残余应测量方法

申请号 CN201480060674.9 申请日 2014-11-06 公开(公告)号 CN105705925A 公开(公告)日 2016-06-22
申请人 株式会社神户制钢所; 发明人 山田真理子; 冲田圭介; 村上贤治; 宫川正宽;
摘要 本 发明 提供一种能够高 精度 地测量在具有圆柱状的轴部和板状部的对象体中连接该轴部和板状部的圆 角 面附近的残余应 力 的分布的方法,其中,所述板状部比该轴部的外周面向径向外侧突出。该方法包含反复进行测量循环,该测量循环包含切削所述对象体来形成新的切削面的步骤和测量所述切削面上的多个部位的残余 应力 的步骤。所述切削面是与所述轴部的中 心轴 同心的圆锥面或圆筒面,所述圆锥面或圆筒面的延长面在反复进行的所述测量循环中通过不变的基准 位置 。所述基准位置优选为在所述对象体的中央纵剖面上具有最大直径的所述圆角面的圆弧的中心位置。
权利要求

1.一种残余应测量方法,用于测量对象体的残余应力,其特征在于,
所述对象体具有:圆柱状的轴部;和比该轴部的外周面在整周上向径向外侧突出的板状部,其中,在连接所述轴部与所述板状部的部分设有圆面,
所述残余应力测量方法包含反复进行测量循环,所述测量循环包含:
切削所述对象体而形成新的切削面的步骤,其中,所述新的切削面是与所述轴部的中心轴同心的圆锥面或圆筒面,所述圆锥面或圆筒面的延长面在反复进行的所述测量循环中通过不变的基准位置;以及
测量所述切削面上的多个部位的残余应力的步骤。
2.根据权利要求1所述的残余应力测量方法,其特征在于:
所述基准位置是在所述对象体的中央纵剖面上包含于所述圆角面的圆弧中具有最大直径的圆弧的中心位置。
3.根据权利要求1或2所述的残余应力测量方法,其特征在于:
在测量所述切削面上的残余应力的步骤中,在所述圆锥面或圆筒面的棱线方向上排列的多个部位分别测量残余应力。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的残余应力测量方法,其特征在于:
在测量所述切削面上的残余应力的步骤中,测量所述圆锥面或圆筒面的棱线方向以及垂直于该棱线的切线方向的残余应力的成分。
5.根据权利要求1所述的残余应力测量方法,其特征在于,测量所述切削面上的残余应力的步骤包含:
在所述切削面上粘贴固定应变计的步骤;
从所述切削面切出包含所述应变计的小片的步骤;以及
使用所述应变计测量所述小片的释放应变的步骤。
6.根据权利要求5所述的残余应力测量方法,其特征在于,切出所述小片的步骤包含:
形成邻接于所述应变计的槽的步骤;以及
将工具插入于所述槽内,使用该工具切削所述切削面的下侧的部位并切断,从而分离该切削面的表层的步骤,其中,所述工具绕规定的旋转轴被旋转驱动,从而以沿垂直于该旋转轴的旋转径向切入加工物的方式进行切削。
7.根据权利要求1所述的残余应力测量方法,其特征在于还包含:
测量与所述对象体同等的第二对象体的残余应力的步骤,其中,
测量所述第二对象体的残余应力的步骤包含:
沿通过所述第二对象体的轴部的中心轴的两个平面切断所述第二对象体,从而获得由该两个平面划定的测量片的步骤;以及
测量在所述测量片的切断面上位于与所述圆锥面或圆筒面的棱线相对应的直线上的多个部位的残余应力的步骤。
8.根据权利要求7所述的残余应力测量方法,其特征在于:
在测量所述测量片的切断面上的多个部位的残余应力的步骤中,测量对应于所述圆锥面或圆筒面的棱线以及法线的方向的残余应力的成分。
9.根据权利要求7所述的残余应力测量方法,其特征在于,测量所述测量片的切断面上的多个部位的残余应力的步骤包含:
在所述测量片的切断面上,将多个第二应变计排列在对应于所述圆锥面或圆筒面的棱线的直线上并粘贴固定的步骤;以及
将所述测量片进一步切断而释放所述测量片的残余应力,从而使用各所述第二应变计测量释放应变的步骤。
10.根据权利要求7所述的残余应力测量方法,其特征在于还包含:
测量所述第二对象体的表面上的多个部位的残余应力的步骤。
11.根据权利要求10所述的残余应力测量方法,其特征在于:
在测量所述第二对象体的表面上的多个部位的残余应力的步骤中,测量所述第二对象体的表面与通过所述中心轴的平面的交线的方向以及垂直于该交线的方向的残余应力的成分。
