CN110307926A

CN110307926A - 一种电解加工小孔测量残余应力的方法

Info

Publication number: CN110307926A
Application number: CN201910560045.7A
Authority: CN
Inventors: 金洙吉; 白倩; 裴钧民; 姜冠楠; 徐振哲
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2019-06-26
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2019-10-08

Abstract

本发明公开了一种电解加工小孔测量残余应力的方法，属于电解加工技术领域。包括以下步骤：1)对被测样件进行预处理；2)在被测样件上电解加工小孔；3)电解加工小孔后测量被测样件的残余应力，本发明采用电解方法对小孔进行加工，属于非接触式加工，加工时不会引入附加应力，提高了残余应力测量精度，同时根据法拉第第一定律，采用恒电流方式进行电解加工小孔，通过控制电解加工持续时间，用以控制小孔加工深度。本发明提供的电解加工小孔测量残余应力的方法，测量精度高，可长时间可靠的工作，可广泛应用于工业现场和科研测试中残余应力测量的场合。

Description

一种电解加工小孔测量残余应力的方法

技术领域

本发明基于小孔法测量残余应力原理，涉及一种电解加工小孔测量残余应力的方法。

背景技术

残余应力是机械零部件在加工制造或使役期间在近表层或内部产生的一种不稳定应力状态。几乎所有的机械加工方法和表面处理工艺都会引入残余应力，残余应力是机械零部件在加工和使用过程中必然出现的。残余应力对机械零部件的静力强度和疲劳强度会产生严重影响，导致机械零部件表面在加工过程中产生工艺缺陷，并进一步影响机械零部件的使役性能。所以，机械零部件残余应力的测量是一项重要的表面加工完整性的评价指标，准确可靠的残余应力测试方法的研究具有非常重要的意义。

小孔法测量机械零部件的近表面残余应力具有可靠性高、测量深度较大等优势，是工程界应用最广泛的一种残余应力测试方法。小孔法测量残余应力具有可靠性强，测量深度较大(0.02-15mm)等优点，已经被美国材料与实验协会(ASTM)和中华人民共和国国家标准(GB/T 31310-2014)《金属材料残余应力测定钻孔应变法》确定为标准的残余应力测试方法。小孔法的测量方法为：在具有一定近表面残余应力的试件表面加工一个小孔，在小孔附近的试件表面由于部分应力的释放而产生相应的位移和应变，通过测量产生的位移和应变，将其代入一系列公式即可计算出已去除材料所在部位的残余应力。目前最常用的测量位移和应变的方法为在加工小孔周围粘贴应变片，通过连接应变仪读取位移和应变的数值。

目前小孔法测量残余应力时，通常采用机械方法加工小孔，机械加工方法如钻削、铣削在加工小孔时易引入附加应力，影响近表面残余应力的测量精度与测量结果。专利CN104296901A、CN106370334A分别采用钻孔和铣孔的方法加工小孔进行残余应力测量，此两种方法均采用机械方法对小孔进行加工，在测量过程中会引入附加应力，造成残余应力测量精度降低。

电解加工是一种利用金属工件在电场作用下在电解液中发生阳极溶解特性的特种加工方法。电解加工过程不受材料力学性能影响，具有加工表面无残余应力产生等优点。采用电解加工代替机械加工方法在加工小孔时可以有效解决机械加工过程产生附加应力的问题。目前尚无利用电解加工小孔方法测量残余应力的文献报道及专利技术。

发明内容

针对小孔法测量残余应力时，机械加工小孔会引入附加应力的问题，本发明提出了一种电解加工小孔测量残余应力的方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种电解加工小孔测量残余应力的方法，包括以下步骤：

第一步，对被测样件进行预处理

在被测样件表面标记出小孔加工位置，并用乙醇清洁剂对小孔加工位置进行清洁；取小孔的水平正方向为基准方向，分别在基准方向、沿基准方向逆时针旋转135°方向、沿基准方向逆时针旋转270°方向粘贴应变片，并在被测样件底部粘贴温度补偿片，用以消除温度变化对应变测量结果的影响。

第二步，在被测样件上电解加工小孔

对被测样件上标记位置进行电解加工，被测样件接入电源正极，将带有孔状结构的阳极盖板与被测样件贴合，使阳极盖板孔心处与被测样件上标记的位置重合，并在阳极盖板与被测样件之间放置与待加工小孔直径相同的密封圈，通过阳极盖板与密封圈结构，使电解液仅与被测样件标记位置接触。采用恒电流方式进行电解加工得到所需直径的小孔，并通过控制电解加工持续时间控制小孔加工深度。所述的电解加工电流范围为0.1A～10A，电解加工持续时间为10s～3600s。

