王韻璐 曹 瑜 李敏敏 王 正

圓鋸片廣泛用于木材、石材、金屬、混凝土等多種材料的切割[1]。圓鋸片構(gòu)件在機(jī)加工、熱處理、焊接、整平和適張作業(yè)加工過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生不同程度的殘余應(yīng)力，這些殘余應(yīng)力的存在會(huì)嚴(yán)重影響鋸片的正常使用。圓鋸片構(gòu)件中的殘余應(yīng)力是指在沒(méi)有對(duì)其施加外力時(shí)，圓鋸片內(nèi)部存在保持自相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)，亦是圓鋸片構(gòu)件的彈性和塑性各向異性的反映。圓鋸片中的殘余應(yīng)力是固有應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力的一種，對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性有很大作用[2]，特別是對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞壽命、尺寸穩(wěn)定性和脆性斷裂的影響較大。因此，做好降低或消除圓鋸片構(gòu)件的殘余應(yīng)力工作尤為重要。

圓鋸片等金屬構(gòu)件的殘余應(yīng)力可通過(guò)測(cè)量進(jìn)行很好的定量研究，常用方法為壓痕應(yīng)變法、X射線衍射法、盲孔法[3]和激光全息小孔法。其中，盲孔法和激光全息小孔法原理及其測(cè)量?jī)x器均很成熟，適宜實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用；X射線衍射法[4,5]和壓痕法更偏向于工程實(shí)際應(yīng)用。如張占寬、習(xí)寶田等人用國(guó)產(chǎn)X-350A型X射線應(yīng)力測(cè)試儀對(duì)圓鋸片初始應(yīng)力和多點(diǎn)加壓適張后的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量，確定了其殘余應(yīng)力分布規(guī)律[1,6,7]。壓痕應(yīng)變法是利用測(cè)量球形壓頭產(chǎn)生的壓痕外彈性區(qū)的應(yīng)變變化來(lái)計(jì)算殘余應(yīng)力的方法。當(dāng)球形壓頭壓入圓鋸片測(cè)點(diǎn)時(shí)，測(cè)點(diǎn)上的應(yīng)變花產(chǎn)生應(yīng)變變形增量，即可獲知壓頭壓入測(cè)點(diǎn)后壓痕周?chē)鷱椥詤^(qū)的應(yīng)變?cè)隽?，就能得到?gòu)件表面的原始?xì)堄鄳?yīng)力[8]。壓痕應(yīng)變法作為一種新型殘余應(yīng)力檢測(cè)方法，出現(xiàn)時(shí)間較晚。上世紀(jì)70年代，Underwood等人開(kāi)始研究靜載壓痕周?chē)奈ㄒ粓?chǎng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力對(duì)壓痕周?chē)鷳?yīng)變的影響規(guī)律性[9]。上世紀(jì)90年代以來(lái)，中科院金屬研究所和上海交通大學(xué)等開(kāi)始對(duì)動(dòng)載荷靜載作用下壓痕周?chē)鷳?yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的變化規(guī)律進(jìn)行理論與試驗(yàn)研究。他們通過(guò)采用有限元模擬和試驗(yàn)標(biāo)定方法，初步探討壓痕周?chē)苄詤^(qū)的大小及其隨初始?xì)堄鄳?yīng)力的變化規(guī)律[10-13]。目前，該方法作為非破壞性的靜態(tài)應(yīng)變－應(yīng)力測(cè)量和分析的一種重要工具，在材料研究、機(jī)械制造、采礦冶金、水利工程、鐵道運(yùn)輸、化工設(shè)備、船舶制造、航空工業(yè)、電力建設(shè)等行業(yè)應(yīng)用廣泛。如在上海寶冶工程技術(shù)有限公司、上海寶鋼汽車(chē)產(chǎn)品中心、武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司技術(shù)中心、西安交通大學(xué)材料學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院、水利部金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心和清華大學(xué)力學(xué)研究所等國(guó)內(nèi)諸多單位成效明顯。工程應(yīng)用結(jié)果表明，壓痕應(yīng)變法不僅測(cè)試設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠，而且被測(cè)件表面無(wú)明顯損傷，屬于無(wú)損應(yīng)力檢測(cè)方法[14]。特別對(duì)金屬表面應(yīng)力梯度大的殘余應(yīng)力分布測(cè)量更有獨(dú)到之處。

