CN107378022A - 一种用于盲孔法检测残余应力的钻孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于盲孔法检测残余应力的钻孔装置，包括平面钻台，平面钻台固定有安装基座，安装基座拆卸式的安装有超声波电主轴和超声波电主轴驱动模块，超声波电主轴连接有用于在工件上进行钻孔以便通过盲孔法检测工件残余应力的超声波驱动钻头。利用超声波驱动钻头钻孔可以减小切削力，有效降低钻孔本身带来的附加应力和附加热，从而减小测量残余应力所带来的误差。

Description

一种用于盲孔法检测残余应力的钻孔装置

技术领域

本发明涉及工件残余应力检测领域，具体地说是一种用于盲孔法检测残余应力的钻孔装置。

背景技术

工件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响，如经过焊接、铸造、切削机械加工等工艺过程，往往会在工件内形成残余应力，这势必会引起材料变形，降低构件的极限强度和疲劳强度，甚至会产生裂纹和脆性断裂等，从而影响工件的正常使用性能。因此如何检测和评估工件内的残余应力显得尤为重要。

残余应力的检测方法分为无损检测和有损检测两类，其中有损检测主要有盲孔法、切条法、剥层法等。其中盲孔法是由德国人Mathar于1934年提出的，后经Soete与Vancombrugge等人的发展，大大提高了其检测精度，目前盲孔法其原理清晰、设备简单等优点，在残余应力检测中获得了最为广泛应用。盲孔法检测的残余应力是被测物体自身的残余应力，其要求在被测物体上钻孔，以释放残余应力，这种残余应力是固有的，不应该被外界所干预或改变，然而现有技术，在钻孔操作这一环节中存在以下这些较大问题，会导致测试数据的不准确。

1、在钻孔时，被测材料处于塑性流动状态，钻头周围存在复杂的压缩性变形，这样会带来切削附加应力，会引起被测点残余应力较大的检测误差。

2、不论是采取手动进给的方式还是自动进给的方式钻孔，现有技术施加的纵向切削力均较大，导致被测工件残余应力读数偏大，尤其是采用手电钻的方式钻孔，施加的力不可控，若用力较大，测量的残余应力数值会比实际值大几倍甚至更多。

3、切削力较大，很容易造成应变花中心的孔边缘变形和损坏，同样会得到不准确的残余应力数值。

4、钻孔时产生较多的热量，金属受热之后热膨胀，从而发生塑性变形，其中最主要的误差来源于孔边缘的塑性变形。

5、再者由于被测工件与应变花是通过胶水连接的，钻孔过程中产生的附加热，会导致被测工件与应变花开裂等不良影响，造成检测的残余应力数值与实际数值的偏差。

发明内容

本发明针对上述现有技术现状，而提供一种用于盲孔法检测残余应力的钻孔装置，利用超声波驱动钻头进行钻孔，有效减小切削力，降低钻孔本身带来的附加应力和附加热，从而减小测量残余应力所带来的误差。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于盲孔法检测残余应力的钻孔装置，包括平面钻台，平面钻台固定有安装基座，安装基座拆卸式的安装有超声波电主轴和超声波电主轴驱动模块，超声波电主轴连接有用于在工件上进行钻孔以便通过盲孔法检测工件残余应力的超声波驱动钻头。

为优化上述技术方案，本发明还包括以下改进的技术方案。

上述的超声波电主轴包括超声波电主轴外轴套和超声波电主轴驱动模块，超声波电主轴外轴套的内部设有超声波电主轴驱动模块驱动的能高速自由旋转的超声波电主轴本体。

上述的超声波驱动钻头与超声波电主轴本体的下端相连接。

上述超声波电主轴的转速为1000-20000rmp；超声波电主轴的频率为19-60KHz；超声波电主轴的振幅为1-15μm；超声波电主轴的输出功率为10-300W；超声波电主轴的进给速率为0.05-0.5mm/s。

