CN111103082B - 一种改善深孔法测量三维残余应力精度方法 - Google Patents
一种改善深孔法测量三维残余应力精度方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111103082B CN111103082B CN202010036537.9A CN202010036537A CN111103082B CN 111103082 B CN111103082 B CN 111103082B CN 202010036537 A CN202010036537 A CN 202010036537A CN 111103082 B CN111103082 B CN 111103082B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- hole
- diameter
- cylinder
- measuring
- aperture
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 238000010892 electric spark Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- 238000004080 punching Methods 0.000 claims description 8
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 abstract description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 4
- 239000007769 metal material Substances 0.000 abstract description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001209 Low-carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000425571 Trepanes Species 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009760 electrical discharge machining Methods 0.000 description 1
- 238000005242 forging Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 238000001683 neutron diffraction Methods 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
- G01L5/0047—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes measuring forces due to residual stresses
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
一种改善深孔法测量三维残余应力精度方法，属于金属材料加工领域；具体为，在加工出参考孔以后，先用电火花加工技术围绕参考孔套取直径较大的圆柱体，再从该圆柱体上套取直径10mm的圆柱体，最后完成残余应力的计算。相比传统的一步套取直径10mm的圆柱体的测量方法，本发明采用分步套取圆柱体的方法，避免在测量高值残余应力场时，参考孔的孔边因应力集中而产生塑性变形，从而获得更加精确的应力测量结果，这对于该应力测量方法的进一步推广使用具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工领域，具体涉及一种改善深孔法测量三维残余应力精度方法。
背景技术
在船舶、核电及航空航天等大型结构的加工制造中，使用大量的中厚板铸件或锻件及其相应的焊接件。当工件内部存在沿厚度方向的应力梯度时，准确测量工件中残余应力的分布规律有利于评定其对产品使用安全性能的影响。对于中厚板工件内部应力测试，最近开始采用的深孔法(DHD，Deep-Hole Drilling Method)相比于中子衍射法或逐层铣削法，具有测试费用低或被测工件破坏性小等优势，且设备简单，易于操作。
目前采用深孔法测量工件内部残余应力的一般实验步骤为：1)在待测部位加工出直径Ф2-3mm的参考孔；2)采用气动探头等工具测量参考孔在不同深度上2-3个角度方向的初始直径；3)采用套孔工具围绕参考孔套取直径Ф10mm的圆柱体；4)测量与步骤2中对应深度和角度的参考孔直径；5)将套孔前后参考孔直径的改变量代入公式求解，得到各方向应力沿深度方向的分布规律。
现有的计算公式是基于弹性理论获得的，如果内部残余应力数值较高，例如接近材料屈服强度，由于参考孔周围的应力集中会造成明显的孔边塑性变形，从而导致该方法测量精度的下降。为改善深孔法应用于高值应力场中的测量精度，本发明提出了基于EDM电火花环向加工技术，通过围绕参考孔采用分步套孔技术套取圆柱体的方法，从而使得参考孔周边的应力最终以全弹性的方式完成释放过程。该技术对于深孔法在高值应力场中的测量应用具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种改善深孔法测量三维残余应力精度的方法，具体为，在加工出参考孔以后，先用电火花加工技术围绕参考孔套取直径较大的圆柱体，再从该圆柱体上套取直径10mm的圆柱体，最后完成残余应力的计算。
本发明一种改善深孔法测量三维残余应力精度方法，具体步骤如下：
步骤1：对工件的待测量部位，使用电火花穿孔机打出直径为a的第一孔；
步骤2：将电火花线切割用钼丝穿过所述第一孔，切出与第一孔共轴的直径为b的第二孔；
步骤3：利用铰刀在第二孔中铰出直径为c的参考孔；
步骤4：对于参考孔的不同深度，测量每个深度上2-3个角度方向的孔径；
步骤5：在距离参考孔中心15-25mm处，使用电火花穿孔机，打出直径为a的与参考孔轴线平行的第三孔；
步骤6：将电火花线切割用钼丝穿过所述第三孔，环向切出与参考孔共轴的直径为30-40mm的圆柱体I；
步骤7：在所述圆柱体I中切出共轴的、直径为10mm的圆柱体II；
步骤8：重复步骤4；测量所述参考孔在与步骤4中相同深度和角度方向上的孔径；
步骤9：计算步骤8对步骤4中每一个深度上每个角度方向的孔径改变量，代入相应公式即可计算出参考孔位置的材料在不同深度不同角度方向的残余应力。