對(duì)此，筆者采用壓痕應(yīng)變法[15,16]，實(shí)測(cè)木工圓鋸片[17,18]試件殘余應(yīng)力值，并對(duì)各測(cè)點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行徑向和切向殘余應(yīng)力分布分析，在工程領(lǐng)域具有一定實(shí)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)理論闡述

壓痕應(yīng)變法是一種新型殘余應(yīng)力測(cè)試方法，它是利用球型壓頭壓入材料表面，通過(guò)測(cè)量壓痕周?chē)奈ㄒ蛔兓闆r來(lái)計(jì)算殘余應(yīng)力[8]。

壓痕應(yīng)變法是采用電阻應(yīng)變片作為測(cè)量用敏感元件，在應(yīng)變花中心部位采用沖擊加載制造壓痕以代替鉆孔，通過(guò)應(yīng)變儀記錄壓痕區(qū)外彈性區(qū)應(yīng)變?cè)隽康淖兓?，從而獲得對(duì)應(yīng)于殘余應(yīng)力大小的真實(shí)彈性應(yīng)變，求出殘余應(yīng)力值。該試驗(yàn)因考慮應(yīng)力超過(guò)圓鋸片構(gòu)件屈服點(diǎn)50%且未知主應(yīng)力方向等情況，擬采用三向應(yīng)變花進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)，為得到對(duì)稱(chēng)的附加應(yīng)力場(chǎng)，采用壓頭直徑1.58 mm的硬質(zhì)合金鋼球在鋸身測(cè)點(diǎn)上制造深度約0.15～0.2 mm的壓痕，即將帶有鋼球的一端垂直置于欲制其壓痕的位置（應(yīng)變花軸線中心），以一定動(dòng)量沖擊支撐桿的另一端。值得一提的是，壓痕誘導(dǎo)的疊加應(yīng)變?cè)隽?，則由事先粘貼的應(yīng)變花測(cè)取。并且在相同殘余應(yīng)力場(chǎng)中，主應(yīng)力方向上的球形壓痕直徑與距壓痕中心固定距離處的應(yīng)變?cè)隽砍烧取?/p>

2 圓鋸片試件與儀器

2.1 木工圓鋸片

該試驗(yàn)選用編號(hào)為Y2和Y5的兩塊同廠家同批號(hào)的木工圓鋸片，見(jiàn)圖1。其主要參數(shù)為：外徑300 mm、齒寬3.2 mm、齒厚2.2 mm、內(nèi)徑30 mm、齒數(shù)96、最高轉(zhuǎn)速6 800 r/min，且齒形及其尺寸均相同，鋼號(hào)為日本產(chǎn)SK5。

圖1 兩種不同鋸身減振槽的木工圓鋸片試件Fig.1 Two carpentry saw blade specimen of different saw body damping grooves

2.2 KJS-3型壓痕法應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)

該系統(tǒng)由壓痕制造系統(tǒng)和應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)兩部分組成，由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所和南京賀普科技有限公司聯(lián)合制造。其最大測(cè)量誤差＜15～20 MPa；應(yīng)變測(cè)量精度為1；壓痕定點(diǎn)打擊對(duì)中精度為0.05 mm；壓痕尺寸測(cè)量精度為0.01 mm；應(yīng)力計(jì)算顯示精度為1 MPa；應(yīng)力測(cè)量誤差≤20 MPa；壓頭直徑為1.58 mm；球冠壓痕直徑為1.0～1.2 mm、壓痕深度為0.15～0.2 mm。