上述的安装基座制有定位凸台，定位凸台的侧壁安装有能升降的固定卡套，定位凸台设有驱动固定卡套上下升降运动的定位驱动模块；安装基座内部具有竖直设置的筒形导向孔，超声波电主轴的上部拆卸式的安装在固定卡套内，超声波电主轴的下部穿过筒形导向孔。

上述的定位凸台侧壁制有燕尾凹槽，固定卡套的侧壁具有卡入燕尾凹槽的升降导向部。

上述的升降导向部的侧壁制有定位齿条；定位驱动模块包括设置在定位凸台内并与定位齿条相配合的定位齿轮、以及驱动定位齿轮转动的定位驱动电机。

上述的固定卡套设有拆卸式连接的高精度显微镜。

上述的平面钻台具有三个与工件表面固定的调节支撑脚。

上述的安装基座上设有手动驱动定位齿轮的定位旋钮。

与现有技术相比，本发明的用于盲孔法检测残余应力的钻孔装置，是在超声波驱动钻头上施加超声振动，使超声波驱动钻头产生超声频的纵向振动，以获得更好加工性能的加工方法，由于超声振动的引入，改变了材料去除机理，与传统的钻孔装置相比，利用超声波驱动钻孔具有以下优势，第一，使用超声波驱动钻头钻孔减小了钻头与工件之间的切削力，仅约为现有技术的1/3至1/10，即降低了引入的附加应力和微塑性变形，从而减小对残余应力检测的误差值；第二，使用超声波驱动钻头钻孔降低了钻头与试件的接触时间，可以降低切削热50％以上，从而提高残余应力检测的精度；第三，采用传统的钻孔装置检测残余应力标准试样，同一钻头经过5次钻孔后得到的数值，与采取超声波驱动钻头钻孔装置，同一钻头经过15至20次钻孔后得到的数值相近，说明采取本发明的超声波驱动钻头钻孔装置可以更好的降低钻孔本身所带来的误差。

附图说明

图1是本发明实施例的立体结构示意图。

图2是本发明实施例的工作状态结构示意图。

图3是本发明实施例的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

图1至图3所示为本发明的结构示意图。

其中的附图标记为：平面钻台1、安装基座11、定位凸台11a、调节支撑脚12、超声波电主轴2、超声波电主轴驱动模块21、超声波驱动钻头22、固定卡套3、升降导向部3a、定位齿条31、定位驱动电机32、定位旋钮33。

本发明的一种用于盲孔法检测残余应力的钻孔装置，包括平面钻台1，平面钻台1固定有安装基座11，安装基座11拆卸式的安装有超声波电主轴2和超声波电主轴驱动模块21，超声波电主轴2连接有用于在工件上进行钻孔以便通过盲孔法检测工件残余应力的超声波驱动钻头22。

超声波电主轴2包括超声波电主轴外轴套和超声波电主轴驱动模块，超声波电主轴外轴套的内部设有超声波电主轴驱动模块驱动的能高速自由旋转的超声波电主轴本体。

超声波电主轴驱动模块具有连接电源的电源接头。超声波驱动钻头22与超声波电主轴本体的下端相连接。超声波电主轴驱动模块可以通过超声波电主轴本体驱动超声波驱动钻头22产生超声频的纵向振动，从而实现钻孔作业。

超声波电主轴驱动模块通过电磁感应，将超声波电能有效地传递给超声波电主轴2内部的换能器，实现了换能器的驱动，从而输出高频超声波到超声波驱动钻头22本身，并且可以调节超声波驱动钻头22的振幅、频率直到符合要求。

在超声波电主轴驱动模块的驱动下，超声波电主轴2的转速为1000-20000rmp；超声波电主轴2的频率为19-60KHz；超声波电主轴2的振幅为1-15μm；超声波电主轴2的输出功率为10-300W；超声波电主轴2的进给速率为0.05-0.5mm/s。

