CN115290241B - 薄板内部残余应力的测试方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及薄板内部残余应力测试技术领域,具体而言,涉及一种薄板内部残余应力的测试方法。
背景技术
高性能薄板板材广泛应用于航空航天、电气电子、芯片封装等领域,如飞机蒙皮、芯片引线框架加工,变压器等。薄板板材在加工制备飞机蒙皮、芯片引线框架过程中,表面去除面积可占总面积的80%,去除厚度可占总厚度60%以上。板材薄导致材料的弯曲刚度低,薄板板材在去除加工过程中,即使较低的残余应力也会产生较大变形。定量表征薄板残余应力在厚度上的分布是薄板在板材去除过程中的控制变形的前提。
现有技术中通常采用单侧腐蚀法实现对薄板内部残余应力评估,该方法需对薄板板材一侧贴膜保护,另一侧采用腐蚀液进行腐蚀,腐蚀深度达到板厚的50%后对比翘曲变形量。该方法只能依据变形程度,定性判断残余应力大小,无法定量表征残余应力在薄板厚度上的分布规律。
由于薄板在固溶淬火等过程中的不均匀冷却,薄板表面与心部残余应力拉压状态不同,因此通过单侧腐蚀法定性获得的变形规律,难以快速指导薄板生产工艺的优化。随着民航客机和高性能芯片封装材料批量供货需求,薄板残余应力定量表征技术急需技术突破。因此,有效控制薄板加工变形的前提,需要一种能够快速定量表征薄板内部残余应力分布的方法。
发明内容
本发明提供了一种薄板内部残余应力的测试方法,以定量表征残余应力在薄板厚度上的分布规律。
为了实现上述目的,本发明提供了一种薄板内部残余应力的测试方法,包括:S1:沿薄板的宽度方向等间隔预设并切割出多个平行于薄板长度方向的翅片,翅片的长度相同且均小于薄板的宽度,翅片具有相对的固定端和活动端,根据每个翅片在切割前后的长度,计算每个翅片所受的沿薄板的长度方向上的x向应变和x向残余应力,根据所有翅片的得到x向残余应力在薄板宽度方向上的应力分布;S2:沿薄板厚度方向对翅片的固定端进行多次切割,记录切割参数以及每个翅片在每次切割后的翘起情况和弯曲参数,计算每个翅片在每次切割后的总切割深度和x向残余应力,根据所有得到第i个翅片所受x向残余应力在薄板厚度方向上的应力分布;S3:取S1计算得到的第i个翅片的和S2对应第i个翅片在第j次切割后的,计算并得到x向残余应力在薄板yz横截面上的分布,。
进一步地,S1包括:S1.1:沿薄板的宽度方向等间隔设置切割标记,所有切割标记的延伸方向相同均平行于薄板的长度方向并延伸至薄板的一端,切割标记的延伸长度小于薄板的宽度,任意两个切割标记之间的区域形成一个翅片,记录在切割前的第i个翅片的初始长度;S1.2:沿薄板厚度方向对切割标记进行贯穿薄板的切割,记录每个翅片沿薄板的长度方向形变后的形变长度。
进一步地,S2包括:在每次对薄板进行切割之前,先对薄板沿长度方向的两端进行约束,以使翅片的延伸方向和薄板的宽度方向平行,每次切割完成后,均解除对翅片的活动端一侧的薄板的约束,以计算并记录第i个翅片在第j次切割后弯曲的弯曲参数。
进一步地,每个翅片在每次切割后的总切割深度和x向残余应力可表示为:;;;为每一次切割的切割深度,t为切割宽度,为第i个翅片在第j次切割后的翅片未被切割部分的惯性矩,E为薄板的杨氏弹性模量,为第i个翅片在第j次切割后扣除切割部分翘曲量后的翘曲量;为第i个翅片在第j次切割后弯曲的弯曲高度,为第i个翅片在第j次切割后的长度余量,S为薄板的厚度;m为第i个翅片在第j次切割后残余应力释放的等效弧长;其中,当t无限趋近于0时,的计算公式可表示为:
进一步地,m可近似表示为:;第i个翅片在第j次切割后形成切槽并弯曲,形成沿薄板的厚度方向间隔的第一弯曲面和第二弯曲面;在薄板xz横截面上,第一弯曲面和第二弯曲面为曲率相同但弧长不同的两个弯曲圆弧,等效弧长m为该截面上的切槽开口两端之间形成的圆弧弧长,等效弧长m的弯曲曲率和两个弯曲圆弧的弯曲曲率相同;为该截面上切槽开口翘起的一端距离翅片翘起后的顶端的高度,为该截面上切槽开口未翘起的一端距离翅片翘起后的顶端的高度。
