[发明专利]一种球壳类零件的残余应力场测量装置与建模方法

说明书

本发明公开了一种球壳类零件的残余应力场测量装置与建模方法，测量装置包括经纬仪和稳定平台；所述经纬仪用于固定球壳类零件，并在测量过程中控制零件的运动轨迹与空间位置精度，同时输出测量微区的空间坐标信息；所述稳定平台用于稳定所述球壳类零件与所述经纬仪中各测量机构，保证测量过程中隔绝外界的干扰。本发明采用经纬仪实现在测量过程中控制零件的运动轨迹与空间位置精度，同时输出测量微区的空间坐标信息，并通过应力张量映射和坐标空间变换，实现薄壁球壳类零件的三维全场应力建模，从而为零件变形分析与车削工艺优化提供完整可靠的数据支持。

技术领域

本发明属于超精密加工技术领域，具体涉及一种球壳类零件的残余应力场测量装置与建模方法。

背景技术

薄壁球壳类零件在构型上禀赋优良，比刚度优异，因而广泛用于高压容器、爆轰试验和激光靶标等特殊场合，因此加工高面型精度的薄壁球壳、保障全寿命周期内的可靠性是超精密制造的主要追求目标。

薄壁球壳是典型的回转对称结构，壳体的内外表面均为标准球面，具有连续变化的空间曲率。在典型车削加工过程中，壳体固定于中心轴做定心旋转运动，车刀往复渐进地在球壳顶部和底部之间逐层去除材料，加工至设计球面外形。因此，基于薄壁球壳的结构外形和回转车削的加工物理特性，必须面对以下两个本源问题所产生的非均匀受力分析：1)球壳表面连续变化的空间曲率导致车削加工时：刀尖区域材料去除的物理过程和工况处于时变演化状态，由变化的状态产生了变化的表层车削残余应力，最终在球壳的表面产生了显著的非均匀残余应力空间分布。具体表现在球壳底部和顶部由于显著的车削速度差异而产生的残余应力梯度，也最终反映在球壳收缩/扩张变形之上。2)车刀导致的材料剪切、耕犁和滑压在球壳近表层形成了加工变质层，伴随内外球面的连续车削加工，薄壁球壳在任意的径向厚度存在显著的残余应力梯度。这类厚度方向的“应力梯度”在薄壁平面构型中就能引发显著的弯扭变形，进一步的，壳体中力学的“厚向非均匀性”与结构的“空间曲率演化(由于回转对称性，特指球壳顶部至底部)”叠加作用将产生球壳的周期凹陷/凸起。综上所述，薄壁球壳类零件的非均匀残余应力场对结构变形有着至关重要的影响，因此分析构型的车削加工变形、预测可能的面型超差空间分布以及最终的面型控制与质量保障都需要获取残余应力场基础数据。如何精确、可靠的获取薄壁球壳类零件的全场应力是当前超精密壳体加工的亟待解决难题。

在实际的薄壁球壳零件研制和生产过程中，借鉴其他薄壁构件的残余应力测量方法是行之有效的方式。XRD应力衍射测量在当前工程实践中已取得了良好的效果，特别是各类薄壁板、梁等平面特征显著的构件。上述测量中应力轴取向和后续应力场建模分析都较为方便成熟。而针对薄壁球壳类零件的XRD应力衍射测量，会遇到以下两类显著的难题：1)测量所得的应力难以正确的建模分析，例如在球壳表面或均匀、或随机的选取几个测量点，XRD应力衍射测量时的应力轴取向按照平面应力标记，在后续分析中仍然采用平面应力计算，导致误差增大；或者是后续分析中对测量所得的平面应力不能正确的映射与变换，导致建模精度较差。2)测量基准的偏差：由公知常识可知XRD测量是基于平面应力假设的，因此测量区域的平面法矢决定了平面应力的坐标系特征。球壳表面曲率连续变化，XRD应力测量探头的位置影响所测应力的坐标系选取，无论是球壳摆动抑或是探头摆动，如果不能保障摆动时的定心定轴，那么一定会产生测量区域的平面法式位置偏差。最终，测量所得的应力结果也和工程实际相差甚远。

综上所述，当前面临的工程难题是面对薄壁球壳类零件的残余应力测量需求，如何结合现有的成熟XRD应力衍射技术，提供一种正确的应力重构方法保障应力场的正确计算，以及在测量过程保障球壳测量区域的平面法矢位置精确可靠。

发明内容

针对球壳类零件的车削加工变形问题，本发明提供了一种球壳类零件的残余应力场测量装置。本发明能够为各类球壳零件的全场残余应力精确重构提供数据支撑。

本发明通过下述技术方案实现：

一种球壳类零件的残余应力场测量装置，包括经纬仪和稳定平台；