盲孔法测残余应力原理及几种打孔方式简介[1]

第15届全国残余应力学术交流会论文盲孔法测残余应力原理及几种打孔方式简介王晓洪赵怀普（郑州机械研究所河南郑州450052）引言机械零部件和构件在制造加工的过程中由于不同的制造工艺，例如铸造、切削、焊接、热处理等，都会在材料中产生残余应力。

残余应力的存在，一方面工件会降低强度，使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷；另一方面又会在制造后的自然释放过程中使工件的尺寸发生变化或者使其疲劳强度等力学性能降低,从而影响到它们的使用安全性。

因而，了解残余应力的状态对于确保工件的安全性和可靠性有着非常重要的意义。

目前，比较成熟且普遍应用的残余应力测试方法分为两大类：无损检测法和机械检测法。

无损法在检测过程中不对工件产生创伤，机械法在测量的过程中要对工件体做全部或部分的破坏，例如切割法（又称剖分法）和环芯法对工件的破坏较大，而盲孔法对工件的破坏较小，因而盲孔法又称半无损法。

本文主要针对盲孔法的原理和几种打孔方式给于介绍。

一、盲孔法测残余应力的基本原理盲孔法最早由由德国人J.Mathar于1934年首先提出，以后经长期不断地改进和完善，目前已成为应用最广泛的残余应力测量方法之一。

美国材料试验协会ASTM已于1981年制订了测量标准（2）。

盲孔法测量残余应力的原理如图1所示，假设一个各向同性材料上某一区域内存在一般状态的残余应力场，其最大、最小主应力分别为σ1和σ2，在该区域表面上粘贴一专用应变花，在应变花中心打一小孔，引起孔边应力释放，从而在应变花丝删区域内产生释放应变，根据应变花测量的释放应变就可以计算出残余应力：图1 盲孔法残余应力测量原理图()()()()⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧---=--+-++=--+--+=1331223122313122312231311222)(442)(44εεεεεθεεεεεεεσεεεεεεεσtgBEAEBEAE(1)式（1）中：ε1、ε2、ε3—三个方向释放应变；σ1、σ2 —最大、最小主应力；θ—σ1与1号片参考轴的夹角；E —材料弹性模量；A、B —两个释放系数。

其中A、B系数与钻孔的孔径、应变花尺寸、孔深有关（1）。

盲孔法测残余应力的误差主要有以下几个因素：1、应变片的粘贴质量。

应变片粘贴不好会引起数据漂移和精度下降。

σ1122、钻孔装置安装时的对中偏心引起的误差。

钻孔前必须用专用对中显微镜调整中心位置。

3、钻孔时产生的附加应变。

它可以用两次钻孔并改变钻速的方法减小附加应变。

4、释放系数A、B值的误差。

盲孔法的优点在于：1、由于其打孔直径小，对材料破坏性较小，可以测量较小范围内的应力，可以广泛地应用于各种零部件和构件的实际测量中。

适于测量梯度变化比较大的残余应力场，如焊接应力场。

但盲孔法也有其自身的缺点：1、盲孔法测量中的应力释放属于部分释放，释放应变测量灵敏度只有剖分法的25%，因此盲孔法测量精度低，不太适合低水平残余应力测量。

2、盲孔法测量的仅仅是表面残余应力，无法测量材料内部的残余应力。

二、盲孔法测残余应力的几种打孔方法1、钻孔打孔法钻孔打孔是盲孔法残余应力测量中最简单的打孔方式。

图2 ZDL-Ⅱ型盲孔法钻孔装置目前，我国盲孔法残余应力测量中，应用最多的就是钻孔打孔，该方法采用普通的麻花钻打孔，对中定位支架经过合理设计可在不同构件的平面、曲面、角焊缝、直角边等处进行灵活地定位打孔，操作简单，易于掌握，尤其适于现场测量。