12.根据权利要求10所述的残余应力测量方法,其特征在于,
测量所述第二对象体的表面上的多个部位的残余应力的步骤包含在所述第二对象体的表面粘贴固定第三应变计的步骤。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的残余应力测量方法,其特征在于:
所述对象体的所述轴部和所述第二对象体的所述轴部一体形成。

说明书全文

残余应测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种残余应力测量方法。

背景技术

[0002] 要求准确地测量结构物的内部的残余应力。这是因为,该残余应力影响该结构物的强度以及寿命。成为残余应力的发生源的热应变、塑性应变等应变被称为固有应变,提倡根据该固有应变计算出残余应力的固有应变法。固有应变法包含:测量因残余应力被释放而产生的释放应变(弹性应变)的步骤;通过使用有限元法的反分析,根据所测量的释放应变导出固有应变的分布的步骤;以及通过使用有限元法的正分析计算出残余应力的分布的步骤。
[0003] 例如,作为基于所述固有应变法测量轴状部件的残余应力的方法,已知有使用将结构物沿轴向切断的测量片(T片)和沿垂直于该T片的切断方向的方向切断的测量片(L片)的T-L法。具体而言,提倡包含:分别对所述T片和所述L片测量释放应变的步骤;在圆筒坐标上的模型,使用有限元法由所述释放应变导出固有应变的步骤;以及计算出残余应力的步骤的方法(参照日本专利公开公报特开2005-181172号、“利用固有应变法的焊接残余应力的测量”等)。
[0004] 固有应变法在其原理上并不一定需要直接测量想要测量的部位的释放应变。但是,释放应变的测量伴随误差,因此,测量在初期状态下残余应力更高的位置的释放应变,才可提高残余应力的预测精度。因此,优选在残余应力的梯度陡峭的部分设定更多的测量点。但是,缩小切断对象体的间隔在物理上有极限,如果适用以往的TL法,有时残余应力的梯度陡峭的部分包含在一个切断片中。因此,根据结构物的形状,有时残余应力的算出精度会不充分。
[0005] 尤其,在测量具备圆柱状的轴部和比该轴部的外周面更向径向外侧突出的板状部(凸缘)、且设有用于缓和应力集中于连接轴部和板状部的部分的圆面的结构物的残余应力的情况下,上述问题可能会变得显著。具体而言,在此种结构物中,所述圆角面成为最弱部位的可能性高,为了使最弱部位的圆角面高强度化,有时适用表面处理技术。在如此适用表面处理技术的圆角面附近集中分布残余应力。然而,在使用基于以往的T-L法的圆筒坐标模型的分析中,圆角面整体会包含在一个L片中,发生不能以充分的精度分析圆角面附近的局部性的残余应力分布的问题。
[0006] 现有技术文献
[0007] 专利文献
[0008] 专利文献1:日本专利公开公报特开2005-181172号
[0009] 非专利文献
[0010] 非专利文献1:中長啓治、他5名「固有歪法による溶接残留応力の測定」、溶接学会論文集、平成21年3月、第27巻、第1号、P.104-113(中长启治、另5名“利用固有应变法的焊接残余应力的测量”,焊接学会论文集,2009年3月,第27卷,第1号,P.104-113)发明内容
[0011] 本发明的目的在于提供一种残余应力测量方法,能够高精度地测量具有圆柱状的轴部和从该轴部向径向突出的板状部、且在连接所述轴部和所述板状部的部分设有圆角面的对象体的该圆角面附近的残余应力的分布。
[0012] 该方法用于测量对象体的残余应力,所述对象体具有:圆柱状的轴部;和比该轴部的外周面在整周上向径向外侧突出的板状部,其中,在连接所述轴部与所述板状部的部分设有圆角面,所述残余应力测量方法包含反复进行测量循环,所述测量循环包含:切削所述对象体而形成新的切削面的步骤,其中,所述新的切削面是与所述轴部的中心轴同心的圆锥面或圆筒面,所述圆锥面或圆筒面的延长面在反复进行的所述测量循环中通过不变的基准位置;以及测量所述切削面上的多个部位的残余应力的步骤。附图说明
[0013] 图1是表示本发明的一实施方式的残余应力测量方法的流程的流程图
