量工件的上表面打竖直应力测量孔之后，采用激光干涉应力仪获取所述竖直应力测量孔中的初始残余应力值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沿所述斜面的法向方向打应力测量孔包括：

采用直径为D的刀具在所述斜面的法向方向打应力测量孔，其中，所述应力测量孔的深度为0.6D。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：所述应力测量孔为多个，各个孔之间在与所述斜面平行方向上的距离至少为4D。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述应力测量孔在所述斜面上成直线排列或者折线形排列。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用激光干涉应力仪获取所述应力测量孔中的测量残余应力值包括：

建立空间坐标系；其中，

X轴、Y轴在所述斜面上，Z轴垂直向上，X轴、Y轴、Z轴满足右手法则；其中，

所述应力测量孔包括多个，每个所述应力测量孔具有相同的深度；

采用激光干涉应力仪获取所述应力测量孔中的X轴、Y轴方向的测量残余应力值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述采用激光干涉应力仪获取所述应力测量孔中的测量残余应力值还包括：

获取所述应力测量孔在X轴方向的投影；

通过激光干涉应力仪在所述投影的位置获取Z轴方向的实际残余应力值。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述采用激光干涉应力仪获取所述应力测量孔中的测量残余应力值之后，根据所述测量残余应力值，利用残余应力修正公式获得实际残余应力值包括：

获取所述应力测量孔的上面材料去除厚度和剩余材料厚度；

获取去除材料时对剩余材料产生的在所述应力测量孔的X轴、Y轴方向的作用力和去除材料时对剩余材料产生的在所述应力测量孔的X轴、Y轴方向的弯矩；

获取所述应力测量孔在X轴、Y轴方向的作用力产生的应力值和所述应力测量孔在X轴、Y轴方向的弯矩产生的弯曲应力值；

获取所述应力测量孔在X轴、Y轴方向的总的应力值，其中，所述应力测量孔在X轴方向的总的应力值等于所述应力测量孔在X轴方向的应力值和所述应力测量孔在X轴方向的弯曲应力值之和，所述应力测量孔在Y轴方向的总的应力值等于所述应力测量孔在Y轴方向的应力值和所述应力测量孔在Y轴方向的弯曲应力值之和；

获取所述应力测量孔在X轴、Y轴方向的实际残余应力值，其中，所述应力测量孔在X轴方向的实际残余应力值等于所述应力测量孔在X轴方向的测量残余应力值和所述应力测量孔在X轴方向的总的应力值之差，所述应力测量孔在Y轴方向的实际残余应力值等于所述应力测量孔在Y轴方向的测量残余应力值和所述应力测量孔在Y轴方向的总的应力值之差。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述获得实际残余应力值之后，将所述实际残余应力值进行坐标转换获得初始残余应力值包括：

把X轴、Y轴、Z轴方向的实际残余应力值进行坐标转换获得所述初始残余应力值。