CN115042012B - 一种加工过程中钻孔表面三向应力的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加工过程中钻孔表面三向应力的测量方法，尤其涉及一种对钻削加工表面的轴向、径向和周向的应力测量方法，属于加工工件的应力测量领域。本发明方法为：第一步：将应变片按用途分为轴向、径向和周向三类，接入同一个应变测试仪上，使三向应力同步测量；第二步：将轴向应变片、径向应变片和周向应变片分别固定在待测工件上，使其与待测应力分量保持一致。同时，三类应变片具有一定的高度差，该高度差与进给量有关；第三步：各应变片对加工过程中的应变实时测量，然后提取应变片数据，换算成应力数据，最后根据刀具的切削参数和各应变片之间的高度差将三类应变片在不同时间点的测量数据进行空间‑时间坐标转换，得到同一点的三向应力时变数据。

Description

一种加工过程中钻孔表面三向应力的测量方法

技术领域

本发明涉及一种加工过程中钻孔表面三向应力的测量方法，尤其涉及一种对钻削加工表面的轴向、径向和周向的应力测量方法，属于加工工件的应力测量领域。

背景技术

由于钻削加工过程中工件与刀具的封闭接触，使得无法采用应变片实时测量加工表面应力。因此，常用的测量方法是在加工完成后将应变片安置于孔壁上进行测量，但这种方法有三个缺陷：其一，对于同一个测量点，只能测量某一个方向上的应力，无法实现对三向应力的同步测量；其二，加工完的孔壁上有大量毛刺，应变片贴合其上会出现凹凸不平，无法确定微应变方向就是待测应力分量方向，测量准确性无法保证；其三，测量结果是加工完成后的应力，而加工过程中应力的实时变化情况是未知的，无法根据测量值的异常及时发现加工工艺中的问题，这就导致了工件的废品率高，增加了加工成本。

目前，针对钻孔应力测量领域，尚未出现对加工表面上某一点的三向应力实时测量方法。然而加工应力对工件的加工成型至关重要，尤其是在细钻加工领域，对应力变化规律的探究有利于钻孔的过程参数建模，控制和改善工件的加工精度，提高加工效率。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术无法在加工过程中实时监测表面应力的问题，提供一种钻孔表面三向应力的测量方法；该方法结合了边界法和盲孔法，使微应变方向与所测应力分量方向保持一致，准确测量加工过程中三个不同点的轴向、径向和周向的应力，通过对三点的空间-时间坐标的转换，将三向应力集成到同一个点上，实现对加工表面三向应力的实时测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种钻孔表面三向应力的测量方法，包括如下步骤：

步骤一、准备n个多通道应变测试仪和3n个应变片，分别标记为1～n和1～3n。将编号为kn+m(0≤k≤2,1≤m≤n)的应变片接入到编号为m的应变测试仪上，使每个应变仪上都接入三个应变片，能够同步测量待测工件的微应变。

步骤二、将编号为1～n的应变片纵向固定在待测工件前侧，用于测量轴向应变，命名为轴向应变片；将编号为2n+1～3n的应变片横向固定在待测工件右侧，用于测量周向应变，命名为周向应变片；将编号为n+1～2n的应变片水平固定在待测工件前侧，与轴向应变片的中心位置平行，与待测工件右侧面的横向距离为D+0.2(D为刀具直径，单位为mm)，用于测量径向应变，命名为径向应变片。轴向应变片、周向应变片、径向应变片统称为三类应变片。三类应变片固定完成后，其纵向高度分别为：轴向应变片的纵向高度比径向应变片高(k₁+0.25)f，径向应变片的纵向高度比周向应变片高(k₂+0.5)f(k₁、k₂为整数；f为刀具进给，单位为mm/rev)。

步骤三、钻削应力实时测量

3.1刀具对工件进行钻削，钻削中心位置与两个侧面(前侧面和右侧面)的垂直距离为0.5D+0.1，即孔壁与三类应变片的距离均为0.1mm，那么三类应变片的测量值就近似于钻孔表面的微应变。钻削开始前开启应变测试仪，对待测工件的微应变进行采集，待钻削完工后停止数据采集，实现了对钻削全过程的测量。由于编号为m、n+m和2n+m的应变片连接在同一个应变测试仪上，故它们的总采集时间是相同的。编号为m的应变片的总采集时间为t_m，采集次数为t_m/T(T为采样间隔)，获取所有应变片的应变采集数据，记为：

