Метод сверления отверстий - Hole drilling method

Метод сверления отверстий это метод измерения остаточных напряжений,[1][2] в материале. Остаточный стресс возникает в материале при отсутствии внешних нагрузок. Остаточное напряжение взаимодействует с приложенной к материалу нагрузкой, влияя на общую прочность, усталость и коррозионные характеристики материала. Остаточные напряжения измеряются экспериментально. Метод сверления отверстий - один из наиболее часто используемых методов измерения остаточного напряжения.[3]

Метод сверления отверстий позволяет измерять макроскопические остаточные напряжения вблизи поверхности материала. Принцип основан на просверливании небольшого отверстия в материале. Когда материал, содержащий остаточное напряжение, удаляется, оставшийся материал достигает нового состояния равновесия. Новое состояние равновесия связано с деформациями вокруг просверленного отверстия. Деформации связаны с остаточным напряжением в объеме материала, который был удален путем сверления. Деформации вокруг отверстия измеряются во время эксперимента с помощью тензодатчиков или оптических методов. Исходное остаточное напряжение в материале рассчитывается на основе измеренных деформаций. Метод сверления отверстий популярен благодаря своей простоте и подходит для широкого спектра применений и материалов.

Ключевые преимущества метода сверления отверстий включают быструю подготовку, универсальность техники для различных материалов и надежность. И наоборот, метод сверления отверстий ограничен по глубине анализа и геометрии образца и является, по крайней мере, полуразрушающим.

Метод сверления отверстий для измерения остаточных напряжений - деталь концевой фрезы в измерительном приборе.

История и развитие

Идея измерения остаточного напряжения путем сверления отверстия и регистрации изменения диаметра отверстия была впервые предложена Матаром в 1934 году. В 1966 году Рендлер и Вигнис ввели систематическую и повторяемую процедуру сверления отверстий для измерения остаточного напряжения. В последующий период метод получил дальнейшее развитие с точки зрения методов бурения, измерения ослабленных деформаций и самой оценки остаточных напряжений. Очень важной вехой является использование метода конечных элементов для расчета калибровочных коэффициентов и оценки остаточных напряжений на основе измеренных ослабленных деформаций (Schajer, 1981). Это позволило, в частности, оценить остаточные напряжения, непостоянные по глубине. Это также предоставило дополнительные возможности использования метода, например, для неоднородных материалов, покрытий и т. Д. Процедура измерения и оценки стандартизирована стандартом ASTM E837.[4] Американского общества испытаний и материалов, что также способствовало популярности метода. Просверливание отверстий в настоящее время является одним из самых распространенных методов измерения остаточного напряжения. Для оценки используются современные вычислительные методы. Метод разрабатывается, в частности, с точки зрения техники сверления и возможностей измерения деформаций.

Основные принципы

Метод сверления отверстий для измерения остаточных напряжений основан на сверлении небольшого отверстия в поверхности материала. Это снимает остаточные напряжения и связанные с ними деформации вокруг отверстия. Ослабленные деформации измеряются как минимум в трех независимых направлениях вокруг отверстия. Затем исходное остаточное напряжение в материале оценивается на основе измеренных деформаций и с использованием так называемых калибровочных коэффициентов. Отверстие проделывают цилиндрической концевой фрезой или другими способами. Деформации чаще всего измеряют с помощью тензодатчиков (тензометрических розеток).

Принцип метода сверления отверстий для измерения остаточного напряжения.

Двуосное напряжение в плоскости поверхности можно измерить. Метод часто называют полудеструктивным из-за небольшого материального ущерба. Метод относительно простой, быстрый, измерительный прибор обычно портативный. К недостаткам можно отнести деструктивный характер метода, ограниченное разрешение и более низкую точность оценки в случае неоднородных напряжений или неоднородных свойств материала.

Так называемые калибровочные коэффициенты играют важную роль в оценке остаточного напряжения. Они используются для преобразования снятых деформаций в исходное остаточное напряжение в материале. Коэффициенты могут быть теоретически получены для сквозного отверстия и однородного напряжения. Тогда они зависят только от свойств материала, радиуса отверстия и расстояния от отверстия. Однако в подавляющем большинстве практических приложений предварительные условия для использования теоретически полученных коэффициентов не выполняются, например, интегральная деформация по площади тензометра не учитывается, отверстие является глухим, а не сквозным и т. Д. Следовательно, коэффициенты, учитывающие учет практических аспектов измерения используются. В большинстве случаев они определяются численным расчетом с использованием метода конечных элементов. Они выражают связь между снятыми деформациями и остаточными напряжениями с учетом размера отверстия, глубины отверстия, формы тензометрической розетки, материала и других параметров.

