CN110487464B - 一种基于残余应力的变形轮廓测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于残余应力的变形轮廓测量方法，包括：采用切割机将待测试件以预设方式切开得到切割面；采用三坐标测量机测量残余应力释放后的切割面的变形轮廓；其中，所述采用三坐标测量机测量残余应力释放后的切割面的变形轮廓，包括：在切割面上建立多个工件坐标系；分别根据多个工件坐标系测量切割面同一预设位置基于不同工件坐标系的坐标值；根据不同坐标系的测量数据得到待测试件基于残余应力的变形轮廓。本发明实施例的技术方案，通过将测量数据平移和旋转的方法，得到的轮廓数据不会因为切割和测量的倾斜误差而变化，从而可以用于轮廓法残余应力测量的后续计算。

Description

一种基于残余应力的变形轮廓测量方法

技术领域

本发明实施例涉及残余应力检测领域，尤其涉及一种基于残余应力的变形轮廓测量方法。

背景技术

残余应力是指存在于材料内部的稳定的自平衡应力场，它的存在可能对材料力学性能和工程部件的寿命极为不利，未知的残余应力与服役荷载的叠加常常使服役中的工程部件的实际受力状态难以确定，从而导致对部件性能及预期寿命的错误判断。因此，准确评估残余应力对预测工程部件的疲劳寿命和评估结构完整性十分必要。

轮廓法是一种通过测量应力释放导致位移来得到残余应力分布的一种破坏性残余应力测量方法，这种方法可以得到待测面上各点的残余应力值并绘出二维残余应力分布图。其基本原理是：当含有残余应力的物体被切成两半，在新产生的表面上将产生应力释放导致的变形，假定应力释放过程是弹性的，且不人为引入新的变形，则将这个变形强制压回初始平面状态所用的力的大小即为初始残余应力大小。

轮廓法在应用的过程中要尽可能避免除应力释放之外引入其他的变形，同时也要保证轮廓测量的准确性。但在实际应用过程中，导致轮廓法出现误差的因素有很多，如切割过程中的试件移动、切割参数设置不良导致的断丝以及在测量过程中由于坐标系建立不准确导致的误差等。其中，切割过程中需要设置的参数主要包括：

放电脉冲时间(ON)：该时间越长，则切割时输出能量越大，加工越迅速，表面越粗糙。

放电停止时间(OFF)：本次放电到下次放电的间隔时间，此时间越短，则放电次数增加，但更容易发生断丝。

电源峰值(IP)：此参数的第一位用来控制采用标准脉冲还是高能量输出的TM脉冲。第一位为0时采用标准脉冲，1以上采用TM脉冲，且数值越高，加工的程度越粗糙。

高压电源调整(HRP)：用来控制加工稳定性的参数。

加工电压(V)：电极丝的电压，电压越高，输出功率越高。此项为0时代表电压60V，取1时为80V，以此类推。

切割速率(SF)：工作台在加工中的运动速度，数值越高加工越快。

如果上述切割参数设置导致输出功率过高，会导致加工表面过于粗糙；切割参数设置如果与待切材料不匹配，可能发生切割时电流电压的突变，导致切割丝断丝，这些因素都会影响后续的表面变形轮廓测量的准确度。

在轮廓法现有技术资料中，缺少对轮廓法实验误差控制的方法。在轮廓法使用过程中，实验人员通常通过经验控制实验过程，从而导致测量结果不够准确。

发明内容

本发明实施例提供一种基于残余应力的变形轮廓测量方法，以实现得到的轮廓数据不会因为切割和测量的倾斜误差而变化，从而可以用于轮廓法残余应力测量的后续计算。

本发明实施例提供了一种基于残余应力的变形轮廓测量方法，包括：

采用切割机将待测试件以预设方式切开得到切割面；

采用三坐标测量机测量残余应力释放后的切割面的变形轮廓；

其中，所述采用三坐标测量机测量残余应力释放后的切割面的变形轮廓，包括：

在切割面上建立多个工件坐标系；

分别根据多个工件坐标系测量切割面同一预设位置基于不同工件坐标系的坐标值；

根据不同坐标系的测量数据得到待测试件基于残余应力的变形轮廓。

可选的，所述采用切割机将待测试件以预设方式切开得到切割面，包括：

设置切割机的切割参数；

将待测试件用压板固定在底板上；

根据预设的切割位置采用切割机对待测试件进行切割。

可选的，所述设置切割机的切割参数，包括：

使用与所述待测试件几何尺寸完全相同的不含残余应力的试件进行多次试切割，并在每次试切割之后调整所述切割机的参数，直至切割全过程不出现断丝的情况，此时的参数作为设置切割机的切割参数。