进一步地,的计算方法为:;为平均弯曲弧长,为第i个翅片在第j次切割后的残余应力在任一单位长度的弯曲弧长上的平均弯矩;其中,第i个翅片在第j次切割后弯曲并形成沿薄板的厚度方向间隔的第一弯曲面和第二弯曲面,在薄板xz横截面上,第一弯曲面和第二弯曲面为曲率相同但弧长不同的两个弯曲圆弧,平均弯曲弧长位于两个弯曲圆弧之间,平均弯曲弧长的弯曲曲率和两个弯曲圆弧的曲率相同,平均弯曲弧长距两侧弯曲圆弧的距离相同。
应用本发明的技术方案,提供了一种薄板内部残余应力的测试方法,包括:S1:沿薄板的宽度方向等间隔预设并切割出多个平行于薄板长度方向的翅片,翅片的长度相同且均小于薄板的宽度,翅片具有相对的固定端和活动端,根据每个翅片在切割前后的长度,计算每个翅片所受的沿薄板的长度方向上的x向应变和x向残余应力,根据所有翅片的得到x向残余应力在薄板宽度方向上的应力分布;S2:沿薄板厚度方向对翅片的固定端进行多次切割,记录切割参数以及每个翅片在每次切割后的翘起情况和弯曲参数,计算每个翅片在每次切割后的总切割深度和x向残余应力,根据所有得到第i个翅片所受x向残余应力在薄板厚度方向上的应力分布;S3:取S1计算得到的第i个翅片的和S2对应第i个翅片在第j次切割后的,计算并得到x向残余应力在薄板yz横截面上的分布,。采用该方案,根据多个x向残余应力在薄板宽度方向(y向)上和厚度方向(z向)上的分布,得到薄板内部残余应力在yz横截面上的分布,避免了现有技术中通过单侧腐蚀法评估薄板内部残余应力的方法仅能定性判断残余应力的大小,而无法定量表征残余应力在薄板厚度上的分布的情况,通过本方案的计算得到薄板内部残余应力的大小和分布,表征准确可靠。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1示出了本发明的实施例提供的薄板内部残余应力的测试方法的流程图;
图2示出了适用于图1方法的薄板的结构示意图;
图3示出了S1.1步骤后的薄板的结构示意图;
图4示出了S1.2步骤后的薄板的结构示意图;
图5示出了S2步骤中的薄板约束示意图;
图6示出了S2步骤中的薄板切割示意图;
图7示出了S2步骤中的薄板弯曲示意图;
图8示出了S2步骤中的薄板xz截面示意图。
其中,上述附图包括以下附图标记:
11、切槽;12、第一弯曲面;13、第二弯曲面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示,本发明的实施例提供了一种薄板内部残余应力的测试方法,包括:S1:沿薄板的宽度方向等间隔预设并切割出多个平行于薄板长度方向的翅片,翅片的长度相同且均小于薄板的宽度,翅片具有相对的固定端和活动端,根据每个翅片在切割前后的长度,计算每个翅片所受的沿薄板的长度方向上的x向应变和x向残余应力,根据所有翅片的得到x向残余应力在薄板宽度方向上的应力分布;S2:沿薄板厚度方向对翅片的固定端进行多次切割,记录切割参数以及每个翅片在每次切割后的翘起情况和弯曲参数,计算每个翅片在每次切割后的总切割深度和x向残余应力,根据所有得到第i个翅片所受x向残余应力在薄板厚度方向上的应力分布;S3:取S1计算得到的第i个翅片的和S2对应第i个翅片在第j次切割后的,计算并得到x向残余应力在薄板yz横截面上的分布,。
在本实施例中,根据多个x向残余应力在薄板宽度方向(y向)上和厚度方向(z向)上的分布,得到薄板内部残余应力在yz横截面上的分布,避免了现有技术中通过单侧腐蚀法评估薄板内部残余应力的方法仅能定性判断残余应力的大小,而无法定量表征残余应力在薄板厚度上的分布的情况,通过本方案的计算得到薄板内部残余应力的大小和分布,表征准确可靠。
如图2至图4、图8所示,S1包括:S1.1:沿薄板的宽度方向间隔设置切割标记,切割标记的延伸方向相同均平行于薄板的长度方向并延伸至薄板的一端,切割标记的延伸长度小于薄板的宽度,任意两个切割标记之间的区域形成一个翅片,记录在切割前的第i个翅片的初始长度;S1.2:沿薄板厚度方向对切割标记进行贯穿薄板的切割,记录每个翅片沿薄板的长度方向形变后的形变长度。
