一种钻孔法残余应力测量系统的制作方法

本发明涉及材料加工和实验应力分析技术领域，具体涉及一种钻孔法残余应力测量系统。

背景技术：

焊接等热加工工艺制造的构件中大都存在残余应力，较高数值的残余应力对构件的长期安全使用性能会带来不利影响，控制和测量残余应力就成为一个很重要的研究和应用方向。

在焊接等结构上，钻孔法测量残余应力得到了较多应用。钻孔法测量残余应力的原理是在工件的被测部位贴上三向或双向应变花，通过在应变花中心加工一个Φ1.5-3mm的小盲孔，引起残余应力的释放，由应力-释放应变关系计算该部位的残余应力大小和方向。

如何保证钻孔法测量残余应力的精度一直是大家极为关注的话题。影响精度的因素有两方面：一是钻孔设备的可靠性，一是计算方法的合理性。目前钻孔设备主要有两种，一种是低速钻孔类型(采用手电钻，转速小于3,000rpm)，一种是高速钻孔类型(采用气动涡轮机构，转速大于30,000rpm)。由于低速钻孔设备价格远低于高速钻孔设备，加上现场操作方便等因素，因而得到很多用户的青睐。目前低速设备普遍存在的问题有：1)钻孔直径固定，更换夹头不便。2)钻杆直接与定位套筒接触摩擦，影响钻孔操作和钻削加工应变数值。3)系统的计算系统不够完善，由于加工应变和孔边塑变随应力而变，测试高应力场时误差较大4)设备现场使用的灵活性和方便性不够。5)钻孔易于偏心。为此，已有很多人进行了相关研究，例如：

专利1(申请号：201210051629.X；发明名称：一种测定盲孔法残余应力测试系统精度的方法)主要描述了利用盲孔法测量残余应力的具体过程和利用退火后材料中的残余应力为零的假设条件，检验盲孔法测试精度的一种途径；专利2(申请号201220148455.4；发明名称：一种三维残余应力测定钻孔仪)公开了一种经过改进的残余应力测量用钻孔设备，主要特征是设计了一种机械装置，能实现沿深度方向连续进给的方法，避免传统深度控制的卡环与止动面的摩擦。专利3(申请号：201310187199.9；发明名称：机械手钻孔装置)主要描述了一种盲孔法测量残余应力过程中适用于多位置的定位钻孔操作而无需移动部件的灵活装置，传统的定位钻孔 装置只能实现一次一孔的操作。专利4(申请号：200920105688.4；发明名称：一种盲孔法测应力的磁力式全表面钻孔装置)主要公开了一种用于铁磁材料表面快速固定的方法，一定程度上起到了提高测试效率的目的，但对于铝合金等非铁磁材料则不适用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种钻孔法残余应力测量系统，该测量系统大大提高了设备现场使用方便性和钻孔精度。

本发明所采用的技术方案是如下：

一种钻孔法残余应力测量系统，该测量系统包括工具显微镜、钻杆、导向筒、压盖、球头螺钉和磁性底座；所述导向筒内放置工具显微镜或钻杆，根据测量需求用于显微镜对中或钻杆的钻孔导向；导向筒的内壁嵌有滚动轴承(上部和下部各设置一个滚珠轴承)，滚动轴承与导向筒内放置的工具显微镜或钻杆紧密接触；所述导向筒的下部固定在压盖上，压盖通过球头螺钉与磁性底座相连接，所述磁性底座可以直接吸附在需要钻孔的铁磁材料表面，也可以粘接在非铁磁材料表面；其中：

所述导向筒与压盖的固定方式具体为：所述压盖包括套装在导向筒外壁上的上压盖和下压盖，上压盖的下端置于下压盖内(上压盖的外侧壁贴紧下压盖的内侧壁)，并通过定位螺钉Ⅱ将下压盖侧壁锁紧固定在导向筒上，所用定位螺钉Ⅱ用于定位调节。

