一种基于蠕变轮廓法的残余应力测量装置

摘要

本发明涉及工件残余应力检测技术领域，且公开了一种基于蠕变轮廓法的残余应力测量装置，包括热时效系统和视觉识别系统，所述热时效系统包括：温度控制器、数据线、加热管、热电偶、工作台、外罩等，所述视觉识别系统包括：底座、导轨、磁铁块、顶部支撑装置、三个三脚架以及四个相机等，将热变形视觉识别技术与工件的蠕变实验及仿真技术相结合，以视觉识别的热变形轮廓为基准，将工件的热时效前的残余应力场分布作为设计变量，通过优化迭代计算，使仿真计算得到的热时效过程各时刻的工件轮廓逐渐接近实测值，并将使仿真与实测误差最小的应力演变序列，作为最终的残余应力场测试结果，从而实现对工件表面和内部残余应力场的全面评估。

说明书

技术领域

本发明涉及工件残余应力检测技术领域，尤其是需要同时对工件表面和内部残余应力场进行测量。

背景技术

在生产制造过程中，工件内部残余应力的检测一直是一个技术难题。以航天整体环件为例，由于机械成形和热处理过程中非均匀的塑性变形、温度场及金属相变的作用，极易在环件表面或内部产生较大的残余应力。残余应力显著影响零件的结构强度、尺寸稳定性和疲劳寿命，不良的残余应力场将导致强度下降、变形、局部破坏、疲劳断裂、加工超差等问题的出现，严重影响零件的制造精度和服役可靠性。因此，对工件内部残余应力进行精准评估和有效地调控是十分必要的。

残余应力的主要检测手段有X射线衍射法、盲孔法(激光散斑干涉测量式和应变片测量式)、表面压痕法、轮廓法、剥层法、中子衍射法等。X射线衍射法、盲孔法、表面压痕法只能测量零件表面或一定深度内的残余应力，测量深度最深一般可达2mm，测量内部的残余应力则需要与剥层法、轮廓法相配合。然而，剥层法费时费力，且只能用于板类零件的残余应力测试；传统的轮廓法测量效率相对较高，理论上不受测试件厚度和组织的影响，特别适用于大厚度构件残余应力的测量，但测量的数据量十分有限。中子衍射法可以测量内部残余应力，但检测成本巨大，检测设备极其稀有，不适合在生产制造中应用。

目前，没有一种适用于所有构件的通用残余应力检测方法，特别是能够高效、精准测量工件内部残余应力的新方法。本发明将热变形视觉识别技术与蠕变实验及仿真技术相结合，提供了一种基于蠕变轮廓法的残余应力测量装置，可以在时效处理的同时，完成对工件表面和内部残余应力场的检测，在不影响生产效率的前提下，实现对应力场的全面评估。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于蠕变轮廓法的残余应力测量装置，能够对工件表面和内部残余应力场进行全面的评估。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于蠕变轮廓法的残余应力测量装置，包括热时效系统和视觉识别系统，所述热时效系统包括：温度控制器、数据线、加热管、热电偶、工作台、外罩等，其中工件位于所述工作台之上，所述加热管和所述热电偶通过螺母与所述工作台侧板固连在一起，并经所述数据线穿过所述外罩底部槽口连接至所述温度控制器，所述视觉识别系统包括：底座、导轨、磁铁块、顶部支撑装置、三个三脚架以及四个相机等，其中，所述底座与所述外罩同心，所述导轨与所述底座相配合并可以360°旋转，所述磁铁块用于固定所述导轨的位置，所述三个三脚架通过小孔配合均布在所述导轨之上，所述四个相机中的三个固定在所述三角架上实现对工件外周全方位测量，所述顶部支撑装置位于所述外罩顶部用于支撑第四个相机进行测量。

优选的，所述外罩选用圆柱形透明玻璃以防棱边对相机测量的影响，并在底部开有一槽口以供所述数据线穿过，所述外罩内、外侧分别为耐高温玻璃和隔热玻璃，中间为真空环境，能够使得外罩内部保持所需温度的同时所述外部四个相机不受高温的影响。

优选的，所述数据线外周包有铝制薄管保护数据线免受高温影响。

优选的，所述三角支架能够实现上下垂直运动和俯仰运动，使得视觉识别系统能够适应不同尺寸大小的工件，如有必要，可在所述底座与地面之间增加支撑结构使得视觉识别系统能够有效测量高度尺寸较大的工件。