式中ε_m(i)、ε_n+m(i)和ε_2n+m(i)分别为编号为m、n+m和2n+m的应变片测量的第i个应变数据。

3.2根据应变测试仪的传感器接入方式确定应变-应力换算关系(σ＝E·ε,E为弹性模量)，得到所有应变片的应力数据，记为：

式中σ_m(i)、σ_n+m(i)和σ_2n+m(i)分别为ε_m(i)、ε_n+m(i)和ε_2n+m(i)换算的应力值。

3.3由于每个测量点只能贴一个应变片，故编号为m、n+m和2n+m的应变片测量的第i个应变数据并不是同一个点的应变值，需要根据空间-时间坐标进行转换。

从步骤二可知，轴向应变片的纵向高度比径向应变片高(k₁+0.25)f，径向应变片的纵向高度比周向应变片高(k₂+0.5)f。在时间t时刀刃与编号为m的轴向应变片的相对距离为d，经过时间(k₁+0.25)/r(r为刀具转速，单位为rev/s)后，刀刃逆时针转动k₁+0.25转，进给(k₁+0.25)f，此时刀刃与编号为n+m的径向应变片的相对距离仍为d；再经过时间(k₂+0.5)/r后，刀刃继续逆时针转动k₂+0.5转，进给(k₂+0.5)f，此时刀刃与编号为2n+m的周向应变片的相对距离还是d。所以刀刃在时间t时与编号为m的轴向应变片的相对距离、在时间t+(k₁+0.25)/r时与编号为n+m的径向应变片的相对距离、在时间t+(k₁+k₂+0.75)/r时与编号为2n+m的周向应变片的相对距离都是一致的。由于切削参数和刀具参数保持不变，刀刃对各测量点的切削力也是一致的。

因此，编号为m的轴向应变片在时间t的测量值、编号为n+m的径向应变片在时间t+(k₁+0.25)/r的测量值和编号为2n+m的周向应变片在时间t+(k₁+k₂+0.75)/r的测量值能够转换成同一点的轴向应变、径向应变和周向应变应变，进而换算成该点的轴向应力σ_zm、径向应力σ_rm和周向应力σ_θm，分别记为：

实现上述方法的装置，包括：机床主轴，刀柄，刀具，待测工件，1号卡扣，2号卡扣，待测工件凹槽，工装夹具，工作台，应变测试仪，数据采集器，数据终端，1号卡扣凹槽，2号卡扣凹槽，应变片，应变片与应变测试仪的连接导线和待加工钻孔。

连接关系：为固定轴向应变片和周向应变片，设计了两种卡扣(图2)。轴向应变片安装在1号卡扣的凹槽内，呈纵向排列；周向应变片安装在2号卡扣的凹槽内，成横向排列。为固定径向应变片，在待测工件的前侧面上设计了一种长方体的凹槽(图3)，凹槽深度为0.5D+0.5d_s+0.1(d_s为应变片宽度，单位为mm)。将1号卡扣安装在待测工件的前侧面，使得轴向应变片均纵向贴在工件上；将2号卡扣安装在工件右侧面，使得周向应变片均横向贴在工件上；将径向应变片放置在待测工件凹槽里，使其水平贴在工件内部。将三类应变片全部固定在待测工件上之后，用工装夹具将待测工件固定在工作台上。所有应变片均通过导线与应变测试仪相连，应变测试仪再与数据采集器相连，经数据采集器将数据传输到数据终端。所有装置的连接如图1所示。

有益效果

1.本发明将多个应变片分轴向应变片、径向应变片和周向应变片三类，固定在待测工件上，使轴向应变片纵向贴在工件前侧面，周向应变片横向贴在工件右侧面，径向应变片水平贴在工件凹槽内，保证了应变片的贴合区域平整性，使其与待测应力分量保持一致，提高测量准确性。

2.本发明能根据刀具的切削参数和应变片的位置关系进行空间-时间坐标转换，找出刀具与三类应变片的相对距离一致的时间点，将这些时间点的测量数据融合成同一测量点的三向应力数据，解决了一个测量点只能测量一个应力分量的问题。