具体地,如图2和图8所示,定义薄板x向薄板长度方向,为残余应力测试方向,y向为薄板宽度方向,z向为薄板厚度方向,薄板初始时处于静止平衡状态,薄板x向残余应力合力在薄板宽度方向(y向)合力为零。在本实施例中,i=1、2、3......、10,S1.1和S1.2的具体操作过程如下:取一个薄板板材,沿薄板的宽度方向(y向)间隔设置11个沿薄板的长度方向(x向)延伸的切割标记,多个切割标记平行且长度相同,每个切割标记的一端均沿薄板的长度方向(x向)延伸至薄板的一端,另一端位于薄板的平面上,任意两个切割标记之间形成一个翅片,共计10个翅片,沿薄板的宽度方向(y 向)依次为翅片1、翅片2、翅片3、翅片4.....、翅片10。记录下切割标记的长度,此切割标记的长度也作为未切割时的10个翅片的初始长度。之后采用线切割的切割方式依次对每个切割标记位置进行贯穿薄板的切割,切割方向平行于薄板的厚度方向(z向),得到10个翅片(翅片1至翅片10,即图中的1、2、3......、i),10个翅片在切割后均为一端固定、另一端可活动的条状结构,线切割获得上述所有翅片后,每个翅片所受的残余应力在薄板厚度方向(z向)上的合力会释放,10个翅片受薄板内部x向残余应力的影响发生形变,记录形变后的每个翅片的长度。其中,小于薄板的长度,翅片的形变包括翅片沿薄板的长度方向的伸长或缩短,为第i个翅片形变后的整体长度,如为翅片1形变后的长度。本实施例中主要采用激光位移传感器实现对每个翅片切割前后长度的测量,具体地,在对切割标记进行切割前,先通过激光位移传感器测量位于薄板端部一侧的翅片的端部的初始位置坐标(即图3中的、、......、位置的坐标),在切割标记切割后,再通过激光位移传感器测量形变后的翅片的活动端(和上述翅片的端部为同一端)的形变位置坐标(即图4中的、、......、位置的坐标),通过和的坐标即可得到每个翅片在薄板长度方向(x向)上的形变长度,并得到每个翅片在薄板长度方向(x向)上形变后的整体长度。
进一步地,S1还包括:S1.3:通过记录的翅片的初始长度和翅片的形变长度计算每个翅片所受沿薄板的长度方向上的x向应变和x向残余应力,,,其中,E为薄板的弹性模量。如图8所示,在本实施例中,根据得到的每个翅片形变后的以及切割前的所有翅片的初始长度计算每个翅片的x向应变,。以翅片1为例,,其余翅片的同理,根据得到的、、......、得到残余应力在薄板宽度方向(y向)上的分布差异。
如图5至图8所示,S2包括:在每次对薄板进行切割之前,先对薄板沿长度方向的两端进行约束,以使翅片的延伸方向和薄板的宽度方向平行,每次切割完成后,均解除对翅片的活动端一侧的薄板的约束,以计算并记录第i个翅片在第j次切割后弯曲的弯曲参数。在本实施例中,对完成S1步骤的薄板的A端和B端进行固定,以保证每个翅片的初始状态相同,每次切割完成后都解除对B端的约束,使得残余应力在薄板厚度方向(z向)上的平衡被打破,使得每个翅片产生不同程度的翘曲变形,观察相同初始状态下的10个翅片在相同切割深度时的弯曲情况,并记录每个翅片在每次切割后的弯曲参数。
如图8所示,每个翅片在每次切割后的总切割深度和x向残余应力可表示为:;;;为每一次切割的切割深度,t为切割宽度,为第i个翅片在第j次切割后的翅片未被切割部分的惯性矩,E为薄板的杨氏弹性模量,为第i个翅片在第j次切割后扣除切割部分翘曲量后的翘曲量;为第i个翅片在第j次切割后弯曲的弯曲高度,为第i个翅片在第j次切割后的长度余量,S为薄板的厚度;m为第i个翅片在第j次切割后残余应力释放的等效弧长;其中,当t无限趋近于0时,的计算公式可表示为:。
在本实施例中,切割采用电火花电极放电切割的方法,切割方向垂直于薄板表面并同时对所有翅片的固定端一侧进行切割,对于,当切割次数j=0时,=,对于任意一个翅片而言,由于切割宽度t不变,故第i个翅片的多个均相同,例如,第一个翅片(翅片1)在第一次切割后的与第一个翅片(翅片1)在第二次切割后的相同。对于,当j=0时,,对于任意一个翅片而言,由于总切割深度递增,故第i个翅片的多个均不同,例如,第一个翅片(翅片1)在第一切割后的与第一个翅片(翅片1)在第二次切割后的不同,同理。
以进行2次切割后的翅片1为例,第二次切割后的总切割深度为,第二次切割后的翅片1的残余应力,由此可计算出每个翅片在每次切割后的残余应力,并根据得到的所有得到每个翅片所受的x向残余应力在薄板厚度方向上的分布。其中,在t无限趋近于0时,残余应力释放小,弯曲程度低,近似于,故。具体地,本实施例中的j为大于0的整数。