Сетка МКЭ для расчета калибровочных коэффициентов для метода измерения остаточных напряжений при бурении скважин.

Оценка остаточных напряжений зависит от метода, используемого для их расчета по измеренным снятым деформациям. Все методы оценки построены на основных принципах. Они различаются предварительными условиями использования, требованиями к точности калибровочных коэффициентов или возможностью учета дополнительных влияний. Как правило, отверстие выполняется последовательными шагами, и уменьшенные деформации измеряются после каждого шага.

Методы оценки остаточного напряжения

Для оценки остаточных напряжений от снятых деформаций разработано несколько методов. Основным методом является метод эквивалентного равномерного напряжения. Коэффициенты для конкретного диаметра отверстия, типа розетки и глубины отверстия опубликованы в стандарте ASTM E837.[4] Метод подходит для постоянного или мало меняющегося напряжения по глубине. Его можно использовать в качестве ориентира для непостоянных напряжений, однако этот метод может давать сильно искаженные результаты.

Самый общий метод - это интегральный метод. Он рассчитывает влияние снятого напряжения на заданную глубину, которая, однако, изменяется с общей глубиной отверстия. Коэффициенты калибровки выражаются в виде матриц. Оценка приводит к системе уравнений, решением которой является вектор остаточных напряжений на определенных глубинах. Для получения калибровочных коэффициентов требуется численное моделирование. Интегральный метод и его коэффициенты определены в стандарте ASTM E837.[4]

Схема оценки остаточных напряжений интегральным методом. Форма калибровочных коэффициентов в зависимости от глубины отверстия и положения в отверстии.

Существуют и другие методы оценки, которые предъявляют более низкие требования к калибровочным коэффициентам и самому процессу оценки. К ним относятся метод среднего напряжения и метод дополнительной деформации. Оба метода основаны на предположении, что изменение деформации вызвано исключительно снятием напряжения на просверленном приращении. Они подходят только при небольших изменениях профилей напряжений. Оба метода дают численно правильные результаты для равномерных напряжений.

Метод степенных рядов и сплайновый метод другие модификации интегрального метода. Оба они учитывают как расстояние воздействия напряжения от поверхности, так и общую глубину отверстия. В отличие от интегрального метода результирующие значения напряжений аппроксимируются полиномом или сплайном. Метод степенных рядов очень стабилен, но не может улавливать быстро меняющиеся значения напряжений. Сплайн-метод более устойчив и менее подвержен ошибкам, чем интегральный метод. Он может фиксировать фактические значения напряжения лучше, чем метод степенных рядов. Основным недостатком является сложность математических расчетов, необходимых для решения системы нелинейных уравнений.

Используя метод сверления отверстий

В метод бурения скважин находит свое применение во многих промышленных областях, связанных с производством и обработкой материалов. Наиболее важные технологии включают термообработку, механическую и термическую обработку поверхности, механическую обработку, сварку, нанесение покрытий или производство композитов. Несмотря на относительную универсальность, метод требует выполнения следующих основных условий: возможность сверления материала, возможность применения тензометрических розеток (или других средств измерения деформаций) и знание свойств материала. Дополнительные условия могут повлиять на точность и повторяемость измерений. К ним относятся, в частности, размер и форма образца, расстояние измеряемой области от краев, однородность материала, наличие градиентов остаточных напряжений и т. Д. Просверливание отверстий может выполняться в лаборатории или в качестве полевых измерений, что делает его идеальным. для измерения фактических напряжений в крупных компонентах, которые нельзя перемещать.

Смотрите также

внешняя ссылка

Рекомендации

  1. ^ "Měření zbytkových napětí | Термомеханика технологических процессов". ttp.zcu.cz. Получено 2019-04-05.
  2. ^ «Измерение остаточного напряжения при сверлении розеточного отверстия в соответствии с ASTM E 837». G2MT лаборатории. 2017-04-05. Получено 2019-04-05.
  3. ^ "Měření zbytkových napětí | Термомеханика технологических процессов". ttp.zcu.cz. Получено 2019-04-05.
  4. ^ а б c [ASTM E 837: Стандартный метод испытаний для определения остаточного напряжения методом тензодатчика при сверлении отверстий, Стандарт ASTM, Американское общество испытаний и материалов]