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残余应力消除技术（下） 3?残余应力的检测与评估 对残余应力进行检测，首要目的是为了判断工件内残余应力的大小，其次可以评估时效处理对于消除工件内残余应力的效果。残余应力的测试方法包括机械测试法和物理测试法。 机械测试法是将被测试工件的一部分去除，局部残余应力得到释放从而产生相应的应变和位移，根据相关力学原理可以计算出工件残余应力，比如盲孔法、环芯法、剥层法等。其中盲孔法使用最成熟。假设工件表面残余应力处于平面应力状态，按图2所示方法粘贴应变片，在应变花中心钻孔，孔深等于或略大于孔径。钻孔之后，孔区附近残余应力释放，应变片随之产生形变，即可利用公式(1)计算出钻孔处的初始残余主应力σ1和σ2以及主应力方向角度β。 目前，国内外均有以盲孔法为原理的残余应力检测仪可以实现残余应力的自动检测和精确计算，如国内济南西格玛公司生产的ASM3.0型盲孔法残余应力测试仪(如图3)，意大利SINT公司生产的MTS3000盲孔应力仪，在工业生产均中有广泛应用。盲孔法检测残余应力的具体方法和要求可以参照CB 3395-1992[3]和ASTM E837-08实施。图4为利用西格玛公司的残余应力测试仪对某工件进行现场测。 物理测试法是依据光波衍射等物理现象和规律来检测残余应力，例如X射线衍射法、磁测法、中子衍射法以及超声波法等。物理测试法中应用最广泛的是X射线衍射法。根据布拉格定律，X射线入射到无应力晶体上时，如果相邻两晶面散射的X射线的光程差为波长的整数倍，则会产生衍射现象;当工件表面有残余应力时，晶格间距发生变化，从而使X射线衍射角度发生偏移，根据偏移量结合弹性力学公式即可计算残余应力。 X射线衍射法消除残余应力需要专门的X射线衍射仪，如加拿大PROTO公司生产的MRG40P残余应力分析仪和iXRD便携式残余应力分析仪(如图5)，芬兰Stresstech公司生产的便携式X射线应力分析仪。X射线衍射法测量工件残余应力可以按照GB/T 7704-2008《无损检测——X射线应力测定方法》的相关技术要求进行。 结合工件结构、材料以及残余应力对精度和精度寿命的影响程度，确定允许的残余应力阈值。若经过机械或物理方法的检测，工件的残余应力在允许范围之内，则可进入后续工艺流程;若工件的残余应力超过允许范围，则需要对工艺过程进行改进或者时效处理以减小和消除残余应力的不良影响。 盲孔法和X射线衍射法相比各有优劣。盲孔法测试精度在贴片、打孔等工艺时受人为因素影响较大。X射线衍射法测试方便快捷，对测试工件无损伤，然而受到工件表面状态的影响。另外，盲孔法可以测量一定深度内残余应力的平均值，而X射线法因X射线穿透能力有限，通常只能检测工件表面残余应力水平，若要获知工件内部的残余应力，同剥层法结合可以测量沿深度方向的残余应力分布梯度。机床企业可根据企业实际情况选择合适的测试方法。 4?残余应力的消除流程及消除措施 4.1?残余应力的消除流程 为了通过残余应力消除技术提高数控机床的可靠性和精度寿命，提出残余应力消除技术的一般流程，如图6所示。其中，残余应力的测试不必对同一批次零件进行全检，可以采取科学的抽样方法;而残余应力的消除措施则应作为新增或改进工艺，需对每一件零件进行处理。 4.2?残余应力消除方法比较 为了减小或消除残余应力，可以根据各种工艺的特点在工艺规划时进行改进和完善，例如合理安排焊缝位置和焊缝尺寸、焊接前施以相反变形等可以有效降低焊接残余应力，在型砂中埋设水管对铸件肥厚部分进行强制冷却可以减少铸造残余应力，在对床身等铸件进行大余量粗加工后进行热时效处理不仅能消除铸造残余应力还能减少粗加工过程产生的残余应力，总之针对不同的工艺过程采取的措施也不尽相同，对此不多赘述;然而即使通过恰当的工艺规划在工艺过程中减小残余应力的产生，但终究会产生残余应力，此时就要通过后续工艺对残余应力进行消除，下面主要从这一方面对各种工艺通用的残余应力消除措施进行阐述。 