具体地,m可近似表示为:;第i个翅片在第j次切割后形成切槽11并弯曲,形成沿薄板的厚度方向间隔的第一弯曲面12和第二弯曲面13;在薄板xz横截面上,第一弯曲面12和第二弯曲面13为曲率相同但弧长不同的两个弯曲圆弧,等效弧长m为该截面上的切槽11开口两端之间形成的圆弧弧长,等效弧长m的弯曲曲率和两个弯曲圆弧的弯曲曲率相同;为该截面上切槽11开口翘起的一端距离翅片翘起后的顶端的高度,为该截面上切槽11开口未翘起的一端距离翅片翘起后的顶端的高度。
在本实施例中,同样可通过激光位移传感器得到,具体地,以图4中的、、......、位置的坐标为基准,在每一次切割后均对所有翅片的活动端重新进行测量,以进行一次切割为例(即j=1时),得到、、......、的坐标,同理,若进行二次切割(j=2),得到的坐标为、、......、。通过比对切割前后的和的坐标即可得到等相关参数。可选地,同样可通过激光位移传感器得到,测量方法同。
具体地,的计算方法为:;为平均弯曲弧长,为第i个翅片在第j次切割后的残余应力在任一单位长度的弯曲弧长上的平均弯矩;其中,第i个翅片在第j次切割后弯曲并形成沿薄板的厚度方向间隔的第一弯曲面12和第二弯曲面13,在薄板xz横截面上,第一弯曲面12和第二弯曲面13为曲率相同但弧长不同的两个弯曲圆弧,平均弯曲弧长位于两个弯曲圆弧之间,平均弯曲弧长的弯曲曲率和两个弯曲圆弧的曲率相同,平均弯曲弧长距两侧弯曲圆弧的距离相同。
在本实施例中,S2还包括残余应力修正;;;其中,为层的残余应力对未切割部位残生的残余应力影响;为第i个翅片在第j次切割时的残余应力修正值。这样设置,保证残余应力在薄板上分布的可靠性,确保表征的准确性。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时,应当明白,为了便于描述,附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中,任何具体值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制。因此,示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到:相似的标号和字母在附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
此外,需要说明的是,使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件,仅仅是为了便于对相应零部件进行区别,如没有另行声明,上述词语并没有特殊含义,因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种薄板内部残余应力的测试方法,其特征在于,包括:
S1:沿薄板的宽度方向等间隔预设并切割出多个平行于所述薄板长度方向的翅片,翅片的长度相同且均小于所述薄板的宽度,所述翅片具有相对的固定端和活动端,根据每个所述翅片在切割前后的长度,计算每个所述翅片所受的沿所述薄板的长度方向上的x向应变和x向残余应力,根据所有所述翅片的得到x向残余应力在所述薄板宽度方向上的应力分布;
S2:沿所述薄板厚度方向对所述翅片的固定端进行多次切割,记录切割参数以及每个所述翅片在每次切割后的翘起情况和弯曲参数,计算每个所述翅片在每次切割后的总切割深度和x向残余应力,根据所有得到第i个所述翅片所受x向残余应力在所述薄板厚度方向上的应力分布;
S2包括:在每次对所述薄板进行切割之前,先对所述薄板沿长度方向的两端进行约束,以使所述翅片的延伸方向和所述薄板的宽度方向平行,每次切割完成后,均解除对所述翅片的活动端一侧的所述薄板的约束,以计算并记录第i个所述翅片在第j次切割后弯曲的弯曲参数;
为每一次切割的切割深度,t为切割宽度,为第i个所述翅片在第j次切割后的所述翅片未被切割部分的惯性矩,E为所述薄板的杨氏弹性模量,为第i个所述翅片在第j次切割后扣除切割部分翘曲量后的翘曲量;为第i个所述翅片在第j次切割后弯曲的弯曲高度,为第i个所述翅片在第j次切割后的长度余量,S为所述薄板的厚度;m为第i个所述翅片在第j次切割后残余应力释放的等效弧长;
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