[0014] 图2是表示通过图1的残余应力测量方法测量残余应力的轴状部件的剖视图。
[0015] 图3是从所述轴状部件切出的对象体的剖视图,是表示在图1所示的逐次切削释放应变测量步骤依次形成的切削面的图。
[0016] 图4是表示图1所示的逐次切削释放应变测量步骤的详细的流程的流程图。
[0017] 图5A是表示图4所示的基准位置决定步骤决定的基准位置的第一例的剖视图。
[0018] 图5B是表示图4所示的基准位置决定步骤决定的基准位置的第二例的剖视图。
[0019] 图5C是表示图4所示的基准位置决定步骤决定的基准位置的第三例的剖视图。
[0020] 图6是表示在图4所示的应变计粘贴固定步骤被粘贴固定应变计的对象体的例子的立体图。
[0021] 图7是表示在图4的邻接槽形成步骤被形成邻接槽的对象体的例子的立体图。
[0022] 图8是表示图4所示的邻接槽形成步骤的邻接槽的形成例子的对象体的剖视图。
[0023] 图9是表示图4所示的表层分离步骤的例子的对象体的剖视图。
[0024] 图10是表示通过图4的层分离步骤切出的小片的例子的俯视图。
[0025] 图11是表示图1所示的测量片切出以及释放应变测量步骤的详细的流程的流程图。
[0026] 图12是表示图11的表面测量片以及内部测量片切出步骤的对象体的切断方法的局部剖面立体图。
[0027] 图13是表示测量片中被粘贴固定应变计的位置的局部放大俯视图。
[0028] 图14是表示图1的逐次切削释放应变测量步骤以及测量片切出以及释放应变测量步骤的释放应变的测量方向的轴状部件的示意剖视图。
[0029] 图15是表示在图1的残余应力测量方法的实施例中测量的残余应力的分布的图。

具体实施方式

[0030] 下面,适当参照附图详细说明本发明的实施方式。
[0031] [残余应力测量方法]
[0032] 图1是表示测量轴状部件的残余应力的残余应力测量方法的流程图。下面,关于该残余应力测量方法,说明测量图2的轴状部件1的残余应力的情况。
[0033] 该残余应力测量方法包含图1所示的步骤S01、S02、S03、S04以及S05。步骤S01是从所述轴状部件1选取使用于实际的测量的多个对象体(试验片)的对象体选取步骤。步骤S02是使用一部分对象体进行基于逐次切削的释放应变的测量的逐次切削释放应变测量步骤。步骤S03是从剩下的对象体切出测量片并测量其释放应变的测量片切出以及释放应变测量步骤。步骤S04是根据在步骤S03测量的释放应变的分布,通过有限元法反分析来导出固有应变的分布的固有应变导出步骤。最后,步骤S05是根据所述固有应变的分布,通过有限元法正分析来计算出残余应力的分布的残余应力计算步骤。
[0034] 图2的轴状部件1包括圆柱状的轴2和在整周上比所述轴2的外周面向径向外侧突出的板状部3,并在所述轴2和所述板状部3的连接部分设有圆角面(fillet surface)5。具体而言,在图2例示的所述轴状部件1中,在所述轴2的沿其轴向以等间隔排列的四个位置分别设有所述板状部3,各板状部3呈圆盘状。
[0035] <对象体选取步骤>
[0036] 在图1的步骤S01、即对象体选取步骤,所述轴状部件1在图1中用两点划线所示的位置被切断,据此,选取互相呈相同的形状、且可视为残余应力相同的三个对象体4。各对象体4包含通过分割所述轴2获得的圆柱状的轴部2a和所述板状体3,该板状体3在所述轴部2a的轴向的中间位置,在整周上比该轴部2a的外周面向径向外侧突出。所述圆角面5位于所述轴部2a和所述板状部3的连接部分。在该实施方式中,为便于说明,将所述的三个对象体4中供于后面详述的步骤S02的逐次切削释放应变测量的两个对象体称为第一对象体4a,供于后面详述的步骤S03的测量片切出以及释放应变测量的一个对象体称为第二对象体4b。
[0037] <逐次切削释放应变测量步骤>
[0038] 图1的步骤S02、即基于逐次切削的释放应变测量步骤包含反复进行多次特定的测量循环来获得释放应变的操作。所述测量循环包含依次形成图3所示的切削面6的第一步骤和从各切削面6切出小片并利用应变计测量其释放应变的第二步骤。在所述第一步骤,伴随所述测量循环的反复,所述第一对象体4a反复被切削,从而多次形成所述切削面6,各切削面6是与所述轴部2a的中心轴C同心、且相对于该中心轴C的倾斜角分别以恒定的角度不同的圆锥面或圆筒面。