采用后续工艺方法来消除或减小工艺过程中所产生的残余应力对工件的不良影响，这种消除残余应力的方法称为时效处理，包括自然时效、热时效以及振动时效。 总体来说，3种时效方法对于消除各种工艺过程产生的残余应力都是适用的。自然时效是将工件长时间置于自然条件下使得残余应力释放。由于自然时效周期长、效率低，难以适应现代生产需要。热时效是在合适的温度下，对工件进行退火或回火处理，可以很好地起到消除残余应力的目的。振动时效则是工件在激振器周期性的外力作用下产生共振，使工件内部发生微观变形从而均化、消除工件残余应力。 热时效处理作为传统工艺，能够很好地对工件中残余应力进行消除，并能一定程度上改善材料特性，然而，目前大多数机床制造企业已不具备大型工件热时效处理的设备和条件，导致切削加工等工序中产生的残余应力无法得到很好的消除。 经实验证明，振动时效不仅可消除残余应力，还能削除残余应力峰值、均化残余应力，从而增强零件尺寸稳定性，且工件的材料性能和疲劳寿命都有所提高。例如，经过振动时效处理的铸件，两个月之后变形量很小，尺寸稳定所需的时间很短。而且由于振动时效具有节能、环保、高效等特点，同自然时效和热时效相比有显著的优越性。运用振动时效有助于企业降低成本，提高生产效率，增强产品的竞争力，同时也正是当今资源节约型、环境友好型社会所极力倡导的。 因而选择时效处理方法时需要综合考虑各种影响因素。3种残余应力消除方法的比较如表2所示。 4.3?振动时效原理及振动时效系统 虽然振动时效消除残余应力的效果并不十分彻底，但是从工艺的经济性角度看，牺牲一定的工艺效果而避免成倍的工艺成本是合理的。国内多家机床企业采用了振动消除残余应力系统代替铸造、机加工等工艺过程之后的热时效处理，有效地对残余应力进行消除，不仅缩短了生产周期、减少能源消耗和污染排放，还不受工件尺寸和场地约束，避免了大型机床床身等工件在热时效处理时面临的尺寸和空间问题。 振动时效时对工件施加循环载荷，当交变作用应力与工件残余应力叠加后超过材料的屈服极限而使应力集中部位发生塑性变形，从而降低了残余应力峰值，并能强化金属基体。即振动消除残余应力要满足激振作用动应力条件： 同时，为了避免作用应力过大造成工件的疲劳损伤，动应力应不大于工件材料的疲劳极限，即： 当动应力与工件残余应力之和小于材料屈服极限时，工件将保持稳定的应力状态，若要进一步降低残余应力，则必须增大作用应力，否则振动时效将无效。在多阶有效频率的循环载荷作用下，便可消除和均化工件不同部位的残余应力。 随着振动时效理论的发展，诸多技术障碍得到突破，振动时效工艺在欧美国家被广泛应用。近年来，国内也出现了各种振动时效系统，力图摆脱人工经验的约束，取代以消除残余应力为目的的热时效，并能实时监测振动时效参数变化。图7为济南西格玛科技有限公司的SSEON振动时效装置，可以在线评定时效效果，快速、准确地消除工件残余应力。
振动工艺参数如激振力、激振频率、激振时间、激振器位置等的选择对于振动时效最终效果的影响非常关键，工艺参数选择以及相关技术要求可以按照GB/T 25712-2010《振动时效工艺参数选择及效果评定方法》实施。根据时效曲线(a-t曲线)或跟踪曲线(n-t曲线)，可以监测时效效果并确定时效终止时间。 对振动时效效果的评定，除了应用残余应力检测法比较时效前后实测的残余应力数值变化，还可以利用振动时效系统打印振动参数曲线，通过观察参数曲线的变化趋势来判断是否达到时效效果。当扫频曲线出现下列情形时，认为时效效果良好：扫频曲线(a-n曲线)振后比振前峰值高;扫频曲线振后的峰值点相比振前右移，即共振频率减小;扫频曲线的带宽振后比振前变窄。 5?结语 铸造、焊接、热处理、压力加工和切削加工等工艺过程产生的残余应力在不知不觉中影响数控机床的可靠性和精度保持性，虽然其造成的潜在损失巨大，却往往被忽视。笔者相信，只要意识到残余应力消除技术的重要性，并在生产实际中采取适当措施减小和消除关键零部件的残余应力，定会对机床企业提升产品的可靠性和精度保持性大有裨益。 作者：张根保 张坤能 |
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