优选的，位于所述外罩顶部的第四个相机通过所述顶部支撑装置使得相机镜头不和所述外罩玻璃直接接触，以防影响其拍摄照片的质量。

优选的，所述底座上刻有-60°～60°的精准角度，所述导轨上刻有基准线，利用基准线和角度值可以实现所述导轨上三个相机的精确位置定位。

优选的，所述底座和所述导轨选用钢制材料，所述导轨运动到所需位置时利用所述磁铁块固定其相对位置关系，防止所述导轨出现小范围的摆动影响相机测量精度。

(三)有益效果

本发明提供了一种基于蠕变轮廓法的残余应力测量装置，具备以下有益效果：

现有的残余应力检测方法，都无法在生产制造中对工件内部残余应力进行有效地检测。本发明将传统的轮廓法与蠕变数值仿真技术、热变形视觉识别技术相结合，提出一种新的基于蠕变轮廓法的残余应力测量装置，应用该装置可以实现对工件表面和内部应力场的全面检测。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中底座机构示意图；

图3为本发明中导轨正面结构示意图；

图4为本发明中导轨底面结构示意图。

图中：1、温度控制器；2、数据线；3、加热管；4、热电偶；5、工作台；6、外罩；7、底座；8、导轨；9、磁铁块；10、顶部支撑装置；11、三脚架；12、相机；13、工件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，本发明提供一种技术方案：一种基于蠕变轮廓法的残余应力测量装置，包括热时效系统(A)和视觉识别系统(B)，热时效系统(A)包括：温度控制器(1)、数据线(2)、加热管(3)、热电偶(4)、工作台(5)、外罩(6)等，其中工件(13)位于工作台(5)之上，加热管(3)和热电偶(4)通过螺母与工作台(5)侧板固连在一起，并经数据线(2)穿过外罩(6)底部槽口连接至温度控制器(1)，视觉识别系统(B)包括：底座(7)、导轨(8)、磁铁块(9)、顶部支撑装置(10)、三个三脚架(11)以及四个相机(12)等，其中，底座(7)与外罩(6)同心，导轨(8)与底座(7)相配合并可以360°旋转，磁铁块(9)用于固定导轨(8)的位置，三个三脚架(11)通过小孔配合均布在导轨(8)之上，四个相机(12)中的三个固定在三角架(11)上实现对工件外周全方位测量，顶部支撑装置(10)位于外罩(6)顶部用于支撑第四个相机(12)进行测量。

进一步的，外罩(6)选用圆柱形透明玻璃以防棱边对相机测量的影响，并在底部开有一槽口以供数据线(2)穿过，外罩(6)内、外侧分别为耐高温玻璃和隔热玻璃，中间为真空环境，能够使得外罩(6)内部保持所需温度的同时外部四个相机(12)不受高温的影响。

进一步的，数据线(2)外周包有铝制薄管保护数据线免受高温影响。

进一步的，三角支架(11)能够实现上下垂直运动和俯仰运动，使得视觉识别系统能够适应不同尺寸大小的工件，如有必要，可在底座(7)与地面之间增加支撑结构使得视觉识别系统能够有效测量高度尺寸较大的工件。

进一步的，位于外罩(6)顶部的第四个相机(12)通过顶部支撑装置(10)使得相机镜头不和外罩(6)玻璃直接接触，以防影响其拍摄照片的质量。

进一步的，底座(7)上刻有-60°～60°的精准角度，导轨(8)上刻有基准线，利用基准线和角度值可以实现导轨(8)上三个相机的精确位置定位。

进一步的，底座(7)和导轨(8)选用钢制材料，导轨(8)运动到所需位置时利用磁铁块(9)固定其相对位置关系，防止导轨(8)出现小范围的摆动影响相机测量精度。

本发明的工作流程：第一，将工件放置在工作台上合适位置；第二，将加热管和热电偶通过数据线连接至温度控制器；第三，放置外罩，使得数据线通过其底部槽口；第四，放置底座和导轨，导轨运动到合适位置时应用磁铁块固定其相对位置；第五，在导轨和外罩顶部分别放置三脚架和顶部支撑装置；第六，在三脚架和顶部支撑装置上放好相机并调至合适角度；第七，对工件时效处理的同时对其进行拍摄；第八，完成时效处理后，对拍摄的相片进行后处理求得工件表面和内部残余应力场，该蠕变轮廓法测量残余应力的主要原理为：将热变形视觉识别技术与工件的蠕变实验及仿真技术相结合，以视觉识别的热变形轮廓为基准，将工件的热时效前的残余应力场分布作为设计变量，通过优化迭代计算，使仿真计算得到的热时效过程各时刻的工件轮廓逐渐接近实测值，并将使仿真与实测误差最小的应力演变序列，作为最终的残余应力场测试结果。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。