所述压盖通过球头螺钉与磁性底座相连接的方式具体为：所述下压盖具有打孔的下端面，球头螺钉的圆柱端穿过下压盖上的孔，并在下端面的上下表面各用一个螺帽Ⅰ将球头螺钉的圆柱端固定在下压盖上；球头螺钉的球头端通过锁紧螺帽固定在磁性底座上；用于固定球头螺钉与磁性底座的锁紧螺帽为开设缺口的锁紧螺帽，通过螺帽上的缺口能够调整球头螺钉与磁性底座呈相互垂直状态。开设缺口的锁紧螺帽的结构为：从锁紧螺帽上表面的中心孔至锁紧螺帽上表面的边缘开设一个条形缺口，缺口宽度大于球头螺钉圆柱端的直径。该种设计方式特别适合测量曲率较大或直角角焊缝的表面应力。

所述工具显微镜包括镜筒、目镜和物镜。所述钻杆上设有连接头，用于将钻杆与可调速手电钻连接；钻杆的下端连接CNC夹头，通过CNC夹头锁紧固定钻头。所述CNC夹头包括弹性筒夹和螺帽Ⅱ，弹性筒夹和螺帽Ⅱ为CNC标准配套零件，精度较高；所述钻头为夹持端3mm、刀刃端直径1-3mm的高刚性变径短刃钻头。

本发明测量系统还包括定位圆环，定位圆环套装在工具显微镜或钻杆上，使用时通过螺钉Ⅰ将其固定在工具显微镜或钻杆上，定位圆环的作用是根据使用需要确定工具显微镜的位置或钻孔的深度。

本发明测量系统还包括三向应变花和应变仪，待测量材料上放置三向应变花，三向应变花连接应变仪；应变仪中的应力计算软件采用C语言编制，计算程序中考虑了孔边塑变和加工应变随应力值的变化特征，给出了任意两个相互垂直方向的应力计算公式，使得焊接残余应力的测量变得更加准确；计算采用的应力计算公式如式(1)所示：

${\mathrm{\σ}}_x=\frac{A+B}{4\mathrm{AB}}(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_x+\frac{B-A}{A+B}{\mathrm{\Δ\ϵ}}_x),{\mathrm{\σ}}_y=\frac{A+B}{4\mathrm{AB}}({\mathrm{\Δ\ϵ}}_y+\frac{B-A}{A+B}{\mathrm{\Δ\ϵ}}_y);---\left(1\right)$

式(1)中：A、B为实验标定系数，A＝(Δε_x+Δε_y)/2σ_x，B＝(Δε_x-Δε_y)/2σ_x,它们综合反映了不同应力场条件下材料的加工应变和孔边塑变引起的误差修正；σ_x为沿x方向的应力，σ_y为沿y方向的应力，Δε_x为沿x方向的钻孔释放应变，Δε_y为沿y方向的钻孔释放应变。

本发明钻孔法残余应力测量系统具有以下优点及有益效果：

1、方便的换径夹头：采用高精度CNC钻孔夹头，高刚度短刃变径钻头(夹持端3mm，刀刃端1.0-3.0mm可变)；通过采用可变直径的短刃钻头，不需要更换夹头就可以使钻孔直径在1.0-3.0mm之间随意变化，除了常规的合金钢、铝合金等，这对于测试不锈钢、镍基合金等需要较大钻孔直径的材料特别适用。

2、“永不磨损”技术：采用滚珠轴承作为导向筒内壁，与钻杆进行配合制孔，依靠滚珠的自身旋转，避免了钻杆与原定位套筒直接摩擦生热和钻孔困难的现象。

3、较快的测试过程：定位系统小巧便携、调节方便，由于钻孔过程中避免了钻杆与导向筒之间的直接摩擦，降低了固定底座与测试构件之间粘接强度要求，使得铁磁材料极易对中固定(非铁磁性材料仍然可以采用粘接的方法)，加上优化的钻杆尺寸和带有测试角焊缝的缺口螺帽设计，使得测试周期明显缩短，测试成功率大大提高。