1）壓痕制造系統(tǒng)。

壓痕制造系統(tǒng)包括壓痕打擊裝置、永磁式固定底座、對(duì)中顯微鏡三部分，其中壓痕打擊裝置采用彈簧加力、頭部鑲有直徑1/16英寸硬質(zhì)合金球的機(jī)械式?jīng)_擊裝置；對(duì)中用顯微鏡與固定底座結(jié)合，用來(lái)確定壓痕打擊的準(zhǔn)確位置；固定底座底部鑲有高性能永久磁鐵，可快速吸附于磁性材料表面，同時(shí)能保證壓痕打擊裝置準(zhǔn)確定位于應(yīng)變片上的壓痕打擊位置，制造出對(duì)中精確的壓痕。

2）KJS-3型壓痕應(yīng)力測(cè)試儀。

壓痕應(yīng)力測(cè)試儀采用ARM主板，內(nèi)嵌Windows CE操作系統(tǒng)，智能化管理，可全軟件操作。具有體積小、重量輕、測(cè)試方便快捷計(jì)算更準(zhǔn)確等特點(diǎn)。液晶觸摸屏菜單方式簡(jiǎn)單明了，外接USB口可進(jìn)行通信及存儲(chǔ)。機(jī)內(nèi)帶有3點(diǎn)應(yīng)變自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)測(cè)試、測(cè)試數(shù)據(jù)屏幕顯示、貯存、數(shù)據(jù)處理（將應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為應(yīng)力值）等功能，特別適合于實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析和現(xiàn)場(chǎng)焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)。其量程為±16 000με，分辨率1με，靈敏系數(shù)為0～9.99線性可調(diào)。

2.3 KFG-1-350-D17-11N30C2型應(yīng)變花

每塊測(cè)量用的圓鋸片各測(cè)點(diǎn)粘貼1片專(zhuān)用應(yīng)變花（三向），其電阻值為（119.8±0.3）Ω、靈敏系數(shù)為（2.0±1）% 。壓痕周?chē)鷱椥詤^(qū)應(yīng)變變化的正確測(cè)試是準(zhǔn)確測(cè)量殘余應(yīng)力的關(guān)鍵。將三向應(yīng)變花沿主應(yīng)力方向粘貼時(shí)，可以保證測(cè)出的殘余應(yīng)力有較高的準(zhǔn)確度[19,20]。

3 測(cè)試方法與過(guò)程

3.1 測(cè)試方法

壓痕應(yīng)變法是通過(guò)疊加應(yīng)力場(chǎng)[20]引起的應(yīng)變?cè)隽坑?jì)算原始?xì)堄鄳?yīng)力。其中，在含有殘余應(yīng)力的圓鋸片鋸身表面，貼上雙向應(yīng)變花，應(yīng)變柵的方向應(yīng)盡量與主應(yīng)力方向一致。該試驗(yàn)測(cè)量圓鋸片構(gòu)件的殘余應(yīng)力時(shí)采用公共補(bǔ)償連接法，補(bǔ)償片連接在補(bǔ)償兩個(gè)端子上。通過(guò)在應(yīng)變片的交點(diǎn)中心打擊一個(gè)壓痕，測(cè)量其輸出的應(yīng)變值，并用事先在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定得到的計(jì)算常數(shù)，按胡克定律即可計(jì)算出沿應(yīng)變片方向原始?xì)堄鄳?yīng)力。

3.2 測(cè)試過(guò)程[16]

該試驗(yàn)環(huán)境溫度23 ℃，相對(duì)濕度55%，交流220 V/50 Hz電源輸入，無(wú)強(qiáng)磁場(chǎng)干擾。

1）被測(cè)構(gòu)件表面準(zhǔn)備。

根據(jù)被測(cè)圓鋸片構(gòu)件的應(yīng)力分析要求及其表面的可操作狀態(tài)來(lái)確定測(cè)量位置。每塊圓鋸片選取0、1、2、3四個(gè)測(cè)試點(diǎn)，均在圓鋸片直徑線與同心圓周的交點(diǎn)上，測(cè)試點(diǎn)分布示意圖見(jiàn)圖2。為使表面機(jī)械打磨引入的附加應(yīng)力減至最小，同時(shí)便于粘貼應(yīng)變片，采用100～200#紗布，在圓鋸片鋸身的打磨區(qū)域的兩個(gè)垂直方向來(lái)回打磨，即表面手工打磨處理。