[0039] 图4表示图1的步骤S02的所述逐次切削释放应变测量步骤的详细的流程。该逐次切削释放应变测量步骤包含基准位置的设定(步骤S11)、切削角度以及测量循环的总数的决定(步骤S12)、反复进行所述总数的所述测量循环(步骤S13至步骤S19)的步骤。
[0040] 在步骤S11,基准位置Ps在所述第一对象体4a的外侧被决定于所述圆角面5的附近。如图5A所示,在所述第一对象体4a的中央纵剖面(通过中心轴C的平面)上所述圆角面5由具有单一的半径R1的圆弧形成的情况下,该基准位置Ps优选被决定在该圆弧的中心位置。如图5B所示,在所述圆角面5由具有互不相同的半径(R1、R2)的多个圆弧形成的情况下,基准位置Ps优选被决定于尤其在想要准确地知道残余应力的范围内具有最大半径(R1)的圆弧的中心。此外,如图5C所示,基准位置Ps也可以被决定于尤其在想要准确地知道残余应力的范围内长度最长的圆弧(小于半径R3的半径R1的圆弧)的中心。
[0041] 接着,在图4的步骤S12,决定图3所示的多个切削面6中互相邻接的切削面6之间的角度和所述测量循环的总数(切削次数)。互相邻接的切削面6之间的角度以使所述圆角面5与各切削面6的交点之间的距离大于后述的步骤S16的邻接槽的深度的方式被决定。测量循环的总数根据想要确认残余应力的范围和所述切削面6间的角度而被决定。在使用多个第一对象体4a的情况下,使互相等价的多个第一对象体4a的最初形成的切削面6的角度互不相同,并通过综合这些测量结果,能够使获得测量数据的切削面6的角度的间隔实质上变小。图3所示的切削面6之间的角度为20°,但通过使用两个第一对象体4a,能以10°间隔获得释放应变的测量值。
[0042] 步骤S13至步骤S19的步骤反复进行与如上所述地被决定的测量循环的总数相同的次数。即,所述测量循环反复进行该次数。
[0043] 在步骤S14,通过切削第一对象体4a而形成由圆锥面(或圆筒面)构成的新的切削面6。在步骤S15,如图6所示,在新形成的切削面6粘贴固定多个第一应变计7。
[0044] 这些第一应变计7分别被粘贴固定于沿切削面6(圆锥面或圆筒面)的棱线方向(包含在圆锥面的直线的方向)排列的多个部位。优选各第一应变计7在靠近圆角面5的区域以小间隔(例如6mm间隔)粘贴固定,越离开圆角面5以越大的间隔被粘贴固定。由于存在于旋转体、即第一对象体4a的残余应力以及固有应变在周向上等价,因此,如图示所示那样将第一应变计7分成在周向上排列的多个列,并以使第一应变计7的位置在列之间沿棱线方向上互相错开的方式粘贴固定,从而能够实质上缩小测量点的棱线方向的间隔。
[0045] 此外,各第一应变计7使用能够检测垂直的两个方向的应变的应变计,且优选将该第一应变计7定向为能够检测出切削面6的棱线方向D1以及垂直于该棱线方向的切线方向(周向)D2的应变。作为能够以如此方式排列的双轴的第一应变计7,例如可使用基底径4.5mm、应变计长度1mm且应变计宽度0.7mm的应变计。
[0046] 在粘贴固定第一应变计7后,在步骤S16,如图7所示地沿着在所述棱线方向排列的第一应变计7的列而形成邻接槽8。邻接槽8例如图8所示能够使用铣刀9来形成。邻接槽8也可以包围各个第一应变计7的方式形成。
[0047] 在步骤S17,从切削面6分离包含第一应变计7的列的带状的表层部分。该分离通过将工具、例如图9所示的T型槽铣刀10插入于邻接槽8内而进行。该T型槽铣刀10通过绕规定的旋转轴被旋转驱动,从而向侧方即垂直于该旋转轴的旋转径方向切入于加工物来进行切削。在图8及图9所示的例子中,第一应变计7的两侧的邻接槽8中的其中之一具有容许所述T型槽铣刀10垂直地即沿平行于其旋转轴的方向插入该邻接槽8内的大宽度。如此被插入的T型槽铣刀10从侧方切除第一应变计7的下层,从而能够从切削面6分离包含第一应变计7的列的带状的所述表层部分。通过将如此分离的带状的表层部分进一步在第一应变计7之间的位置切断,从而能够切出如图10所示分别包含第一应变计7的多个小片11。各小片11除第一应变计7而具有例如约2.3mm的厚度。通过从如此切出的小片11释放残余应力,在该小片11产生释放应变。该释放应变在步骤S18通过第一应变计7来测量。