可选的，所述切割参数包括：放电脉冲时间、放电停止时间、电源峰值、高压电源调整、加工电压、切割速率的一种或多种。

可选的，在切割面上建立多个工件坐标系中建立每个工件坐标系，包括：

确定三个坐标轴的方向；

确定原点的位置；

根据所述原点的位置平移所述三个坐标轴，从而建立工件坐标系。

可选的，所述确定三个坐标轴的方向，包括：

确定Z轴的方向；

在待测试件的侧壁上手动打点确定一条直线，将已确定的Z轴旋转90度至此方向，以确定X轴的方向，基于X轴方向再旋转90度确定Y轴的方向。

可选的，所述确定Z轴的方向，包括：

在切割面上任意选择三至四个点生成平面作为Z平面，垂直于所述Z平面的方向为Z轴的方向。

可选的，所述根据不同坐标系的测量数据得到待测试件基于残余应力的变形轮廓，包括：

将不同坐标系的测量数据均首尾相连作为新的Y轴，计算新Y轴与原Y轴夹角，将变形数据中的Z值换算成以新Y轴为基准的Z值，最终得到统一的变形轮廓。

可选的，所述切割机为慢走丝线切割机。

可选的，所述待测试件为紧凑拉伸试件。

本发明实施例的技术方案，通过将测量数据平移和旋转的方法，得到的轮廓数据不会因为切割和测量的倾斜误差而变化，从而可以用于轮廓法残余应力测量的后续计算。

附图说明

图1为本发明实施例中的基于残余应力的变形轮廓测量方法的流程示意图；

图2a是本发明实施例中的紧凑拉伸试件的标准尺寸的示意图；

图2b是本发明实施例中的紧凑拉伸试件的标准尺寸的左视图；

图2c是本发明实施例中的紧凑拉伸试件的标准尺寸的主视图；

图2d是本发明实施例中切割紧凑拉伸试件后的示意图；

图3是本发明实施例中的步骤S110的子步骤的流程示意图；

图4是本发明实施例中的切割参数设置栏的示意图；

图5是本发明实施例中的步骤S120的子步骤的流程示意图；

图6a为本发明实施例中欲建立的工件坐标系的示意图；

图6b为本发明实施例中确定Z平面的示意图；

图6c为本发明实施例中旋转出X轴方向和Y轴方向的示意图；

图6d为本发明实施例中确定X＝0的点和原点的示意图；

图7a为本发明实施例中第二选点方案确定Z轴的选点方案图；

图7b为本发明实施例中第三选点方案确定Z轴的选点方案图；

图8为本发明实施例中切割面中心线数据点的示意图；

图9为本发明实施例中基于不同Z平面的轮廓测量结果；

图10为本发明实施例中得到的统一的变形轮廓的测量结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

此外，术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种方向、动作、步骤或元件等，但这些方向、动作、步骤或元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个方向、动作、步骤或元件与另一个方向、动作、步骤或元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一速度差值称为第二速度差值，且类似地，可将第二速度差值称为第一速度差值。第一速度差值和第二速度差值两者都是速度差值，但其不是同一速度差值。术语“第一”、“第二”等不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

图1为本发明实施例提供的一种基于残余应力的变形轮廓测量方法的流程示意图，本发明实施例可适用于残余应力测量的情况。参照图1，本发明实施例的基于残余应力的变形轮廓测量方法，具体包括如下步骤：