上述的一种改善深孔法测量三维残余应力精度方法，其中：
所述步骤1-6中，第一、第三孔孔径a为0.5-1.5mm，第二孔孔径b为1.7-2.7mm，参考孔孔径c为2.0-3.0mm；其中，a<b<c。
本发明优点：
相比传统的一步套取直径10mm的圆柱体的测量方法，本发明采用分步套取圆柱体的方法，即先套取较大直径的圆柱体I，再套取最终直径为10mm的圆柱体II，如此可以避免在测量高值残余应力场时，一步套取圆柱体II时参考孔孔边因应力集中而产生的塑性变形，从而获得更加精确的应力测量结果，这对于该应力测量方法的推广使用具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例1中的Q345材料的真应力-应变曲线。
图2为本发明实施例1中的有限元模型。
图3为本发明实施例1中的高值应力场下模拟结果对比。
图4为本发明实施例2中的高值应力场下实验结果对比。
具体实施方式
实施例1：
本发明实施例中，采用的研究对象为Q345合金材料，弹性模量E＝210GPa，屈服强度σy＝345MPa，材料泊松比υ＝0.28，材料遵循Von Mises屈服准则。材料的真应力-应变关系曲线如图1所示。
本发明实施例中，采用有限元方法进行验证，验证模型尺寸为Ф100mm×36mm，四分之一模型如图2所示。网格划分时，对参考孔附近划分细密，其它部位网格划分稀疏，实现网格的疏密过渡。
为了获得厚度方向分布不均匀的高值残余应力场，假设模型被加热到850℃，然后水中淬火冷却，水冷换热系数取3.6W/cm2·K，从而获得表面压缩、内部拉伸的非均匀应力场，最大应力水平可以达到材料的屈服强度。
采用一步套孔和分布套孔的模拟结果如图3所示。从结果可知，应力沿厚度方向是完全对称分布的。当表面和中心部位的应力接近屈服时，一步直接进行直径10mm的套孔获得的应力值相比原始应力较小，可产生21.3％的误差。分步套孔时，先采用直径为40mm的初始套孔，再进行直径10mm的最终套孔，应力测量误差可降低至4.8％。
实施例2：
本发明实施例2中实测工件尺寸为100mm×100mm×32mm，材料为Q235低碳钢，理论屈服强度不小于235MPa。为了获得厚度方向分布不均匀的高值残余应力场，工件被加热到850℃，然后水中淬火冷却。工件有2块，一块采用本发明提出的分步法套孔，一块采用一步直接套孔。
一种改善深孔法测量三维残余应力精度方法，具体步骤如下：
步骤1：在工件的中心部位，使用电火花穿孔机打出直径为1.0mm的第一孔；
步骤2：将电火花线切割用钼丝穿过所述第一孔，切出与第一孔共轴的直径为2.8mm的第二孔；
步骤3：利用铰刀在第二孔中铰出直径为3.0mm的参考孔；
步骤4：对于参考孔的不同深度，测量不同深度上2个角度方向的孔径；
步骤5：在距离参考孔中心20mm处，使用电火花穿孔机，打出直径为1.0的与参考孔轴线平行的第三孔；
步骤6：将电火花线切割用钼丝穿过所述第三孔，环向切出与参考孔共轴的直径为40mm的圆柱体I；
步骤7：在所述圆柱体I中切出共轴的、直径为10mm的圆柱体II；
步骤8：重复步骤4；测量所述参考孔在与步骤4中相同深度和角度方向上的孔径；
步骤9：计算步骤8对步骤4中每一个深度上每个角度方向的孔径改变量，代入相应公式计算参考孔位置的材料在不同深度不同角度方向的残余应力。
本实施例中的分步套孔和传统一步直接套孔测量结果对比如图4所示，由于试样中的残余应力沿厚度方向的分布完全对称，图中给出了应力沿板厚一半深度的分布规律，可以发现，与实施例1的结果相似，分步套孔获得的残余应力相比于一步套孔数值更高，更接近原始应力水平。
上述两个实施例均证明分步法套孔可以很好地提高应力测量精度。从弹塑性力学角度分析，在高应力场中，采用一步套孔工艺，孔边会因应力集中而产生较大的塑性变形，导致应变释放的非弹性特征。采用本发明的分步套孔方法，由于第一次套孔可以释放部分残余应力，第二次套孔时由于存在的残余应力较低，因而在孔边就不会产生明显的塑性变形，应变释放过程基本呈弹性状态，基于弹性理论的应力计算公式的精度就可以得到保证。
Claims (1)
1.一种改善深孔法测量三维残余应力精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对工件的待测量部位，使用电火花穿孔机打出直径为a的第一孔；
步骤2：将电火花线切割用钼丝穿过所述第一孔，切出与第一孔共轴的直径为b的第二孔；
步骤3：利用铰刀在第二孔中铰出直径为c的参考孔；
步骤4：对于参考孔的不同深度，测量每个深度上2-3个角度方向的孔径；
步骤5：在距离参考孔中心15-25mm处，使用电火花穿孔机，打出直径为a的与参考孔轴线平行的第三孔；
步骤6：将电火花线切割用钼丝穿过所述第三孔，环向切出与参考孔共轴的直径为30-40mm的圆柱体I；
步骤7：在所述圆柱体I中切出共轴的、直径为10mm的圆柱体II；
步骤8：重复步骤4；测量所述参考孔在与步骤4中相同深度和角度方向上的孔径；
步骤9：计算步骤8对步骤4中每一个深度上每个角度方向的孔径改变量，代入相应公式即可计算出参考孔位置的材料在不同深度不同角度方向的残余应力；上述步骤中，第一、第三孔孔径a为0.5-1.5mm，第二孔孔径b为1.7-2.7mm，参考孔孔径c为2.0-3.0mm；其中，a<b<c。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010036537.9A CN111103082B (zh) | 2020-01-14 | 2020-01-14 | 一种改善深孔法测量三维残余应力精度方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010036537.9A CN111103082B (zh) | 2020-01-14 | 2020-01-14 | 一种改善深孔法测量三维残余应力精度方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111103082A CN111103082A (zh) | 2020-05-05 |
| CN111103082B true CN111103082B (zh) | 2021-04-23 |
Family
ID=70426388