3.本发明可实现对加工表面应力的实时监测，及时发现测量数据的异常，并对加工工艺进行调整和优化，避免了因工艺偏差而造成工件损失，降低了工件的废品率。

附图说明

图1为本发明实例中钻孔应力测量系统总图；

图2为本发明实例中卡扣与应变片示意图；图(a)为1号卡扣，图(b)为2号卡扣，图(c)为应变片；

图3为本发明实例中待测工件凹槽-钻孔示意图；图(a)为工件三维图，图(b)为工件前视图及剖面图；图(c)为工件俯视图及剖面图；

图4为本发明实例中待测工件-卡扣装配图；图(a)为装配整体图；图(b)为待装配图；

图5为本发明实例中1号应变测试仪测量的三向应力时变图；图(a)为整体时变图；图(b)为局部时变图；

图6为本发明实例中A点的三向应力时变图；图(a)为整体时变图；图(b)为局部时变图；

图中：1-机床主轴，2-刀柄，3-刀具，4-待测工件，5-1号卡扣，6-2号卡扣，7-待测工件凹槽，8-工装夹具，9-工作台，10-应变测试仪，11-数据采集器，12-数据终端，13-1号卡扣凹槽，14-2号卡扣凹槽，15-应变片，16-应变片与应变仪的连接导线，17-待加工钻孔。

具体实施方式

为了更好的解释本发明的解决问题，下面结合附图和实例对本发明作进一步描述。

本实例中使用的钻刀为直柄双刃通用钻头，机床主轴转速r＝50rev/s，进给量为f＝0.05mm/rev。

如图1所示，本发明的钻孔应力测量系统包括：立式机床主轴1，刀柄2，2mm的钻头3，8mm厚的工件4，1号卡扣5，2号卡扣6，工件凹槽7，工装夹具8，工作台9，应变测试仪10，数据采集器11，数据终端12。

步骤一：准备3个多通道应变测试仪和9个应变片，分别标记为1～3和1～9。将1号、4号和7号应变片接入到1号应变测试仪上；将2号、5号和8号应变片接入到2号应变测试仪上；将3号、6号和9号应变片接入到3号应变测试仪上。

步骤二：将1号、2号和3号应变片命名为轴向应变片，从上到下依次放置在1号卡扣凹槽内，呈纵向排列，再将1号卡扣安装在待测工件前侧，使应变片贴在工件前侧面上，用于测量轴向应变；将7号、8号和9号应变片命名为周向应变片，从上到下依次放置在2号卡扣凹槽内，呈横向排列，再将2号卡扣安装在待测工件右侧，使应变片贴在工件右侧面上，用于测量周向应变。卡扣与待测工件的装配如图4所示。将4号、5号和6号应变片命名为径向应变片，从上到下依次放置在待测工件凹槽内，呈水平排列，分别与1号、2号和3号应变片的中心位置平行，与待测工件右侧面的横向距离均为D+0.2＝2.2mm(D＝2mm)，用于测量径向应变。

卡扣与应变片如图2所示，所有应变片的尺寸都是1×0.5×0.2mm，通过导线与应变仪相连，卡扣凹槽的深度等于应变片厚度。待测工件如图3所示，工件前侧的凹槽深度为0.5D+0.5d_s+0.1＝1.35mm(d_s＝0.5mm)。

将轴向应变片、周向应变片、径向应变片统称为三类应变片。三类应变片固定完成后，其纵向高度分别为：1号应变片的纵向高度比4号高5.25f＝0.2625mm(k₁＝5)，比7号高15.75f＝0.7875mm(k₂＝10)；2号应变片的纵向高度比5号高5.25f＝0.2625mm，比8号高15.75f＝0.7875mm；3号应变片的纵向高度比6号高5.25f＝0.2625mm，比9号高15.75f＝0.7875mm。