安装基座11制有定位凸台11a，定位凸台11a的侧壁安装有能升降的固定卡套3，定位凸台11a设有驱动固定卡套3上下升降运动的定位驱动模块。

安装基座11内部具有竖直设置的筒形导向孔，超声波电主轴2的上部拆卸式的安装在固定卡套3内，超声波电主轴2的下部穿过筒形导向孔。定位驱动模块通过控制固定卡套3的升降，可以控制超声波电主轴2纵向进给速率。

固定卡套3设有拆卸式连接的高精度显微镜。超声波电主轴2和高精度显微镜分别可以与固定卡套3连接，组成一个整体，并且相互可以自由拆卸。高精度显微镜与固定卡套3连接后的整体，同样与平面钻台1上的筒形导向孔吻合，可以用于辅助超声波驱动钻头22对准钻孔点。

定位凸台11a侧壁制有燕尾凹槽，固定卡套3的侧壁具有卡入燕尾凹槽的升降导向部3a。

升降导向部3a的侧壁制有定位齿条31。定位驱动模块包括设置在定位凸台11a内并与定位齿条31相配合的定位齿轮、以及驱动定位齿轮转动的定位驱动电机32。通过控制定位驱动电机32，便可以控制固定卡套3的升降行程。

平面钻台1具有三个与工件表面固定的调节支撑脚12。每个调节支撑脚12都可以独立调整高度。

安装基座11上设有手动驱动定位齿轮的定位旋钮33，通过定位旋钮33可以手动的调整固定卡套3的高度。

本发明的一种利用超声波驱动钻孔的工件残余应力检测方法，包括以下检测步骤：

步骤01)，打磨工件测试点表面；

步骤02)，将应变花粘贴到打磨位置；

步骤03)，应变花与接线端子连接，并连接到应变仪的相应通道上；

步骤04)，将平面钻台1移至试样表面上，在平面钻台1上安装高精度显微镜并通过高精度显微镜校准位置；

步骤05)，拆卸高精度显微镜并安装超声波电主轴2；

步骤06)，待电脑显示屏上的残余应力数值稳定后，将残余应力数值修正调零；

步骤07)，开通超声波电主轴驱动模块的电源后，再开通定位驱动模块的电源，按程序控制钻孔进给速率和转速；

步骤08)，完成钻孔后，待数值稳定后进行记录并保存。

步骤01)中先用砂轮将工件测试表面进行粗加工，再用粗砂纸打磨，最后用细砂纸精打磨，测试点需打磨到光滑、平整，在打磨过程中不能破坏原有残余应力场。

步骤02)中的应变花与工件测试点完全贴合，并且平整。

步骤03)中应变花上的0°、45°和90°三个方向分别准确的连接到接线端子上，再分别连接到残余应力检测仪上的对应通道。

步骤04)中将平面钻台1移至试样表面上，通过定位旋钮33调整定位齿条31和定位齿轮的啮合进而调整高精度显微镜与应变花之间的距离，使高精度显微镜中的栅格线对准应变花中心位置。

步骤05)中将平面钻台1与试样表面固定后取下高精度显微镜，将超声波电主轴2安装在该位置，通过定位旋钮33调整定位齿条31和定位齿轮的啮合进而调整超声波驱动钻头22与应变花之间的距离。

步骤06)中在观察电脑显示屏上的残余应力数值稳定后，将残余应力数值修正调零。

步骤07)中，开通超声波电主轴驱动模块的电源后，调节超声波电主轴2的频率、振幅、输出功率。超声波电主轴2的转速为1000-20000rmp；超声波电主轴2的频率为19-60KHz；超声波电主轴2的振幅为1-15μm；超声波电主轴2的输出功率为10-300W；超声波电主轴2的进给速率为0.05-0.5mm/s。