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010036537.9A Active CN111103082B (zh) | 2020-01-14 | 2020-01-14 | 一种改善深孔法测量三维残余应力精度方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111103082B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112268794B (zh) * | 2020-09-29 | 2021-08-31 | 中国科学院金属研究所 | 一种确定金属材料抗穿甲最佳微观组织状态的方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103076115A (zh) * | 2011-10-07 | 2013-05-01 | 空中客车运营有限公司 | 测量部件中的残余应力的方法和装置 |
| CN105784216A (zh) * | 2016-03-07 | 2016-07-20 | 杭州华新检测技术股份有限公司 | 钢结构残余应力检测方法 |
| CN107036744A (zh) * | 2016-12-30 | 2017-08-11 | 西北工业大学 | 一种残余应力盲孔测试法 |
| CN208621212U (zh) * | 2018-06-29 | 2019-03-19 | 郑州国电机械设计研究所有限公司 | 一种钻孔垂直度测量辅助装置 |
| CN109738101A (zh) * | 2019-01-10 | 2019-05-10 | 中国石油大学(华东) | 一种基于轮廓法测试残余应力的方法及配套装置 |
| JP2019100801A (ja) * | 2017-11-30 | 2019-06-24 | 株式会社山本金属製作所 | 最適孔径測定方法、及び最適孔径測定装置 |
| CN110487459A (zh) * | 2019-07-22 | 2019-11-22 | 江苏科技大学 | 一种测试厚板多个方向内部应力的方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103822874B (zh) * | 2014-02-24 | 2016-02-24 | 山东大学 | 一种基于裂纹柔度的板材内部残余应力检测方法 |
| CN106370334B (zh) * | 2016-09-30 | 2019-02-05 | 西安交通大学 | 一种基于阶梯孔法的内部残余应力测量方法 |
| CN209681780U (zh) * | 2018-08-27 | 2019-11-26 | 四川大学 | 一种盲孔法应力检测设备用打孔辅助装置 |
-
2020
- 2020-01-14 CN CN202010036537.9A patent/CN111103082B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103076115A (zh) * | 2011-10-07 | 2013-05-01 | 空中客车运营有限公司 | 测量部件中的残余应力的方法和装置 |
| CN105784216A (zh) * | 2016-03-07 | 2016-07-20 | 杭州华新检测技术股份有限公司 | 钢结构残余应力检测方法 |
| CN107036744A (zh) * | 2016-12-30 | 2017-08-11 | 西北工业大学 | 一种残余应力盲孔测试法 |
| JP2019100801A (ja) * | 2017-11-30 | 2019-06-24 | 株式会社山本金属製作所 | 最適孔径測定方法、及び最適孔径測定装置 |
| CN208621212U (zh) * | 2018-06-29 | 2019-03-19 | 郑州国电机械设计研究所有限公司 | 一种钻孔垂直度测量辅助装置 |
| CN109738101A (zh) * | 2019-01-10 | 2019-05-10 | 中国石油大学(华东) | 一种基于轮廓法测试残余应力的方法及配套装置 |
| CN110487459A (zh) * | 2019-07-22 | 2019-11-22 | 江苏科技大学 | 一种测试厚板多个方向内部应力的方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| RESIDUAL STRESS MEASUREMENTS USING THE CONTOUR, DEEP-HOLE DRILLING AND NEUTRON DIFFRACTION METHODS IN T-SECTION SPECIMENS;Serasli, K;《PROCEEDINGS OF THE ASME PRESSURE VESSELS AND PIPING CONFERENCE》;20171231 * |
| Through thickness measurement of residual stresses in a stainless steel cylinder containing shallow and deep weld repairs;D.George;《RESIDUAL STRESS MEASUREMENTS USING THE CONTOUR, DEEP-HOLE DRILLING AND NEUTRON DIFFRACTION METHODS IN T-SECTION SPECIMENS》;20050430;279-287 * |
| 深孔法残余应力测量技术研究;张炯;《热加工工艺》;20150131;109-114 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111103082A (zh) | 2020-05-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sonawane et al. | Optimization of machining parameters of WEDM for Nimonic-75 alloy using principal component analysis integrated with Taguchi method | |
| Muthukumar et al. | Mathematical modeling for radial overcut on electrical discharge machining of Incoloy 800 by response surface methodology | |