2.1)基于法拉第第一定律计算理论电解加工小孔的深度d_理论

根据GB/T 31310-2014中的要求，小孔的加工深度需要严格控制。本发明基于法拉第第一定律对电解加工小孔深度进行控制。根据法拉第第一定律，金属在电解时发生电化学反应的物质质量与通过两相界面上的电量成正比，即：

式中：

W——阳极溶解物质的质量(g)；

k——阳极溶解金属元素的质量电化当量(g/A·s)；

Q——通过电极界面的电量(A·s)；

I——电解加工过程中阳极电流值(A)；

t——电解加工持续时间(s)；

A——阳极金属元素的相对原子质量(g/mol)；

n——阳极金属元素参与电极反应的离子价；

F——法拉第常数，其值为96500A·s/mol。

根据质量计算公式，阳极溶解物质的质量可以计算为：

W＝ρ·V＝ρ·S·d

式中：

ρ——阳极溶解物质的密度(g/mm³)；

V——阳极溶解物质的体积(mm³)；

S——电解加工小孔的面积(mm²)；

d——电解加工小孔的深度(mm)。

根据上式可推导出：

2.2)通过引入电流效率η计算实际电解加工小孔的深度d_实际

电解加工实践研究表明，实际电解加工过程中阳极金属的溶解量与按照法拉第第一定律理论计算的溶解量有差别，通常是实际溶解量小于理论计算量。为了得到进一步得到实际电解加工小孔深度与电解加工时间的关系，引入电流效率η对电解加工深度理论值进行修正，公式如下：

d_实际＝η·d_理论

将电解加工小孔深度与电解加工时间的理论关系通过电流效率进行修正，最终得到的电解加工小孔深度与电解加工时间的关系式为：

2.3)计算电解加工持续时间

根据上式，电解加工持续时间计算公式为：

上述公式中A、n、F、ρ、S均为确定的已知量，在具体的加工电流和电解液体系中，η通过实验标定而得。因此，采用恒电流方式进行电解加工小孔，并根据所计算的电解加工持续时间，即可获得所需加工深度为d的小孔。

第三步，电解加工小孔后测量被测样件的残余应力

对被测样件进行电解加工小孔后，根据公式计算被测样件内部残余主应力σ₁、σ₂和主应力方向角θ。

式中：

ε₁——基准方向上应变片测量的释放应变(με)；

ε₂——基准方向逆时针旋转135°方向上应变片测量的释放应变(με)；

ε₃——基准方向逆时针旋转270°方向上应变片测量的释放应变(με)；

E——被测试件的弹性模量(GPa)；

A——各向同性应力标定常数(MPa^-1)；

B——切应力标定常数(MPa^-1)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于小孔法测量残余应力原理，利用电解加工的方法对小孔进行加工，属于非接触式加工，不会引入附加应力，避免了机械方法加工小孔引入附加应力的问题，提高了残余应力测量精度。

附图说明

图1为实施例流程图；

图2为实施例所得电解加工小孔截面示意图；

图3为电解加工小孔测量残余应力、铣削加工小孔测量残余应力与XRD测量结果的误差对比图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

本实施例中，被测样件为纯铁材料(DT4E)，其尺寸为：35mm×4mm×118mm，电解液选择为1.5mol/L NaCl+0.1mol/L HCl溶液，加工小孔的直径D₀为5mm，

本实施例中，测试小孔加工深度d为0.715mm，根据公式：

式中：

A——阳极金属元素的相对原子质量(g/mol)，本实施例中A值为55.85g/mol；

n——阳极金属元素参与电极反应的离子价，本实施例中n值为2；

F——法拉第常数，本实施例中F值为96500A·s/mol。

ρ——阳极溶解物质的密度(g/mm³)，本实施例中ρ值为7.86×10^-3g/mm³；

S——电解加工小孔的面积(mm²)，本实施例中S值为19.63mm²；

I——电解加工过程中阳极电流值(A)，本实施例中I值为0.3A；

η——电流效率，本实施例中，在实验用电解液中以及恒电流参数为0.3A下，对电流效率η值进行标定：

分别选用200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm和600μm作为理论电解加工小孔深度，由理论电解加工小孔深度公式计算得得出相应的电解加工时间分别为352s、440s、529s、617s、705s、793s、881s、969s和1057s。采用恒电流参数为0.3A，按照理论加工时间分别进行电解加工实验。实验后使用电火花线切割加工小孔的截面并测量小孔实际深度，进而计算电流密度η值，其计算结果如表1所示，本实施例中η值为83.38％。