步骤三：连接好图1中的所有设备，开始钻削加工，钻削中心位置即为图4(b)的待加工钻孔的孔心)。该中心位置与两个侧面(前侧面与右侧面)的垂直距离为0.5D+0.1＝1.1mm，即孔壁与1～9号应变片的距离均为0.1mm，那么三类应变片的测量值就近似于钻孔表面的微应变。钻削开始前开启3个应变测试仪，对待测工件的微应变进行采集，待钻削完工后停止数据采集，实现了对钻削全过程的测量。1号、4号和7号应变片接入到1号应变测试仪上，故它们的采集时间相同，记为t₁＝5s；2号、5号和8号应变片接入到2号应变测试仪上，故它们的采集时间相同，记为t₂＝6s；3号、6号和9号应变片接入到3号应变测试仪上，故它们的采集时间相同，记为t₃＝7s。应变测试仪的采样间隔T＝0.0005s，则3个应变测试仪的采集次数为t₁/T＝10000、t₂/T＝12000和t₃/T＝14000。提取应变测试仪采集的所有应变数据，记为：

式中ε₁(i)～ε₉(i)分别为1～9号应变片测量的第i个应变数据。

步骤四：根据应变测试仪的传感器接入方式确定应变-应力换算关系(σ＝E·ε)，得到所有应变片的应力数据，记为：

式中σ₁(i)～σ₉(i)分别为ε₁(i)～ε₉(i)换算的应力值。其中接入1号应变测试仪的1号、4号和7号应变片测量的三向时变应力σ₁(i)、σ₄(i)和σ₇(i)如图5所示。从图中可知，三条曲线中应力变化的起始点(竖虚线位置)明显不同，这是因为1号、4号和7号应变片的测量位置不同，需要将它们转换到同一个测量点上，将该测量点命名为A点。

步骤五：从步骤二可知，1号应变片的纵向高度比4号高5.25f＝0.2625mm，比7号高15.75f＝0.7875mm。在时间t时刀刃与1号应变片的相对距离为d，经过时间5.25/r＝0.105s后，刀刃逆时针转动5.25转，进给0.2625mm，此时刀刃与4号应变片的相对距离仍为d；再经过时间10.5/r＝0.21s后，刀刃继续逆时针转动10.5转，进给0.525mm，此时刀刃与7号应变片的相对距离还是d。所以刀刃在时间t时与1号应变片的相对距离、在时间t+0.105时与4号应变片的相对距离、在时间t+0.315时与7号应变片的相对距离都是一致的。由于切削参数和刀具参数保持不变，刀刃对各测量点的切削力也是一致的。

因此，1号应变片在时间t的测量值、4号应变片在时间t+0.105的测量值和7号应变片在时间t+0.315的测量值可以转换成A点的轴向应变、径向和周向应变，进而换算成该点的轴向应力σ_z1、径向应力σ_r1和周向应力σ_θ1，分别记为：

图6表示A点的三向应力时变图。从图中可知，该点的轴向、周向和径向的变化起点基本一致，说明了该空间-时间坐标转换方式的正确性。

以上实例仅表明本发明的一种实施方式，所述的刀具仅为φ2mm的小钻头。对于钻孔较大的普通钻刀依然适用，且钻削直径越大，工件越厚，能布置的应变片数量越多，更有利于测量取值。对于加工过程中的应力实时监测也是本发明的研究工作。在本发明构思的框架下，做出的改进措施，都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种加工过程中钻孔表面三向应力的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、准备n个多通道应变测试仪和3n个应变片，分别标记为1～n和1～3n；将编号为kn+m的应变片接入到编号为m的应变测试仪上，0≤k≤2,1≤m≤n，使每个应变仪上都接入三个应变片，能够同步测量待测工件的微应变；

步骤二、将编号为1～n的应变片纵向固定在待测工件前侧，用于测量轴向应变，命名为轴向应变片；将编号为2n+1～3n的应变片横向固定在待测工件右侧，用于测量周向应变，命名为周向应变片；将编号为n+1～2n的应变片水平固定在待测工件凹槽内，与轴向应变片的中心位置平行，与待测工件右侧面的横向距离为D+0.2，D为刀具直径，单位为mm，用于测量径向应变，命名为径向应变片；轴向应变片、周向应变片、径向应变片统称为三类应变片；三类应变片固定完成后，其纵向高度分别为：轴向应变片的纵向高度比径向应变片高(k₁+0.25)f，径向应变片的纵向高度比周向应变片高(k₂+0.5)f，k₁、k₂为整数；f为刀具进给，单位为mm/rev；