步骤S110、采用切割机将待测试件以预设方式切开得到切割面。

具体的，本发明实施例的切割机可以为慢走丝线切割机，慢走丝线切割机是目前常用的用于轮廓法测量残余应力的切割手段。不同于传统的切削加工需要用极高的切削力去除材料，从而在材料表面产生大量塑性变形，慢走丝线切割机的原理是通过连续运动的电极丝与工件之间的高温放电现象来腐蚀工件，而整个放电加工过程中，电极丝与工件之间是非接触的，这样不会在切割时引入塑性变形进而影响后续变形轮廓测量。可以理解的，本发明实施例的切割机也可以是其他类型的切割机，本发明对此不作限定。本发明实施例的待测试件可以为含残余应力的紧凑拉伸试件，紧凑拉伸试件是进行材料疲劳和蠕变裂纹扩展实验的标准试件，如图2a所示，切割面为图中210位置。图2b、2c分别为该紧凑拉伸试件的左视图和主视图。图2d为切割后的紧凑拉伸试件的示意图。可以理解的，本发明实施例的待测试件也可以是其他类型的待测试件，本发明对此不作限定。预设方式是指切割机设定的切割待测试件的方式，包括但不限于切割锯切割、电气焊切割、线切割、等离子切割等方式。本发明实施例采用线切割方式，可以理解的，本发明对切割方式不作限定。

具体的，如图3所示，步骤S110包括以下子步骤：

步骤S1101、设置切割机的切割参数。

具体的，切割参数包括：放电脉冲时间(ON)、放电停止时间(OFF)、电源峰值(IP)、高压电源调整(HRP)、加工电压(V)、切割速率(SF)。针对切割时由于参数设置不良导致的断丝，设计了多次无残余应力切割试验来确定适合待切材料的参数。在切割机参数设置栏中不使用针对此类型材料默认的粗切参数(如图4所示C001一栏)而是选择用于第一次精修的参数(如图4所示C002一栏)进行切割。在慢走丝线切割机的一般的工程应用场合中，如加工形状复杂的零件时，标准的做法是首先进行粗加工(“开粗”)，使用高压高能量输出的设置(如C001)进行一刀切割，这种方法可以快速地将毛坯切割所需的近似形状。然后使用1-8次的输出功率较低的“修刀”切割来产生高质量的表面光洁度。然而，对于轮廓法而言，这种多次切割会产生两个问题。首先，采用粗切削会在切割面上产生一个很大的重铸层，即电火花前段重新凝固的已熔化碎片。这会引入塑性变形，并可能改变表面的形貌。此外，第二次切割将去除第一次切割留下的任何表面轮廓，包括残余应力释放产生的约为几十个微米的轮廓变化，使下一步无法进行有效的轮廓测量。因此，必须修改常用的电火花加工方法，仅对样品进行一次“修刀”切割。这会大大降低切割的速度，因为切割机输出功率会随着应用修刀设置而降低。在图4中可见，C002的输出电流电压以及切割速度都低于C001。为了确定适用于待切材料的切割参数，首先使用与待测试件几何尺寸完全相同的不含残余应力的试件进行多次试切割，并在每次试切割之后调整线切割机的参数，直至切割全过程不出现断丝等意外中止的情况，此时的参数作为设置切割机的切割参数。

步骤S1102、将待测试件用压板固定在底板上。

具体的，针对切割时由于待测试件固定不牢导致的试件移动和切割偏斜问题，设计了适用于慢走丝线切割机固定小型紧凑拉伸试件的底板。

步骤S1103、根据预设的切割位置采用切割机对待测试件进行切割。

步骤S120、采用三坐标测量机测量残余应力释放后的切割面的变形轮廓。

具体的，三坐标测量机能够根据设定的坐标系测量工件表面变形值，针对上述紧凑拉伸试件，其测量精度可达到3微米以内。

具体的，如图5所示，步骤S120包括以下子步骤：

步骤S1201、在切割面上建立多个工件坐标系。

由于测量之前三坐标测量机只能根据自带的机器坐标系进行移动和测量，而工件在机器坐标系上的位置未知，所以需要根据工件位置确定新的原点和三个坐标轴，即工件坐标系。欲建立的工件坐标系如图6a所示。图中610为切割面。