4、更好的钻孔技术：采用高精度、高刚性短刃麻花钻头和变速手电钻，保证了钻孔过程中始终精确对中钻孔的实施，大大提高了被测材料采用手电钻制孔的适应性和准确性。

5、优化的计算方法：内置采用C语言编制的计算程序考虑了孔边塑性应变、钻孔加工应变与残余应力场的关系，考虑了焊接双向应力测试的方便性，使测量结果的准确性更高。内置双向应力计算程序特别适用于焊接残余应力的检测。

附图说明

图1为本发明的钻孔装配简图；图中：(a)工具显微镜与导向筒配合的钻孔设备；(b)钻杆与导向筒配合的钻孔设备。

图2为开设缺口的锁紧螺帽的实物图。

图3为传统钻孔与本发明钻孔的主要功能比较；图中：(a)传统钻孔设备；(b)本发明钻孔设备。

图4为实施例1中钻孔法测量残余应力系统；图中：(a)实物图；(b)应力计算界面。

图中：1-镜筒；2-定位螺钉Ⅰ；3-导向筒；4-压盖；5-物镜；6-磁性底座；7-开设缺口的锁紧螺帽；8-球头螺钉；9-螺帽Ⅰ；10-定位螺钉Ⅱ；11-滚动轴承；12-定位圆环；13-目镜；14-连接头；15-钻杆；16-下压盖；17-CNC夹头；171弹性筒夹；172-螺帽Ⅱ；18-短刃变径钻头；19-旋转摩擦面；20-弹性夹头；21-直柄钻头。

具体实施方式

以下结合附图详述本发明。

本发明钻孔法残余应力测量系统包括钻孔装置和应力计算软件两部分。图1(a)-(b)为钻孔设备装配图，钻孔设备包括工具显微镜、钻杆15、导向筒3、压盖4、球头螺钉8和磁性底座6；镜筒1、目镜13和物镜5组成工具显微镜，工具显微镜或钻杆15放置在导向筒3内，导向筒3用于工具显微镜对中和钻杆15的钻孔导向；工具显微镜或钻杆15上套装定位圆环12，使用时通过定位螺钉Ⅰ2将定位圆环12固定，定位圆环的作用是根据使用需要确定工具显微镜的位置或钻孔的深度。

所述导向筒3内壁的上部和下部各嵌有一个滚动轴承11，滚动轴承11与导向筒3内放置的工具显微镜或钻杆紧密接触；所述导向筒3的下部固定在压盖4上，压盖4通过球头螺钉8与磁性底座6相连接，磁性底座6可以直接吸附在需要钻孔的铁磁材料表面，也可以粘接在非铁磁材料表面。

所述压盖4包括套装在导向筒外壁上的上压盖和下压盖16，导向筒与压盖的固定方式具体为：上压盖的下端置于下压盖16内(上压盖的外侧壁贴紧下压盖的内侧壁)，并通过定位螺钉Ⅱ10将下压盖16侧壁锁紧固定在导向筒3上，所用定位螺钉Ⅱ10用于定位调节。

所述压盖4通过球头螺钉8与磁性底座6相连接的方式具体为：所述下压盖16具有打孔的下端面，球头螺钉8的圆柱端穿过下压盖上的孔，并在下端面的上下表面各用一个螺帽Ⅰ9将球头螺钉8的圆柱端固定在下压盖16上；球头螺钉8的球头端通过开设缺口的锁紧螺帽7固定 在磁性底座6上，所述开设缺口的锁紧螺帽如图2所示：从锁紧螺帽上表面的中心孔至锁紧螺帽上表面的边缘开设一个条形缺口，缺口宽度略大于球头螺钉圆柱端的直径。通过螺帽上的缺口能够调整球头螺钉与磁性底座呈相互垂直状态。该种设计方式特别适合测量曲率较大或直角角焊缝的表面应力。