本发明的利用超声波驱动钻孔的工件残余应力检测方法具有以下优势：

第一，使用超声波驱动钻头钻孔减小了钻头与工件之间的切削力，仅约为现有技术的1/3至1/10，即降低了引入的附加应力和微塑性变形，从而减小对残余应力检测的误差值；

第二，使用超声波驱动钻头钻孔降低了钻头与试件的接触时间，可以降低切削热50％以上，从而提高残余应力检测的精度；

第三，钻头的使用寿命提高3至4倍，同时提高检测数据的准确性，采用传统钻孔的方法检测残余应力标准试样，同一钻头经过5次钻孔后得到的数值，与采用超声波驱动钻头钻孔方法，同一钻头经过15至20次钻孔后得到的数值相近，说明采取本发明的超声波驱动钻头钻孔方法可以更好的降低钻孔本身所带来的误差。

综上，利用超声波驱动钻孔的工件残余应力检测方法与现有钻孔的检测方法对比，超声波钻孔所造成的误差值可以降低60至80％。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (10)

1.一种用于盲孔法检测残余应力的钻孔装置，包括平面钻台(1)，其特征是：所述平面钻台(1)固定有安装基座(11)，所述的安装基座(11)拆卸式的安装有超声波电主轴(2)和超声波电主轴驱动模块(21)，所述的超声波电主轴(2)连接有用于在工件上进行钻孔以便通过盲孔法检测工件残余应力的超声波驱动钻头(22)。

2.根据权利要求1所述的一种用于盲孔法检测残余应力的钻孔装置，其特征是：所述的超声波电主轴(2)包括超声波电主轴外轴套和超声波电主轴驱动模块，所述超声波电主轴外轴套的内部设有超声波电主轴驱动模块驱动的能高速自由旋转的超声波电主轴本体。

3.根据权利要求2所述的一种用于盲孔法检测残余应力的钻孔装置，其特征是：所述的超声波驱动钻头(22)与超声波电主轴本体的下端相连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于盲孔法检测残余应力的钻孔装置，其特征是：所述超声波电主轴(2)的转速为1000-20000rmp；超声波电主轴(2)的频率为19-60KHz；超声波电主轴(2)的振幅为1-15μm；超声波电主轴(2)的输出功率为10-300W；超声波电主轴(2)的进给速率为0.05-0.5mm/s。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的一种用于盲孔法检测残余应力的钻孔装置，其特征是：所述的安装基座(11)制有定位凸台(11a)，所述的定位凸台(11a)的侧壁安装有能升降的固定卡套(3)，所述定位凸台(11a)设有驱动所述固定卡套(3)上下升降运动的定位驱动模块；所述的安装基座(11)内部具有竖直设置的筒形导向孔，所述超声波电主轴(2)的上部拆卸式的安装在固定卡套(3)内，所述超声波电主轴(2)的下部穿过所述的筒形导向孔。

6.根据权利要求5所述的一种用于盲孔法检测残余应力的钻孔装置，其特征是：所述的定位凸台(11a)侧壁制有燕尾凹槽，所述的固定卡套(3)的侧壁具有卡入所述燕尾凹槽的升降导向部(3a)。

7.根据权利要求6所述的一种用于盲孔法检测残余应力的钻孔装置，其特征是：所述的升降导向部(3a)的侧壁制有定位齿条(31)；所述的定位驱动模块包括设置在定位凸台(11a)内并与定位齿条(31)相配合的定位齿轮、以及驱动所述定位齿轮转动的定位驱动电机(32)。

8.根据权利要求7所述的一种用于盲孔法检测残余应力的钻孔装置，其特征是：所述的固定卡套(3)设有拆卸式连接的高精度显微镜。

9.根据权利要求8所述的一种用于盲孔法检测残余应力的钻孔装置，其特征是：所述的平面钻台(1)具有三个与工件表面固定的调节支撑脚(12)。

10.根据权利要求9所述的一种用于盲孔法检测残余应力的钻孔装置，其特征是：所述的安装基座(11)上设有手动驱动定位齿轮的定位旋钮(33)。