2）應(yīng)變片粘貼。

圖2 Y2號(hào)圓鋸片構(gòu)件殘余應(yīng)力測(cè)點(diǎn)分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring point distribution about number Y2 saw blade specimen residual stress

應(yīng)變片粘貼質(zhì)量是殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵，主要過(guò)程如下：首先，用干凈棉紗蘸上丙酮單向擦拭表面，直至清潔；其次，在準(zhǔn)備好的專(zhuān)用二向應(yīng)變片背面均勻涂抹一層502快干膠，對(duì)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)部位放好，必要時(shí)用鑷子輕輕移動(dòng)和觸摸應(yīng)變片調(diào)整位置。粘貼時(shí)要保證兩個(gè)垂直的應(yīng)變柵分別于主應(yīng)力方向平行和垂直，且膠層應(yīng)盡量薄。并將聚氯乙烯薄膜放在應(yīng)變片上方，用拇指滾壓1～2 min；再次,10 min左右沿切向輕輕揭起塑料膜。當(dāng)應(yīng)變片密實(shí)，無(wú)任何翹起時(shí)，在應(yīng)變片引出線附近粘貼接線端子。最后，在距離打擊點(diǎn)1～2 mm范圍內(nèi)用刀片各劃一刀，以切斷應(yīng)變片基片與壓痕打擊處的聯(lián)系。

3）制造壓痕。

粘貼應(yīng)變片后1～3 h，進(jìn)行壓痕制造工作，即：第一步，在壓痕測(cè)試儀的CH1、CH2通道上接入測(cè)量用的應(yīng)變片。CH1、CH2應(yīng)變值對(duì)應(yīng)儀器屏幕上的徑向應(yīng)變C1、切向應(yīng)變C2。按“初值”鍵，觀察應(yīng)變平衡情況。第二步，將對(duì)中底座大致以應(yīng)變片為中心位置，然后插入顯微鏡，必要時(shí)可輕輕移動(dòng)底座，再通過(guò)底座上的調(diào)整螺絲微量調(diào)整顯微鏡鏡筒，將應(yīng)變片上的壓痕打擊點(diǎn)與顯微鏡中心點(diǎn)調(diào)節(jié)至重合。第三步，拔出顯微鏡，將打擊桿拉桿拉伸至鎖扣相應(yīng)檔位，然后插入底座中。按“應(yīng)力”鍵，將初始值歸零。

4）正式測(cè)量。

在軟件上通過(guò)新建文件名、參數(shù)設(shè)置[修正因子0.95，靈敏系數(shù)（2.05±1）%等]進(jìn)入“實(shí)時(shí)值”界面，點(diǎn)“初值”觀察各通道平衡狀態(tài)，并預(yù)熱10 min。再點(diǎn)擊“應(yīng)力”，使儀器進(jìn)入應(yīng)變采集工作狀態(tài)，完成擊打后再點(diǎn)擊“應(yīng)力”結(jié)束采集，此時(shí)“實(shí)時(shí)值”界面顯示實(shí)時(shí)的測(cè)量應(yīng)變值和應(yīng)力值[21]的計(jì)算結(jié)果。該試驗(yàn)每測(cè)一點(diǎn)，儀器將自動(dòng)測(cè)量、記錄、計(jì)算和存儲(chǔ)有關(guān)數(shù)據(jù)。

圖3 圓鋸片試件殘余應(yīng)力測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Residual stress test of circular saw blade

4 結(jié)果與分析

上述Y2、Y5號(hào)圓鋸片試件測(cè)算的應(yīng)變、應(yīng)力數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。其徑向和切向殘余應(yīng)力分布見(jiàn)圖4、5。