具体的，在切割面610上建立多个工件坐标系，包括：

步骤S12011、确定三个坐标轴的方向。

具体的，步骤S12011包括以下子步骤：

步骤S120111、确定Z轴的方向。

具体的，在切割面上任意选择三至四个点生成平面作为Z平面，根据这些测点拟合的平面即可确定Z平面，垂直于所述Z平面的方向为Z轴的方向。如图6b所示，在切割面上选择四个角点611、612、613、614，作为第一选点方案，根据这四个角点生成Z平面，垂直于该Z平面的方向为Z轴615的方向。替代实施例中，也可以仅选用三个角点611、612、613作为第一选点方案，当然也可以选用五个或更多的其他位点作为第一选点方案。

步骤S120112、在待测试件的侧壁上手动打点确定一条直线，将已确定的Z轴旋转90度至此方向，以确定X轴的方向，基于X轴方向再旋转90度确定Y轴的方向。

具体的，确定Z平面之后，如图6c所示，在工件的Y平面上手动打点确定一条直线616，将已确定的Z轴615旋转90度至此方向，确定了X轴617的方向，基于X轴617方向再旋转90度确定Y轴618的方向，且三轴的正方向依据右手法则直接确定。

步骤S12012、确定原点的位置。

具体的，找到三个坐标轴的方向后，还需要确定原点位置，如图6d所示，在X平面上任意手动打一个点619，作为X＝0的点，三个轴值均等于零的交点处即为原点，例如角点613。

步骤S12013、根据所述原点的位置平移所述三个坐标轴，从而建立工件坐标系。

具体的，将三个坐标轴都平移到如图6d所示的工件角点处，从而建立工件坐标系。

本发明实施例中，需要建立多个工件坐标系，下面以建立3个坐标系为例进行说明，如图7a、7b所示为另外两种确定坐标系Z轴的选点方案，分别为第二选点方案和第三选点方案，由于试件在切割中可能未完全按对称面切开，切割面存在未知的倾斜程度，从而根据不同的选点方案建立基于不同Z平面的工件坐标系。如图7a所示，图中邻近切割面下半部四个方向的四个选点711、712、713、714为确定Z轴的选点方案，作为第二选点方案；如图7b所示，图中邻近切割面正中心附近的四个选点715、716、717、718为确定Z轴的选点方案，作为第三选点方案。

步骤S1202、分别根据多个工件坐标系测量切割面同一预设位置基于不同工件坐标系的坐标值。

具体的，建立工件坐标系后，可以按照同一预设位置测量基于不同工件坐标系的坐标值。例如，如图8所示，在切割面上大致割面中心线的方向以预设间隔W例如0.5mm选取一组参考点，每个参考点作为一个预设位置，建立坐标系后按照图8测量切割面中心线上每个参考点基于上述坐标系的坐标值，该坐标值理论上即为应力释放后的变形值。但由于试件在切割中可能未完全按对称面切开，切割面存在未知的倾斜程度，导致使用切割面上不同的点确定测量坐标系时，得到的测量结果完全不同。图9为基于3个不同工件坐标系的测量结果，其中曲线911对应第一选点方案，曲线912对应第二选点方案，913对应第三选点方案。以图8中距离裂尖处5mm的参考点801为例，基于第一选点方案的工件坐标系测量得到的Z坐标是0.042mm，如图9中点914所示，基于第二选点方案的工件坐标系测量得到的Z坐标是0.037mm，如图9中点915所示，基于第三选点方案的工件坐标系测量得到的Z坐标是-0.015mm，如图9中点916所示。基于不同的坐标系，得到的测量结果完全不同。

步骤S1203、根据不同坐标系的测量数据得到待测试件基于残余应力的变形轮廓。

具体的，将不同坐标系的测量数据均首尾相连作为新的Y轴，计算新Y轴与原Y轴夹角，将变形数据中的Z值换算成以新Y轴为基准的Z值，最终得到统一的变形轮廓如图10所示。可以发现，基于不同的Z平面测量得到的变形数据通过这样的旋转操作后得到的轮廓数据都是相同的。即这组轮廓数据不会因为切割和测量的倾斜误差而变化，从而可以用于轮廓法残余应力的后续计算。同样以图8中距离裂尖处5mm的参考点801为例，经过坐标旋转后，得到的变形轮廓值是0.04mm，如点101所示。