[0048] 在步骤S19,如果反复进行与在步骤S12决定的数相同的次数的测量循环,则该逐次切削释放应变测量步骤结束。在测量循环的反复次数不足所述决定的次数的情况下,反复进行步骤S14至步骤S18的步骤。
[0049] <测量片切出以及释放应变测量步骤>
[0050] 图11表示图1的步骤S03的步骤、即切出测量片并测量释放应变的测量片切出以及释放应变测量步骤的详细的流程。
[0051] 在该测量片切出以及释放应变测量步骤,如图12所示,通过切断第二对象体4b来切出内部测量片12以及表面测量片13。内部测量片12供于如图13所示那样使用多个第二应变计7a进行的第二对象体4b内部的释放应变的测量,表面测量片13供于如图12所示那样在圆角面5上粘贴固定第三应变计7b而进行的圆角面5的表面的释放应变的测量。
[0052] 如果详细说明,在该测量片切出以及释放应变测量步骤,首先,在步骤S21,如图12所示地在第二对象体4b的圆角面5的多个部位分别粘贴固定多个第三应变计7b。各个粘贴固定部位被设定在使各第三应变计7b的中心位于通过轴部2a的中心轴C的平面上。各第三应变计7b优选被定向为能够分别检测出第二对象体4b的表面与通过中心轴C的平面的交线的方向以及垂直于该交线的方向(周向D2)的应变。接着,在步骤S22,如图12所示,用锯沿平面切断第二对象体4b,从而切出多个内部测量片12以及多个表面测量片13。
[0053] 在图示的实施方式中,各内部测量片12被在中心轴C上以5°的角度相交的两个平面(中央纵剖面)划定,表面测量片13被在中心轴C上以10°的角度相交的两个平面(中央纵剖面)划定。在该实施方式中,互相邻接的两个表面测量片13被切出,从这两个表面测量片13的两侧分别切出一个内部测量片12。对象体的切断间隔在物理方面是有极限的,但是在切出内部测量片12以及表面测量片13时,在沿所述中央纵剖面切断第二对象体4b之前,通过垂直于将两个表面测量片13之间分离的切断面且平行于中心轴C的两个切断面预先切除第二对象体4b的中央部,由此能够切出所述各内部测量片12。如此被切出的内部测量片12以及表面测量片13分别呈中心轴C侧的部分被切除的形状。
[0054] 使用如此被切出的内部测量片12,在步骤S23进行X射线残余应力测量。在该X射线残余应力测量中设有极坐标,以该极坐标作为基准决定测量点。所述极坐标被设定为:在所述内部测量片12的中央纵剖面上,对应于所述的逐次切削释放应变测量步骤中的、构成第一对象体4a的切削面6的圆锥面或圆筒面的棱线。所述测量点之间的间隔也可小于第一应变计7的粘贴固定间隔(例如0.5mm)。
[0055] 然后,在步骤S24,该残余应力被换算成与释放应变等价的值,以便能够将在步骤S23测量的残余应力与其它的测量值一起利用。
[0056] 进一步,在步骤S25,如图13所示地在内部测量片12上排列所述多个第二应变计7a并粘贴固定。这些第二应变计7a分别被配置于在对应于所述的逐次切削释放应变测量步骤中构成第一对象体4a的切削面6的圆锥面或圆筒面的棱线的直线上排列的多个部位。而且,第二应变计7a优选以与第一对象体4a的切削面6中的第一应变计7相同的间隔被粘贴固定,也就是说,被粘贴固定于与逐次切削释放应变测量中的释放应变的测量位置相一致的位置。此外,这些第二应变计7a被定向为检测出对应于构成第一对象体4a的切削面6的圆锥面或圆筒面的棱线的方向D1以及构成第一对象体4a的切削面6的圆锥面或圆筒面的法线方向D3的应变。
[0057] 然后,在步骤S26,通过进一步切断内部测量片12以及表面测量片13,包含第二应变计7a以及第三应变计7b的部分的残余应力分别被释放,在步骤S27,通过第二应变计7a以及第三应变计7b分别测量释放应变。