表1 圓鋸片試件的應(yīng)變、應(yīng)力數(shù)據(jù)測(cè)算表Tab.1 The strain and stress data of circular saw blade

圖4 徑向殘余應(yīng)力（S1）分布Fig.4 Distribution of radial residual stress (S1)

由圖4可知，Y2號(hào)圓鋸片構(gòu)件上的0、1、2、3測(cè)點(diǎn)的徑向殘余應(yīng)力值呈依次降低的趨勢(shì)，其中0測(cè)點(diǎn)值187 MPa為最大，分別高于1測(cè)點(diǎn)、2測(cè)點(diǎn)和3測(cè)點(diǎn)值（最小值）的5.1%、6.3%和7.5%。Y5號(hào)圓鋸片試件上的0測(cè)點(diǎn)徑向殘余應(yīng)力值185 MPa為最大，3測(cè)點(diǎn)最小；且0測(cè)點(diǎn)值高于1測(cè)點(diǎn)、2測(cè)點(diǎn)和3測(cè)點(diǎn)值（最小值）的5.7%、3.4%和5.7%。同理，由圖5得知，Y2號(hào)圓鋸片試件上的0測(cè)點(diǎn)的切向應(yīng)力值186 MPa為最大，分別高于1測(cè)點(diǎn)、2測(cè)點(diǎn)（最小值）和3測(cè)點(diǎn)值的5.1%、7.5%和6.3%。Y5號(hào)圓鋸片試件上的0測(cè)點(diǎn)的切向應(yīng)力值186 MPa為最大，且0測(cè)點(diǎn)值高于1測(cè)點(diǎn)、2測(cè)點(diǎn)（最小值）和3測(cè)點(diǎn)值的4.5%、7.5%和5.7%。

圖5 切向殘余應(yīng)力（S2）分布Fig 5 Distribution of tangential residual stress (S2)

上述表明，因0測(cè)點(diǎn)靠近鋸片的齒根部位，受其齒根應(yīng)力集中、齒頭焊接應(yīng)力和卸荷槽加工應(yīng)力等因素影響，致使0測(cè)點(diǎn)的徑向殘余應(yīng)力值最大。該試驗(yàn)所測(cè)的Y2、Y5號(hào)兩塊同條件下的圓鋸片構(gòu)件的相關(guān)點(diǎn)徑向和切向殘余應(yīng)力值吻合，既說(shuō)明了該試驗(yàn)結(jié)果符合理論的事實(shí)，同時(shí)反映出該圓鋸片構(gòu)件的生產(chǎn)企業(yè)使用的材質(zhì)好，圓鋸片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，機(jī)加工、熱處理、焊接和適張度處理等工藝技術(shù)水平較高等實(shí)力狀況。

5 結(jié)論與建議

1）壓痕法的應(yīng)力測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)便易行，測(cè)量精度較高，無(wú)需昂貴的儀器設(shè)備。

2）圓鋸片鋸身上距齒根部位最近測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力值最大；其鋸身上各測(cè)點(diǎn)的徑向和切向殘余應(yīng)力值一致。對(duì)此，圓鋸片制造廠家應(yīng)注重齒形設(shè)計(jì)與加工及其焊接工藝試驗(yàn)等優(yōu)化工作。

3）壓痕周?chē)鷱椥詤^(qū)應(yīng)變變化的正確測(cè)試是準(zhǔn)確測(cè)量殘余應(yīng)力的關(guān)鍵。該壓痕法用雙向應(yīng)變花沿圓鋸片的主應(yīng)力方向進(jìn)行粘貼，且粘貼質(zhì)量好，可確保測(cè)出的圓鋸片殘余應(yīng)力值有較高的準(zhǔn)確度。

4）該工程中鑒于客觀條件的限制，應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)數(shù)目有限，一定程度上影響了測(cè)量的可靠性和概率分析，后續(xù)研究將有待開(kāi)展。

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