| Kasman et al. | Determination of process parameters in the laser micromilling application using Taguchi method: A case study for AISI H13 tool steel | |
| CN111103082B (zh) | 一种改善深孔法测量三维残余应力精度方法 | |
| Yanda et al. | Optimization of material removal rate, surface roughness and tool life on conventional dry turning of FCD700. | |
| Straka et al. | Influence of the main technological parameters and material properties of the workpiece on the geometrical accuracy of the machined surface at wedm | |
| Kolahan et al. | The use of Taguchi method with grey relational analysis to optimize the EDM process parameters with multiple quality characteristics | |
| Salvi et al. | Analysis of surface roughness in hard turning by using Taguchi method | |
| Wang et al. | A comparative study on the surface integrity of single-step and multi-step sequential machining in electric discharge machining | |
| Tahir et al. | Effect of process parameters on cutting speed of wire EDM process in machining HSLA steel with cryogenic treated brass wire | |
| Gao et al. | Experimental research on micro-milling force of a single-crystal nickel-based superalloy | |
| Ma et al. | Forming property and broaching error prediction of a forged nickel-based superalloy turbine disc | |
| CN111141438B (zh) | 一种深孔法三维残余应力测量方法 | |
| Nayak et al. | Optimization of CNC turning parameters for Al-6061 using response surface methodology | |
| Lu et al. | Analytical model of work hardening and simulation of the distribution of hardening in micro-milled nickel-based superalloy | |
| Rafaqat et al. | Electric discharge machining of non-circular through-holes: material removal and tool wear analysis | |
| Noorani et al. | Improving surface roughness of CNC milling machined aluminum samples due to process parameter variation | |
| Felhő et al. | Investigation of theoretical and real surface roughness in face milling of 42CrMo4 steel | |
| Shah | Application of Full Factorial Analysis Design For Determining Surface Roughness Model In End Milling of Hardened Steel Material Using Solid Carbide Niti Co 30 Standard End Mill | |
| Gurjar et al. | Optimization of MRR and TWR on EDM by using Taguchi’s Method and ANOVA Die Steel H13 | |
| Singh et al. | Experimental study of taguchi vs GRA parameters during CNC boring in steel plate (SS-304) | |
| Subhash et al. | Investigations on machinability and machining stability of turning super duplex stainless steel | |
| Daud et al. | Prediction of chatter in CNC machining based on dynamic cutting force for ball end milling | |
| MOURALOVA et al. | QUALITY OF DIMENSIONS ACCURANCY OF COMPONENTS AFTER WEDM DEPENDING ON THE HEAT TREATMENT. | |
| Reddy et al. | Evaluation of surface roughness and tool wear in high speed machining of Inconel 718 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |