CN103076115A - 测量部件中的残余应力的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量部件中的残余应力的方法和装置。一种通过渐进式切削(14，16)测量工件(10)上的整个应力分布(12)以及测量工件在切割点的偏转量的方法。

Description

测量部件中的残余应力的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种测量部件中残余应力的方法。更具体地，本发明涉及一种测量发动机部件中的整个厚度的残余应力的方法，该发动机部件尤其是金属部件，其应力从某个制造工序如滚压成型开始时就升高。

背景技术

在诸如滚压成型这样的制造工序中，其会在部件整个厚度上产生残余应力。这种应力不会马上显现出来，因为它们往往均匀地分布在坯段的整个厚度上(并且因此并不会产生净应变)。当部件在使用时，残余应力是一种隐患，因为施加的负荷会使得部件内的应力高于预期。甚至，如果部件被加工而得到滚压后尺寸，残余应力会在加工后造成预料不到的扭曲变形。

能够测量这些残余应力是有利的，使得当部件在被使用中或进行后续加工时残余应力可以被考虑。这样做可以避免因为预料之外的高应力而导致部件使用寿命的意外折损，并且还能在部件被制造的过程中考虑到残余应力的因素，从而避免扭曲变形。

测量残余应力的已知方法包括例如切割、深孔钻的技术，在这些方法中，可以采用应变计来测量部件内的应力，并照此方法可以确定该点的残余应力。这些技术需要特殊的设备和应变计，而在制造环境下，这两者通常都不是容易获得的，取而代之的是基于实验室的***。由于需要将这些部件运输到合适的设备上进行检验，因此残余应力场的测定是一项耗时且费钱的过程。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种方法克服上述的不足，可以使用现有的制造设备，而不需要重要的特殊设备来实施该方法。

根据本发明的第一个方面，提出了一种测量部件中的整个厚度的残余应力的方法，该方法包括以下步骤：

将工件夹紧在第一位置和第二位置处，所述第二位置与所述第一位置间隔开，

在第三位置处执行第一材料去除操作，所述第三位置位于所述第一位置和所述第二位置的中间，

在所述第二位置处释放所述工件，

测量所述工件的第一变形，

根据所述第一变形确定所述工件中的残余应力。

优选地，在测量工件变形的步骤之后，该测量方法还包括以下步骤：

在所述第二位置重新夹紧工件；

在第三位置执行进一步的材料去除操作；

在进一步的材料去除操作后测量工件的进一步变形；

根据进一步变形确定工件中的进一步的残余应力。

优选地，重复上述重新夹紧工件、进一步的材料去除、进一步的测量和对进一步应力的确定的步骤，以形成工件中的整个厚度的残余应力分布。

优选地，在第三位置上执行测量步骤。

根据本发明的第二个方面，提供了一种用于测量金属部件中的整个厚度的残余应力的设备，该设备包括：

第一夹紧装置，

与所述第一夹紧装置间隔开的第二夹紧装置，

位于所述第一夹紧装置和所述第二夹紧装置之间的位置处的机床，所述机床被配置为在由所述第一夹紧装置和所述第二夹紧装置保持的工件上执行材料去除操作，

位于所述第一夹紧装置和所述第二夹紧装置之间的偏转测量设备。

优选地，该偏转测量设备位于与所述机床相同的、在所述第一夹紧装置和所述第二夹紧装置之间的位置处。

优选地，所述偏转测量设备布置成位于所述工件的、与使用中的机床相对的一侧上。

附图说明

现在结合下面的附图，进一步描述根据本发明方法和设备的实施例。

图1是显示示例性应力分布的示例工件的示意性侧剖图；

图2是根据本发明第二个方面的设备的示意性侧面视图；

图3是根据本发明的方法的流程图；

图4和图5示出了工件的偏转量。

具体实施方式

参见图1，采用已知的制造工序例如滚压成型形成工件10。应力曲线图12显示了残余应力如何贯穿工件10的厚度、从压缩(C)到拉伸(T)进行变化。可以看出，该应力曲线图关于工件的纵向轴线L对称，并且同样地，应力也是平衡的，使得在这种情况下工件在几何尺寸上是稳定的(换句话说，残余应力在材料的变形中是观察不到的)。

基于本发明，根据所示的切削线14和16进行切削而执行加工操作，其将会造成不对称的应力分布12，并且因此，导致工件10的偏转。作为结果，该应力分布的不对称将会引起工件10上的弯曲应力。通过释放工件并允许其在该不对称应力的作用下变形，就可以测量残余应变的程度。

参见图2，示出了用于执行本发明的方法的装置18。

机床台20上安装有夹具座22，夹具座包括在其相对两端延伸的第一支承件24和第二支承件26。支承件24、26以距离D间隔开，并且被配置为用于接纳工件10(例如，可以调整它们的相对间距，以为工件10提供合适的支承)。每个支承件24、26沿竖向支承工件10。

偏转探头28从夹具座22向上延伸，在支承件24、26的中间的位置与工件10接触，并且被布置成测量工件中的任何偏转。

在第一和第二支承件24、26的任一侧，分别提供可调夹紧组件30、32。每个夹紧组件30、32包括夹紧部件34，该夹紧部件被配置为夹紧夹紧部件与相应支承之间的工件10。该夹紧部件34连接到气缸36，该气缸位于活塞38上并可以通过杠杆40向上和相下移动，以夹紧和释放工件10。

机床42可以降低到工件10的上表面上与偏转探头28相应的位置处。该机床42能够以已知距离对工件10进行顺序切削，并且同样地包括运动传感器以记录到切削工件10中的深度。

应注意的是，可以利用计算机控制的致动器自动致动该夹紧装置32中的一个或两个，下面将对其进行更详细地描述。

参见图3，根据本发明的一个示例方法如流程图所示。

在步骤44中，装配夹具和工件，使得工件10被夹紧在设备18中。

在步骤46中，手动输入切割条件到加工传感器或控制计算机中。在一个示例中，***可以被设置成切削N＝50次，每次切削d＝1mm。

在步骤48中，计数变量n被初始化为n＝1。

在步骤50中，询问n的值，以检验是否n＝N(也就是***是否已经达到需要的切削次数)。

在步骤52中，n乘以切削深度d，并且，机床42从工件的原始顶部表面的基准面进入到工件10的距离为n×d。

在步骤54中，通过控制计算机释放夹紧装置32。

在步骤56中，使用偏转探头28测量工件10的偏转量。该偏转量被存储在计算机中。

在步骤58中，再次启用夹紧装置32，使偏转探头回零。

在步骤60中，令n＝n+1，在该点流程回到步骤50。在步骤50中，会使n＝N(所需的最大切削次数)，然后流程跳到步骤62，并在该点终止。

接着前述的流程，得到每个n值的多个偏转量。可以对每个这些偏转量计算材料中的残余应力，并且同样地可以获得工件10的整个厚度的应力分布图。应注意的是，由于如图1所示的对称应力分布，因此仅仅需要加工材料10的厚度的一半。

整个工件上的应力可以按如下计算出来：

参见图4和5，假设工件10的偏转量近似于圆弧段，其服从一般方程r²＝x²+y²。

如图5所示，如果曲率半径为y_m，测量时相对于左侧夹紧装置的距离为x₁，并且y₁为测得的位移值，则有：

$y_m^2=x_1^2+{(y_m-y_1)}^2$

$\⇒y_m^2=x_1^2+y_m^2-2y_m{y}_1+y_1^2$

$\⇒2y_m{y}_1=x_1^2+y_1^2$

$\⇒y_m=\frac{x_1^2}{2y_1}+\frac{y_1}{2}$

为了获得f，其是时于给定的试件参考长度l_f、距离参考点的最大变形距离。

$y_m^2={\left(\frac{l_f}{2}\right)}^2+{(y_m-f)}^2$

$\⇒y_m^2={\left(\frac{l_f}{2}\right)}^2+y_m^2-2y_{m}f+f^2$

$\⇒f=y_m+\sqrt{y_m^2-{\left(\frac{l_f}{2}\right)}^2}$

因此，利用沿工件10在一个点处测得的变形，可以计算出最大变形距离。

利用工件的最大偏转量，于是可以计算出在切削深度上的残余应力。

各种变型都落入本发明的范围之内。该过程可以由CNC(计算机数控)***进行控制，其中控制传递给图2所示的设备，并且其结果，也就是偏转测量值，被反馈到PC(个人电脑)进行分析。

另外，也可以采取手动实施该方法，由用户手动夹紧和释放夹紧装置32，并使用手动测量装置得到合适的测量结果，进行再次夹紧和再次加工。

可以在竖直和水平的机床上使用该方法。

Claims (8)

1.一种测量部件中的整个厚度的残余应力的方法，该方法包括以下步骤：

将工件夹紧在第一位置和第二位置处，所述第二位置与所述第一位置间隔开，

在第三位置处执行第一材料去除操作，所述第三位置位于所述第一位置和所述第二位置的中间，

在所述第二位置处释放所述工件，

测量所述工件的第一变形，

根据所述第一变形确定所述工件中的残余应力。

2.根据权利要求1所述的方法，在测量所述工件的变形的步骤之后，还包括如下步骤：

将所述工件重新夹紧在所述第二位置处，

在所述第三位置处执行进一步的材料去除操作，

在进一步的材料去除操作后，测量所述工件的进一步变形，

根据所述进一步变形确定所述工件中的进一步残余应力。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，重复重新夹紧、进一步的材料去除、对进一步残余应力的进一步测量和确定的步骤，以形成所述工件中的整个厚度的残余应力分布。

4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，在所述第三位置中执行测量步骤。

5.根据权要求1至3中任一项所述的方法，其中，确定残余应力的步骤包括计算所述工件在不同于所述测量位置的位置处的最大变形的步骤。

6.一种用于测量金属部件中的整个厚度的残余应力的设备，包括：

第一夹紧装置，

与所述第一夹紧装置间隔开的第二夹紧装置，

位于所述第一夹紧装置和所述第二夹紧装置之间的位置处的机床，所述机床被配置为在由所述第一夹紧装置和所述第二夹紧装置保持的工件上执行材料去除操作，

位于所述第一夹紧装置和所述第二夹紧装置之间的偏转测量设备。

7.根据权利要求6所述的用于测量金属部件中的整个厚度的残余应力的设备，其中，所述偏转测量设备位于与所述机床相同的、在所述第一夹紧装置和所述第二夹紧装置之间的位置处。

8.根据权利要求7所述的用于测量金属部件中的整个厚度的残余应力的设备，其中，所述偏转测量设备布置成位于所述工件的、与使用中的机床相对的一侧上。

Images