[0058] 步骤S23中的利用X射线的残余应力的测量虽然在理论上具有高精度,能够使测量间隔缩小,但是由于表面粗度等的测量条件的影响大,因此,想要高精度地进行测量则相当费力。另一方面,步骤S25至步骤S27的使用第二应变计7a的第二对象体4b内部的释放应变的测量,虽然测量间距根据第二应变计7a的大小而有制约,但是能够较容易地进行测量。因此,在步骤S27,通过组合利用将使用X射线测量的残余应力的测量值在步骤S24换算为释放应变的值和在步骤S25至步骤S27中使用第二应变计7a测量的释放应变的测量值,能够获得准确性和简易性的平衡。
[0059] 如图14所示,作为以中央纵剖面上的基准位置Ps为中心的极坐标上的各测量点的释放应变的测量数据,测量切削面6的棱线方向即D1方向的成分、垂直于该D1方向且垂直于坐标平面的方向(第一对象体4a以及第二对象体4b的周向)即D2方向的成分、以及在内部测量片12中垂直于D1方向以及D2方向的D3方向的成分。由此,能够三维地获得各测量点的释放应变的互相垂直的三个方向的全部成分,因此,固有应变的导出精度提高,且容易运算。
[0060] <固有应变导出步骤>
[0061] 在图1的步骤S04、即固有应变导出步骤,基于在步骤S03获得的释放应变的数据,通过有限元法的反分析导出固有应变的分布。
[0062] 在此,释放应变(弹性应变)与固有应变之间的关系用下述的式(1)表示。
[0063] {mε}=[H]{ε*}···(1)
[0064] 其中,{mε}:释解放应变(弹性应变)
[0065] {ε*}:分布于物体内的固有应变
[0066] [H]:表示{ε*}与{mε}的关系的弹性响应矩阵
[0067] 弹性相应矩阵[H]表示相对于所测量的释放应变的测量条件(测量形状)的固有应变成分的灵敏度。也就是说,矩阵[H]的成分依赖于测量形状,通过求出向各个固有应变成分赋予单位应变时的弹性响应的反复计算而算出。
[0068] 此外,由于所测量的释放应变一定会包含误差,因此,固有应变的最概然值和释放应变之间存在如下式(2)的关系。
[0069]
[0070] 其中, 固有应变的最概然值
[0071] {ν}:残差
[0072] [H]的缩小矩阵
[0073] 固有应变成分的最概然值根据使残差的平方和最小的条件而唯一地被赋予(最小平方法)。近年来,适用以函数表示在物体内分布的固有应变的方法的情况较多。不是直接计算固有应变,而是通过计算所设定的函数的系数值,从而求出固有应变分布。此时,取代式(1)以及式(2)的固有应变成分以及最概然值,分布函数的系数作为未知数而被计算出。通过利用此种函数表示,能够大幅度减少未知数的数量。
[0074] <残余应力计算步骤>
[0075] 在该残余应力测量方法中,最后在图1的步骤S05、即残余应力计算步骤,基于在步骤S04导出的固有应变的分布,通过有限元法的正分析计算出残余应力的分布。
[0076] 最初存在于对象体4的残余应力与固有应变之间关系用下述式(3)表示。
[0077] {σ}=[M]{ε*}···(3)
[0078] 其中,{σ}:残余应力
[0079] [M]:表示{ε*}与{σ}的关系的弹性响应矩阵
[0080] 表示固有应变与残余应力之间的关系的弹性响应矩阵通过有限元分析导出。
[0081] <优点>
[0082] 该残余应力测量方法包含:在第一对象体4a依次形成由通过基准位置Ps的圆锥面或圆筒面形成的切削面6的步骤;以及通过从该切削面切出小片11,测量在中央纵剖面上以基准位置Ps为中心的极坐标上设定的多个测量点的释放应变的步骤,据此,在第一对象体4a的内部的圆角面5的附近设定大量的测量点来测量各测量点的应变,因此,能够详细地测量圆角面5的附近的残余应力分布。
[0083] 而且,在该残余应力测量方法中,使用以两个中央纵剖面切断与第一对象体4a同等的第二对象体4b而从该第二对象体4b切出的内部测量片12,在与对第一对象体4a设定的测量点相对应的测量点,测量在第一对象体4a测量的两个方向D1、D2的释放应变以及垂直于该方向D1、D2的方向D3的释放应变。据此,作为各测量点的释放应变的数据获得所有的垂直三维成分,因此,能够测量准确的固有应变,进而能够测量准确的残余应力。此外,在第二对象体4b的表面,也测量方向D2和垂直于该方向D2的方向的释放应变,因此,残余应力的测量精度提高。
[0084] [其它实施方式]