本发明旨在开发一系列控制方法以减小轮廓法测量残余应力的实验过程中由于切割不良和测量不准确而导致的误差。针对切割时由于待测试件固定不牢导致的试件移动和切割偏斜问题，设计了适用于慢走丝线切割机固定小型紧凑拉伸试件的底板。针对切割时由于参数设置不良导致的断丝，设计了多次无残余应力切割试验来确定适合待切材料的参数。此外，切割偏斜可能导致后续变形测量过程中基准坐标系建立不准确，本发明设计了一种处理变形轮廓数据的方法以规避上述测量误差。

本发明实施例的技术方案，通过底板固定和多次尝试切割的方法，得到了质量更好的切割表面用于轮廓法残余应力测量。切割面的粗糙度更低，断丝产生的痕迹也不再出现。

本发明实施例的技术方案，通过将测量数据平移和旋转的方法，得到的轮廓数据不会因为切割和测量的倾斜误差而变化，从而可以用于轮廓法残余应力测量的后续计算。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种基于残余应力的变形轮廓测量方法，其特征在于，包括：

采用切割机将待测试件以预设方式切开得到切割面；

采用三坐标测量机测量残余应力释放后的切割面的变形轮廓；

其中，所述采用三坐标测量机测量残余应力释放后的切割面的变形轮廓，包括：

在切割面上建立多个工件坐标系；

分别根据多个工件坐标系测量切割面同一预设位置基于不同工件坐标系的坐标值；

根据不同坐标系的测量数据得到待测试件基于残余应力的变形轮廓；

其中，所述采用切割机将待测试件以预设方式切开得到切割面，包括：

设置切割机的切割参数；

将待测试件用压板固定在底板上；

根据预设的切割位置采用切割机对待测试件进行切割；

其中，所述设置切割机的切割参数，包括：

使用与所述待测试件几何尺寸完全相同的不含残余应力的试件进行多次试切割，并在每次试切割之后调整所述切割机的参数，直至切割全过程不出现断丝的情况，此时的参数作为设置切割机的切割参数。

2.根据权利要求1所述的基于残余应力的变形轮廓测量方法，其特征在于，所述切割参数包括：放电脉冲时间、放电停止时间、电源峰值、高压电源调整、加工电压、切割速率的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的基于残余应力的变形轮廓测量方法，其特征在于，在切割面上建立多个工件坐标系中建立每个工件坐标系，包括：

确定三个坐标轴的方向；

确定原点的位置；

根据所述原点的位置平移所述三个坐标轴，从而建立工件坐标系。

4.根据权利要求3所述的基于残余应力的变形轮廓测量方法，其特征在于，所述确定三个坐标轴的方向，包括：

确定Z轴的方向；

在待测试件的侧壁上手动打点确定一条直线，将已确定的Z轴旋转90度至此方向，以确定X轴的方向，基于X轴方向再旋转90度确定Y轴的方向。

5.根据权利要求4所述的基于残余应力的变形轮廓测量方法，其特征在于，所述确定Z轴的方向，包括：

在切割面上任意选择三至四个点生成平面作为Z平面，垂直于所述Z平面的方向为Z轴的方向。

6.根据权利要求1所述的基于残余应力的变形轮廓测量方法，其特征在于，所述根据不同坐标系的测量数据得到待测试件基于残余应力的变形轮廓，包括：

将不同坐标系的测量数据均首尾相连作为新的Y轴，计算新Y轴与原Y轴夹角，将变形数据中的Z值换算成以新Y轴为基准的Z值，最终得到统一的变形轮廓。

7.根据权利要求1所述的基于残余应力的变形轮廓测量方法，其特征在于，所述切割机为慢走丝线切割机。

8.根据权利要求1所述的基于残余应力的变形轮廓测量方法，其特征在于，所述待测试件为紧凑拉伸试件。

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