步骤三、钻削应力实时测量

3.1刀具对工件进行钻削，钻削中心位置与两个侧面即前侧面和右侧面的垂直距离为0.5D+0.1，即孔壁与三类应变片的距离均为0.1mm，那么三类应变片的测量值就近似于钻孔表面的微应变；钻削开始前开启应变测试仪，对待测工件的微应变进行采集，待钻削完工后停止数据采集，实现了对钻削全过程的测量；由于编号为m、n+m和2n+m的应变片连接在同一个应变测试仪上，故它们的总采集时间是相同的；编号为m的应变片的总采集时间为t_m，采集次数为t_m/T，T为采样间隔，获取所有应变片的应变采集数据，记为：

式中ε_m(i)、ε_n+m(i)和ε_2n+m(i)分别为编号为m、n+m和2n+m的应变片测量的第i个应变数据；

3.2根据应变测试仪的传感器接入方式确定应变-应力换算关系，σ＝E·ε,E为弹性模量，得到所有应变片的应力数据，记为：

式中σ_m(i)、σ_n+m(i)和σ_2n+m(i)分别为ε_m(i)、ε_n+m(i)和ε_2n+m(i)换算的应力值；

3.3由于每个测量点只能贴一个应变片，故编号为m、n+m和2n+m的应变片测量的第i个应变数据并不是同一个点的应变值，需要根据空间-时间坐标进行转换；

从步骤二可知，轴向应变片的纵向高度比径向应变片高(k₁+0.25)f，径向应变片的纵向高度比周向应变片高(k₂+0.5)f；在时间t时刀刃与编号为m的轴向应变片的相对距离为d，经过时间(k₁+0.25)/r，r为刀具转速，单位为rev/s后，刀刃逆时针转动k₁+0.25转，进给(k₁+0.25)f，此时刀刃与编号为n+m的径向应变片的相对距离仍为d；再经过时间(k₂+0.5)/r后，刀刃继续逆时针转动k₂+0.5转，进给(k₂+0.5)f，此时刀刃与编号为2n+m的周向应变片的相对距离还是d；所以刀刃在时间t时与编号为m的轴向应变片的相对距离、在时间t+(k₁+0.25)/r时与编号为n+m的径向应变片的相对距离、在时间t+(k₁+k₂+0.75)/r时与编号为2n+m的周向应变片的相对距离都是一致的；由于切削参数和刀具参数保持不变，刀刃对各测量点的切削力也是一致的；

因此，编号为m的轴向应变片在时间t的测量值、编号为n+m的径向应变片在时间t+(k₁+0.25)/r的测量值和编号为2n+m的周向应变片在时间t+(k₁+k₂+0.75)/r的测量值能够转换成同一点的轴向应变、径向应变和周向应变，进而换算成该点的轴向应力σ_zm、径向应力σ_rm和周向应力σ_θm，分别记为：

。

2.实现如权利要求1所述方法的装置，其特征在于：包括：机床主轴，刀柄，刀具，待测工件，1号卡扣，2号卡扣，待测工件凹槽，工装夹具，工作台，应变测试仪，数据采集器，数据终端，1号卡扣凹槽，2号卡扣凹槽，应变片，应变片与应变测试仪的连接导线和待加工钻孔；

为固定轴向应变片和周向应变片，设计了两种卡扣，分别的1号卡扣和2号卡扣；轴向应变片安装在1号卡扣的凹槽内，呈纵向排列；周向应变片安装在2号卡扣的凹槽内，成横向排列；为固定径向应变片，在待测工件的前侧面上布置长方体凹槽，长方体凹槽深度为0.5D+0.5d_s+0.1，d_s为应变片宽度，单位为mm；将1号卡扣安装在待测工件的前侧面，使得轴向应变片均纵向贴在工件上；将2号卡扣安装在工件右侧面，使得周向应变片均横向贴在工件上；将径向应变片放置在待测工件凹槽里，使其水平贴在工件内部；将三类应变片全部固定在待测工件上之后，用工装夹具将待测工件固定在工作台上；所有应变片均通过导线与应变测试仪相连，应变测试仪再与数据采集器相连，经数据采集器将数据传输到数据终端。