该设备的主要技术指标有：对中精度、钻孔直径、钻孔深度等。

钻孔打孔法的优点在于其操作比较简单，且设备价格较便宜。

目前郑州机械研究所生产的的ZDL—Ⅱ型钻孔装置已是国内市场很成熟的产品（见图2）。

钻孔打孔的缺点在于它在钻孔时产生的加工应变，这种加工应变是由刀具切削金属时对孔壁的挤压造成的。

这种附加应变有很大的不确定性，影响了残余应力测量精度。

减小钻孔加工应变首先可以从操作上入手，例如要钻φ1.5的孔，可以首先钻φ1.0，再钻φ1.5，并且在钻φ1.5的孔时降低钻机的转速，这样就可以明显减小加工应变。

另外也可以近似地从测量释放应变中直接减去实验标定出的加工应变。

郑州机械研究所生产的钻孔装置还采用专用的短柄麻花钻，以减小钻头旋转时的摆动幅度，进一步降低加工应变。

2、喷砂打孔法喷砂打孔法示意图如图3（1）图3 喷砂打孔法示意图其原理是压缩空气在气砂混合罐中把AL 203粉带出，通过旋转的喷嘴对应变片中心打孔。

这种打孔方式是一种磨削过程，由于其切削量很小，因而打孔引起的加工应变也很小。

调节喷嘴旋转的偏心距可以打出不同孔径的孔。

调节喷嘴和工件表面的距离，可以改变打孔的速度。

磨削过的粉尘通过装置上的出口被吸尘器吸走。

喷砂打孔法按照下式计算残余应力：23122311211213123122311211213123122311212311)](2[)()/1(24)/1(24)()](2[)()/1(2)/1(2)()](2[)(/11/121εεεεεεεεεεεεεεεεεεεεεσ+-+-+⋅---⋅-+-=+-+-+⋅---⋅+-=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧+-+-+--+⋅-=K vK KEK vK K E K vK K EK vK K E KvK K vK E K与式（1）中的δ1比较，经过转换、计算得：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⋅+-=+-=⋅--=--=112121112121/12/1)/1(2/12/1)/1(2K K vK K vK K B K K vK K vK K A 将试验标定值vK 2/K 1 = 0.31代入得：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=11/1655.0/1345.0K B K A 又根据实验标定曲线拟合公式：1/K 1 ≈32.8-36d+14.8d 2-216d 3（d 为孔径：mm ）由以上可知，只要给定直径“D ”的值，就可以计算出A 、B 值了。

目前国内有郑州机械研究所生产的PSJ-Ⅱ型喷砂打孔装置，如图4所示。

在使用时配有气源和吸尘器。

其中发明的气砂混合灌获得国家发明专利，主要技术指标：对中精度±0.025mm ，打孔直径1－3.0mm ，打孔深度0－3.0mm ，喷嘴口径0.46mm ，工作压力0.4－0.6MPa ，打孔磨料280目AL 2O 3粉。

图4 PSJ-Ⅱ型喷砂打孔装置 喷砂打孔的特点是，由于其特殊的打孔方式，打孔不受材料限制，能在高硬度钢、淬过火的零件、玻璃、陶瓷以及不锈钢等材料上打孔，并且其是磨蚀打孔，加工应变极小，可以大大提高测量的精度。

其缺点是操作过程比较复杂，不如钻孔装置简单。

3、高速透平铣孔高速透平铣孔是美国标准ASTM: E837-2001推荐的盲孔法打孔方式之一。

上世纪70年代，美国VISHAY 公司就研制了RS-200高速透平铣孔装置，如图5所示。

图5 RS-200高速透平铣装置 高速透平铣孔装置的工作原理是，在三角形定位装置中安装高速透平组件，在组件的底端的夹头处装有专用铣刀，另一端有气管联出，接在气源上。

压缩空气通过高速透平组件带动特制的倒锥型铣刀以400000rpm的转速来切削铣孔。

调节铣刀偏心，可改变打孔孔径。

主要技术指标：对中精度±0.025mm，打孔直径0.8－4.0mm，打孔深度0－3.0mm，工作压力0.2－0.3MPa。

用高速透平铣孔方式测残余应力的计算公式同钻孔打孔法。

高速透平铣孔的优越性在于，不但能在钻孔装置不能钻孔的高硬度材料上铣孔，而且由于铣孔转速高、进刀量小以及采用特殊的倒锥型铣刀，所以加工应变很小。

同时，高速透平装置使用也比较方便，不像喷砂打孔装置那样操作复杂。

因此，高速透平铣孔装置成为目前发达国家应用较多的盲孔法残余应力测量装置。

图6 高速铣刀和普通钻头比较美国VISHAY公司的高速透平铣孔装置有一个缺点，就是铣孔时需要人工进刀，铣孔速度慢，铣一个测量孔需要15－30分钟。

为此，德国HBM公司研制了全自动的高速透平铣孔装置，如图7所示，克服了上述缺点，但价格非常昂贵。

为了引进国际上先进技术，提高国内测试设备水平，郑州机械研究所经过几年努力，已经生产出了我国第一批国产的高速透平铣孔装置，该装置即保持其高性能技术要求，又降低了生产成本，大大提高了性价比。

目前这款设备投入市场后开始在国内有关单位使用。

图7 HBM公司的全自动高速透平铣孔装置三、发展趋势分析盲孔法测残余应力是一种理论完善、技术成熟、应用十分广泛的测量方法。

目前国内盲孔法残余应力测量中使用较多的还是手电钻钻孔法，它具有成本较低、操作较为简单的特点，这种设备一般都是便携式，不但实验室使用方便，也能很方便的在生产、施工现场应用，因而广泛应用于工矿企业、大专院校和科研院所。

但钻孔法测量的缺点也是显而易见的，它钻孔时产生的加工应变较大，比较适合用于象焊接这样高残余应力值的测量，对那些残余应力值较低的零部件，钻孔时产生的加工应变会对测量的精度产生一定的影响。

高速透平铣孔方式基本克服了钻孔法的缺点，由于它特殊的高速切削方式，所产生的加工应力很小，并且它能在各种材料上铣孔，应用范围更广泛，测量精度更高。

随着国家科研水平的提高和生产的发展，对残余应力测量准确性的要求也越来越高，高速透平铣孔方式的优点将会被越来越多的认识，高速透平铣孔方式也会被更广泛的应用。

参考文献：1、印兵胜：《盲孔法测量残余应力测试技术》2、美国ASTM标准：E837-81 《用钻孔应变测量决定残余应力的标准方法》。