表1为实施例电流密度η标定结果

将上述参数数值带入公式，即：

本实施例中，小孔加工深度d为0.715mm，计算得本实施例电解加工持续时间t为1511s。

本实施例中，电解加工小孔测量残余应力的方法的测量过程包括以下步骤：

第一步，对被测样件进行预处理

在被测样件表面标记出小孔加工位置，本实施例中，小孔加工位置为被测样件上表面中心处，并用乙醇清洁剂对小孔加工位置进行清洁，取小孔的水平正方向为基准方向，分别在基准方向、沿基准方向逆时针旋转135°方向、沿基准方向逆时针旋转270°方向粘贴应变片，并在被测样件底部粘贴温度补偿片，用以消除温度变化对应变测量结果的影响，被测样件应变片粘贴方式如图1(a)所示。

第二步，在被测样件上电解加工小孔

利用F30型平板电解腐蚀池和PARSTAT 2273电化学工作站对被测样件上标记位置进行电解加工，其加工原理如图1(b)所示。采用恒电流模式，加工电流为0.3A，电解加工持续时间为1511s。电解加工小孔截面如图2所示。

第三步，电解加工小孔后测量被测样件的残余应力

对被测样件进行电解加工小孔后，根据公式进行被测样件内部残余主应力σ₁、σ₂和主应力方向角θ的计算。

本实施例中，设置三个实验组，每个实验组分别进行电解加工小孔测量残余应力和铣削加工小孔测量残余应力，并以X射线应力检测方法(XRD)测量残余应力作为基准，将两种方法测量结果与XRD测量结果进行对比并计算误差，其误差结果如图3所示。电解加工小孔测量残余应力方法的平均误差为13.5％，铣削加工小孔测量残余应力方法的平均误差为23.9％。电解加工小孔测量残余应力方法误差较小，具有较高的测量精度。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims

1.一种电解加工小孔测量残余应力的方法，其特征在于，该方法采用电解加工方法对小孔进行加工，属于非接触式加工，包括以下步骤：

第一步，对被测样件进行预处理

在被测样件表面标记出小孔加工位置，对小孔加工位置进行清洁；取小孔的水平正方向为基准方向，分别在基准方向、沿基准方向逆时针旋转135°方向、沿基准方向逆时针旋转270°方向粘贴应变片，并在被测样件底部粘贴温度补偿片；

第二步，在被测样件上电解加工小孔

对被测样件上标记位置进行电解加工，被测样件接入电源正极，将带有孔状结构的阳极盖板与被测样件贴合，使阳极盖板孔心处与被测样件上标记的位置重合，并在阳极盖板与被测样件之间放置与待加工小孔直径相同的密封圈，通过阳极盖板与密封圈结构，使电解液仅与被测样件标记位置接触；根据法拉第第一定律，采用恒电流方式进行电解加工得到所需直径的小孔，并通过控制电解加工持续时间控制小孔加工深度；

第三步，电解加工小孔后测量被测样件的残余应力

对被测样件进行电解加工小孔后，根据公式计算被测样件内部残余主应力σ₁、σ₂和主应力方向角θ；

式中：ε₁为基准方向上应变片测量的释放应变(με)；ε₂为基准方向逆时针旋转135°方向上应变片测量的释放应变(με)；ε₃为基准方向逆时针旋转270°方向上应变片测量的释放应变(με)；E为被测试件的弹性模量(GPa)；A为各向同性应力标定常数(MPa^-1)；B为切应力标定常数(MPa^-1)。

2.根据权利要求1所述的一种电解加工小孔测量残余应力的方法，其特征在于，所述的电解加工电流范围为0.1A～10A，电解加工持续时间为10s～3600s。

3.根据权利要求1或2所述的一种电解加工小孔测量残余应力的方法，其特征在于，所述的第二步具体为：

2.1)基于法拉第第一定律计算理论电解加工小孔的深度d_理论；

式中：k为阳极溶解金属元素的质量电化当量(g/A·s)；I为电解加工过程中阳极电流值(A)；t为电解加工持续时间(s)；A为阳极金属元素的相对原子质量(g/mol)；F为法拉第常数；ρ为阳极溶解物质的密度(g/mm³)；S为电解加工小孔的面积(mm²)；

2.2)通过引入电流效率η计算实际电解加工小孔的深度d_实际；

2.3)计算电解加工持续时间t

式中：A、n、F、ρ、S均为确定的已知量，在具体的加工电流和电解液体系中，η通过实验标定而得；

因此，采用恒电流方式进行电解加工小孔，并根据所计算的电解加工持续时间，即可获得所需加工深度为d的小孔。