所述钻杆上设有连接头14，连接头14将钻杆15与可调速手电钻连接；钻杆15的下端连接CNC夹头17，通过CNC夹头锁紧固定钻头。所述CNC夹头17包括弹性筒夹171和螺帽Ⅱ172，弹性筒夹171和螺帽Ⅱ为CNC标准配套零件，精度较高；所述钻头为夹持端3mm、刀刃端直径1-3mm可变的高刚度短刃变径钻头18。

图3给出了本发明测量系统相对传统市售产品实现的部分功能改进后的进一步对比说明。改进前的市售商品见图3(a)，钻孔时钻杆与定位套筒直接接触转动，形成旋转摩擦面19，转动时产生摩擦热，极易被脏物污染而丢转甚至停转，同时钻头采用定尺寸的直柄钻头(直柄麻花钻)21，为了提高钻孔时的钻头刚性，往往需要夹持刀刃部分。另外，如果要改变钻孔直径，除了更换钻头外，还需要更换对应的弹性夹头20。经本发明改进后(图3(b))，钻杆与滚珠轴承11接触产生无摩擦滚动，速度平稳一致，同时采用内径3mm的CNC数控专用高精度弹性筒夹，配合可变直径的短刃高刚性钻头(夹持端直径3mm不变)，只要钻孔直径在1.0-3.0mm范围内，只需更换相应的钻头即可，从而大大提高了设备现场使用方便性和钻孔精度。

实施例1

采用上述本发明内容，研制出如图4(a)所示的KJS-HD-1型钻孔法测量残余应力系统，包括30X工具显微镜、φ22mm的钻杆、含导向筒的磁性支撑底座、0-3000rpm的变速手电钻、3.5″PDA手持式应力应变采集和计算设备、BE120-2CA-B三向应变花。钻杆前端配ER11A-3数控CNC专用弹性筒夹，NACHI高精度变径硬质钻头：夹持段φ3mm，刃具段φ1.5mm。

本发明测量系统在待测量材料上粘贴三向应变花，三向应变花连接应变仪；图4(b)为应力计算界面，计算采用的为方便焊接残余应力计算的双向公式，如下式(1)：

${\mathrm{\σ}}_x=\frac{A+B}{4\mathrm{AB}}(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_x+\frac{B-A}{A+B}{\mathrm{\Δ\ϵ}}_x),{\mathrm{\σ}}_y=\frac{A+B}{4\mathrm{AB}}({\mathrm{\Δ\ϵ}}_y+\frac{B-A}{A+B}{\mathrm{\Δ\ϵ}}_y);---\left(1\right)$

式(1)中：A、B为实验标定系数，A＝(Δε_x+Δε_y)/2σ_x，B＝(Δε_x-Δε_y)/2σ_x,它们综合反映了不同应力场条件下材料的加工应变和孔边塑变引起的误差修正；σ_x为沿x方向的应力，σ_y为沿y方向的应力，Δε_x为沿x方向的钻孔释放应变，Δε_y为沿y方向的钻孔释放应变。

本发明具有如下优点：一种钻孔法残余应力测量装置，与其它市售设备具有如下优势：1)钻孔不产生摩擦过程，转速始终平稳一致；2)采用CNC夹头和高刚性短刃变径钻头，确保 钻孔位置准确；3)采用磁性底座和带缺口的锁紧螺帽，可简单快速测量铁磁性材料和小曲率半径(包括直角角焊缝)表面应力；4)考虑钻孔加工应变和孔边塑变与残余应力的关系，给出了适合焊接残余应力测量的双向应力场自动精确计算程序。

上述实施是对本发明进行具体描述，只是对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，技术人员根据上述发明内容做出一些非本质改进和调整均落入本发明保护范围之内。