[0085] 本说明书公开的实施方式在所有点上均为例示,不应认为用来限制本发明。本发明的范围并不限定于所述实施方式的结构,其由权利要求来表示,意味着包含与权利要求等同的意思以及范围内的所有的变更。
[0086] 所述残余应力测量方法的主题是形成由与对象体的轴部同心且通过基准位置的圆锥面或圆筒面构成的切削面,并分析该切削面的应变。因此,其以外的步骤可省略或置换为其它步骤。例如,使用内部测量片12以及表面测量片13的测量不是必需的步骤。此外,例如代替基于使用应变计7的释放应变的测量而进行的分析,也可通过X射线衍射法、中子衍射法、声弹性法等对各切削面的应变进行非破坏测量。
[0087] 在该残余应力测量方法中,用于从切削面6切出小片11的工具只要是能够以沿垂直于其旋转轴的旋转径向切入加工物的方式进行切削的工具即可,也可代替T型槽铣刀10而使用V槽铣刀那样的工具。
[0088] 此外,在该残余应力测量方法中,第一对象体4a和第二对象体4b并不限定于从同一个轴状部件1切出,也可以从分别独立的轴状部件1切出。
[0089] 而且,也可以任意地增加第一对象体4a以及第二对象体4b的个数,使切削面6的角度差成为更小的角度。
[0090] 此外,在该残余应力测量方法中,基准位置Ps并不限定于圆角面5的圆弧的中心,只要是能够缩小想要详细地求出残余应力的部分的测量点的间隔(依次形成的切削面间的间隔)的位置即可。
[0091] [实施例]
[0092] 下面通过实施例进一步详细说明本发明,但本发明并不限定于这些实施例。
[0093] 基于所述的实施方式,在图15中示出通过该残余应力测量方法测量的残余应力在中央纵剖面上的分布。使用于该测量的第一对象体和第二对象体具有直径为280mm的轴部和厚度为80mm及直径为500mm的板状部,在轴部与板状部之间设有圆角面,该圆角面的主要部分具有22mm的半径。
[0094] 如图15所示,在该残余应力测量方法中,能够求出详细的残余应力的分布。
[0095] 产业上的可利用性
[0096] 作为适用该残余应力测量方法的轴状部件例如有曲轴。将曲轴的轴部作为轴部、将臂和配重为一体的腹板作为板状部,当然能适用该残余应力测量方法,而且将销作为轴部、将臂作为板状部而也能适用该残余应力测量方法。该残余应力测量方法也能利用于曲轴以外的多种结构物的分析。
[0097] 如上所述,根据本发明,提供一种残余应力测量方法,能够高精度地测量具有圆柱状的轴部和比该轴部的外周面向径向外侧突出的板状部、且在连接该轴部和该板状部的部分设有圆角面的对象体的该圆角面附近的残余应力的分布。
[0098] 该方法用于测量对象体的残余应力,所述对象体具有:圆柱状的轴部;和比该轴部的外周面在整周上向径向外侧突出的板状部,其中,在连接所述轴部与所述板状部的部分设有圆角面,所述残余应力测量方法包含反复进行测量循环,所述测量循环包含:切削所述对象体而形成新的切削面的步骤,其中,所述新的切削面是与所述轴部的中心轴同心的圆锥面或圆筒面,所述圆锥面或圆筒面的延长面在反复进行的所述测量循环中通过不变的基准位置;以及测量所述切削面上的多个部位的残余应力的步骤。
[0099] 在该残余应力测量方法中,反复形成通过所述基准位置的圆锥面或圆筒面即切削面,这使得具有稠密地设定基准位置附近的测量的特征,据此,缩小残余应力的测量点的间隔,能够获得大量的测量数据。其结果,该残余应力测量方法能够高精度地测量圆角面附近的残余应力的分布。
[0100] 在该残余应力测量方法中,所述基准位置优选是在所述对象体的中央纵剖面上包含于所述圆角面的圆弧中具有最大直径的圆弧的中心位置。该中心位置是用于在中央纵剖面上表示释放应变的测量点的位置的极坐标(局部坐标)的原点,因此,通过如上所述地将圆角面的最占支配地位的圆弧的中心设为基准位置,能够在圆角面的附近配置大量的测量点。据此,固有应变的测量精度提高,进而残余应力的测量精度提高。
[0101] 此外,优选:在测量所述切削面上的残余应力的步骤中,在所述圆锥面或圆筒面的棱线方向上排列的多个部位分别测量残余应力。如此地设定在棱线方向排列的多个测量点,实质上对圆筒面或圆周面的整体,能够高效率地测量对象体的固有应变的分布。此外,在棱线方向上排列的多个测量点的位置也可以在周向上被分割为锯齿状。另一方面,在对象体不是轴状的情况下,通过使在所述圆锥面或圆筒面的棱线方向上排列的多个测量位置在周向上分散,能够针对圆筒面或圆周面的整体测量对象体的固有应变的分布。
