CN111141438A - 一种深孔法三维残余应力测量方法 - Google Patents

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    • 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

Abstract

一种深孔法三维残余应力测量方法，属于金属材料加工领域；具体为，先用电火花穿孔机打一个小孔，将钼丝穿过该小孔，再采用电火花加工技术实现沿给定直径的路线完成环向制孔的过程，进而完成残余应力的计算。本发明的沿环向制孔测量残余应力方法，所需设备简单，成本低廉，同时加工过程产生的附加应力和变形极其微小，加工过程中应力释放产生的变形也与轴向制孔存在明显不同。实现在较低的设备投入情况下，获得更加精确的测量结果，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

一种深孔法三维残余应力测量方法
技术领域
本发明属于金属材料加工领域，具体涉及一种深孔法三维残余应力测量方法。
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如图1所示：1)在待测部位的上下表面粘贴衬板，采用枪钻工具沿厚度方向(轴向)钻直径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的2-3个角度方向的初始直径；3)采用套孔工具沿轴向套取与参考孔同圆心的直径Ф10mm的圆柱体；4)测量与步骤2中对应深度和角度的参考孔的直径；5)将套孔前后参考孔径的改变量代入相关公式求解，得到各方向应力沿深度方向的分布规律。
综上可知，为了加工参考孔并将包含参考孔的圆柱体取出，需要使用枪钻工具和套孔设备这两种精度较高且价格十分昂贵的机械装置。另外，为了避免表面机加工过程产生的塑性变形，还需要在钢板上下表面粘贴衬板，也给实验过程造成较大麻烦。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种深孔法三维残余应力测量方法，具体为，利用电火花穿孔机打孔，将钼丝穿过小孔，再采用电火花加工技术+铰刀铰孔技术实现沿给定直径的路线完成环向制孔的过程，进而完成残余应力的计算。
本发明一种深孔法三维残余应力测量方法，具体步骤如下：
步骤1：在工件待测量部位，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：距离参考孔中心6-10mm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10mm的圆柱体；
步骤7：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8：计算步骤7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。
上述的一种深孔法三维残余应力测量方法，其中：
所述步骤1-6中，第一孔孔径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：
相比传统的轴向制孔(包括钻孔和套孔)残余应力测量方法，本发明的环向制孔测量残余应力方法，所需设备简单，成本低廉(不到传统设备的1/10)，同时由加工工艺产生的附加应力和变形极其微小，加工过程中应力释放产生的变形也与轴向制孔存在明显不同。此外，还可以取消为防止上下表面材料因钻孔塑性变形而附加的粘贴衬板的步骤，简化实验测量过程。实现在较低的设备投入情况下，获得更加精确的测量结果，这对于该应力测量方法的进一步推广使用具有重要意义。
附图说明
图1为传统深孔法测量工件内部残余应力基本操作步骤。
图2为本发明实施例1中的环向制孔法测量粉末高温合金高压涡轮圆盘中的结果。
图3为本发明实施例2中的Q345材料的真应力-应变曲线。
图4为本发明实施例2中的有限元模型。
图5为本发明实施例2中的不同制孔方法在单向均匀应力场下的模拟结果对比。
具体实施方式
实施例1
本发明实施例1中实测工件尺寸为Ф600mm×72mm，材料为粉末冶金制造的高温合金高压涡轮圆盘。
一种深孔法三维残余应力测量方法，具体步骤如下：
步骤1：在工件待测量部位，使用电火花穿孔机打出直径为1mm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2.7mm的第二孔；
步骤3：利用铰刀在第二孔中铰出直径为3mm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个角度方向的孔径；
步骤5：距离参考孔中心6mm处，使用电火花穿孔机，打出直径为1mm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10mm的圆柱体；
步骤7：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8：计算步骤7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。
本发明实施例1中粉末冶金制造的高温合金高压涡轮圆盘的应力测量结果如图2所示。由结果可知，采用环向制孔方法可以很好地再现高温合金高压涡轮圆盘中粉末加工工艺形成的残余应力规律。
实施例2
本发明实施例2中，为比较轴向和环向两种制孔工艺的不同，采用有限元方法进行验证，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3所示。
验证模型尺寸为Ф100mm×50mm，四分之一模型如图4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。
分别采用传统的轴向制孔和本发明方法中的环向制孔方法完成参考孔和圆柱体的制取工艺，通过模拟获得的参考孔直径的改变量，计算得到位于中间深度的应力对比结果，其中，模型受单向拉伸应力场作用，外加应力由0.1σy变化至0.9σy，具体结果如图5所示。
从本发明实施例2结果可知，外加应力小于0.5σy时，轴向制孔应力计算值与外加应力基本一致，应力达到0.6σy后，误差达到8.2％，并在外加应力大于0.7σy后应力计算值开始下降。
采用本发明的环向制孔方法，外加应力为0.6σy时，应力计算结果误差仅为4.8％。当外加应力大于0.8σy后应力计算值才开始下降。显然在应力较高情况下，采用本发明方法中的环向制孔方法结果更精确。
上述两个实施例都证明了采用环向套孔实现深孔法测量残余应力的可行性和优越性，同时，从弹塑性力学角度分析，由于环向套孔形成整个圆环是个渐进过程，在这个过程中原始应力有一定释放，在高应力场情况下，由孔边应力集中产生的塑性变形相对轴向套孔较小(因轴向套孔是一次性形成一个圆环的过程)，所以本发明方法与传统轴向套孔方法相比，不仅在低应力场中具有与传统方法一致的精度，在高应力场中还可以获得更高的精度。

Claims (2)

1.一种深孔法三维残余应力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在工件待测量部位，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：距离参考孔中心6-10mm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10mm的圆柱体；
步骤7：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8：计算步骤7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。
2.如权利要求1所述的深孔法三维残余应力测量方法，其特征在于，所述步骤1-6中，第一孔孔径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。
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