[发明专利]一种基于挠度变化和反推法的铣削加工残余应力测量方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种基于挠度变化和反推法的铣削加工残余应力测量方法，具体涉及一种逐步腐蚀剥层，同时测量工件挠度变化并由深层的残余应力逐步反推浅层残余应力的方法，属于机械工程领域中的应力测量方法。

背景技术

铣削加工引起的工件表面应力主要特征是分布很浅（一般不超过0.2mm）且在深度方向上变化率很高，其应力值的测量有一定的困难。采用不同的铣削参数所引起的表面加工残余应力的大小和分布并非一致，要想预测加工残余应力所导致的不同尺寸和形状的零件的变形，必须排除零件尺寸和形状因素的干扰，测量仅仅由加工参数所决定的残余应力的大小和分布。

针对加工残余应力分布浅且变化率高的特点，目前主要采用X射线法对其进行测量，X射线法其技术目前已发展较为成熟，且在工业上的应用也较为广泛。对于工程上常用的金属材料而言，X射线的穿透力很弱，通常只有几微米，因此要测得在深度方向上应力值的变化情况，必须结合剥层的方法来测量。零件表面的最终加工残余应力的形成从逻辑上可以分为两步：1.铣削加工过程由于机械应力、热应力以及相变诸多因素的共同作用，在零件表面形成残余应力；2.其表面的残余应力会部分释放，引起整个工件发生弹性变形，使得原先存储于表面层的能量会部分转移到零件其他部位，即所谓的自平衡过程，从而形成最终的加工残余应力。X射线法测量得到的应力是零件内部已经达到自平衡后的应力，而并非平衡前的应力。零件的尺寸和形状的变化会影响残余应力在零件内部的最终释放程度，从而影响最终平衡后的残余应力分布，因此，尽管采用相同的加工参数和加工条件，材料相同而尺寸和形状不同的零件会得到最终不同的加工残余应力。为预测零件因加工残余应力而引起的最终变形，理所当然应该测量加工引起的残余应力在自平衡之前的数值，将此数值代入不同形状和尺寸的零件模型进行自平衡就算才能正确预测零件因加工残余应力而引起的变形。而以往X射线法结合腐蚀剥层得到的应力值并不能正确预测零件的变形，而且X射线应力仪的价格颇为昂贵，其普及使用还有一定的困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种基于挠度变化和反推法的铣削加工残余应力测量方法，通过测量挠度的变化，并用后期的测量结果逐步反推残余应力，得到工件较为真实的自平衡前的应力。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于挠度变化和反推法的铣削加工残余应力测量方法，分别测量待测零件在每次腐蚀剥层中被去除材料层的厚度以及待测零件被腐蚀剥层后的挠度值的变化，直至待测零件的挠度停止变化；待测零件的挠度停止变化后，由经过腐蚀剥层的待测零件的最底层开始逐层反推待测零件前一腐蚀剥层的残余应力值，直至推算出待测零件经过第一层腐蚀剥层后的残余应力值，得到自平衡前待测零件的残余应力分布情况。

作为本发明的进一步优选方案，残余应力值的具体计算方法如下：

待测零件行了N次腐蚀剥层后，其倒数第一层腐蚀剥层的残余应力值σ_N为：

σ_N＝-4Eh_N³ΔV_N/3L²Δh_N(h_N+Δh_N)

其中，E为材料弹性模量，h_N为第N次腐蚀后零件的厚度，ΔV_N为第N次腐蚀后零件挠度的变化值，L为零件的长度，Δh_N为第N次腐蚀的材料层的厚度，N的取值为自然数；

倒数第n层的残余应力值σ_N-n+1为：