[0102] 优选在测量所述切削面上的残余应力的步骤中,测量所述圆锥面或圆筒面的棱线方向以及垂直于该棱线的切线方向的残余应力的成分。据此,由于中央纵剖面上的涉及测量点的配置的极坐标的动径方向(从原点观察的测量点的方向)与应变计的测量方向一致,因此。分析变得容易。
[0103] 另外,在该残余应力测量方法中,测量所述切削面上的残余应力的步骤优选包含:在所述切削面上粘贴固定应变计的步骤;从所述切削面切出包含所述应变计的小片的步骤;以及使用所述应变计测量所述小片的释放应变的步骤。该释放应变的测量能够使残余应力的测量准确。
[0104] 此外,在该残余应力测量方法中,切出所述小片的步骤优选包含:形成邻接于所述应变计的槽的步骤;以及将工具插入于所述槽内,使用该工具切削所述切削面的下侧的部位并切断,从而分离该切削面的表层的步骤,其中,所述工具绕规定的旋转轴被旋转驱动,从而以沿垂直于该旋转轴的旋转径向切入加工物的方式进行切削。使用此种工具进行切削来切出小片,从而能够使形成于切削面表面的切削槽浅。这使得所形成的切削面与下一个切削面的角度差变小,据此,能够稠密地设定测量点,能够提高固有应变的测量精度,进而提高残余应力的测量精度。
[0105] 另外,该残余应力测量方法优选还包含:测量与所述对象体同等的第二对象体的残余应力的步骤,其中,测量所述第二对象体的残余应力的步骤包含:沿通过所述第二对象体的轴部的中心轴的两个平面切断所述第二对象体,从而获得由该两个平面划定的测量片的步骤;以及测量在所述测量片的切断面上位于与所述圆锥面或圆筒面的棱线相对应的直线上的多个部位的残余应力的步骤。据此,能够使测量点更多,由此进一步提高残余应力的测量精度。
[0106] 在测量所述测量片的切断面上的多个部位的残余应力的步骤中,优选测量对应于所述圆锥面或圆筒面的棱线以及法线的方向的残余应力的成分。将第二对象体的测量片的残余应力的测量方向中的一方向设为涉及测量点的配置的极坐标的动径方向,由此运算变得容易。此外,将第二对象体的测量片的残余应力的测量方向中的另一方向设为与对象体的切削面的法线相对应的方向,由此,能够测量在对象体的切削面不能测量的方向的残余应力的成分。因此,该残余应力测量方法能够更准确地测量残余应力。
[0107] 此外,在该残余应力测量方法中,优选测量所述测量片的切断面上的多个部位的残余应力的步骤包含:在所述测量片的切断面上,将多个第二应变计排列在对应于所述圆锥面或圆筒面的棱线的直线上并粘贴固定的步骤;以及将所述测量片进一步切断而释放所述测量片的残余应力,从而使用各所述第二应变计测量释放应变的步骤。如此地通过在第二对象体中也测量释放应变,能够更准确地测量残余应力。
[0108] 此外,该残余应力测量方法优选还包含测量所述第二对象体的表面上的多个部位的残余应力的步骤。如此地测量第二对象体的外表面的残余应力,能够进一步提高残余应力的测量精度。
[0109] 另外,优选在测量所述第二对象体的表面上的多个部位的残余应力的步骤中,测量所述第二对象体的表面与通过所述中心轴的平面的交线的方向以及垂直于该交线的方向的残余应力的成分。在该测量中,第二对象体的表面上的残余应力的测量方向中的一方向与涉及测量点的配置的极坐标的偏角方向一致,因此,分析变得容易。
[0110] 此外,在该残余应力测量方法中,优选测量所述第二对象体的表面上的多个部位的残余应力的步骤包含在所述第二对象体的表面粘贴固定第三应变计的步骤。由此,配合使用第二应变计的释放应变的测量,还使用第三应变计测量第二对象体的外表面的释放应变,这能够提高残余应力的测量精度。
[0111] 另外,在该残余应力测量方法中,优选所述对象体的所述轴部和所述第二对象体的所述轴部一体形成。通过从一个结构体选取对象体和第二对象体,能够减少在该残余应力测量方法中使用的样本的数量。
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