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]。圓鋸片構件在機加工、熱處理、焊接、整平和適張作業(yè)加工過程中都會產生不同程度的殘余應力，這些殘余應力的存在會嚴重影響鋸片的正常使用。圓鋸片構件中的殘余應力是指在沒有對其施加外力時，圓鋸片內部存在保持自相平衡的應力系統(tǒng)，亦是圓鋸片構件的彈性和塑性各向異性的反映。圓鋸片中的殘余應力是固有應力或內應力的一種，對結構可靠性有很大作用[2]，特別是對其結構強度、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件的殘余應力工作尤為重要。

圓鋸片等金屬構件的殘余應力可通過測量進行很好的定量研究，常用方法為壓痕應變法、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量儀器均很成熟，適宜實驗室應用；X射線衍射法[4,5]和壓痕法更偏向于工程實際應用。如張占寬、習寶田等人用國產X-350A型X射線應力測試儀對圓鋸片初始應力和多點加壓適張后的殘余應力進行了測量，確定了其殘余應力分布規(guī)律[1,6,7]。壓痕應變法是利用測量球形壓頭產生的壓痕外彈性區(qū)的應變變化來計算殘余應力的方法。當球形壓頭壓入圓鋸片測點時，測點上的應變花產生應變變形增量，即可獲知壓頭壓入測點后壓痕周圍彈性區(qū)的應變增量，就能得到構件表面的原始殘余應力[8]。壓痕應變法作為一種新型殘余應力檢測方法，出現(xiàn)時間較晚。上世紀70年代，Underwood等人開始研究靜載壓痕周圍的唯一場規(guī)律，發(fā)現(xiàn)殘余應力對壓痕周圍應變的影響規(guī)律性[9]。上世紀90年代以來，中科院金屬研究所和上海交通大學等開始對動載荷靜載作用下壓痕周圍應力應變場的變化規(guī)律進行理論與試驗研究。他們通過采用有限元模擬和試驗標定方法，初步探討壓痕周圍塑性區(qū)的大小及其隨初始殘余應力的變化規(guī)律[10-13]。目前，該方法作為非破壞性的靜態(tài)應變－應力測量和分析的一種重要工具，在材料研究、機械制造、采礦冶金、水利工程、鐵道運輸、化工設備、船舶制造、航空工業(yè)、電力建設等行業(yè)應用廣泛。如在上海寶冶工程技術有限公司、上海寶鋼汽車產品中心、武漢鋼鐵（集團）公司技術中心、西安交通大學材料學院、哈爾濱工業(yè)大學材料學院、水利部金屬結構質量檢驗測試中心和清華大學力學研究所等國內諸多單位成效明顯。工程應用結果表明，壓痕應變法不僅測試設備相對簡單，測試結果準確可靠，而且被測件表面無明顯損傷，屬于無損應力檢測方法[14]。特別對金屬表面應力梯度大的殘余應力分布測量更有獨到之處。

對此，筆者采用壓痕應變法[15,16]，實測木工圓鋸片[17,18]試件殘余應力值，并對各測點結果進行徑向和切向殘余應力分布分析，在工程領域具有一定實用價值。

1 試驗理論闡述

壓痕應變法是一種新型殘余應力測試方法，它是利用球型壓頭壓入材料表面，通過測量壓痕周圍的唯一變化情況來計算殘余應力[8]。

壓痕應變法是采用電阻應變片作為測量用敏感元件，在應變花中心部位采用沖擊加載制造壓痕以代替鉆孔，通過應變儀記錄壓痕區(qū)外彈性區(qū)應變增量的變化，從而獲得對應于殘余應力大小的真實彈性應變，求出殘余應力值。該試驗因考慮應力超過圓鋸片構件屈服點50%且未知主應力方向等情況，擬采用三向應變花進行測量。同時，為得到對稱的附加應力場，采用壓頭直徑1.58 mm的硬質合金鋼球在鋸身測點上制造深度約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（應變花軸線中心），以一定動量沖擊支撐桿的另一端。值得一提的是，壓痕誘導的疊加應變增量，則由事先粘貼的應變花測取。并且在相同殘余應力場中，主應力方向上的球形壓痕直徑與距壓痕中心固定距離處的應變增量成正比。

2 圓鋸片試件與儀器

2.1 木工圓鋸片

該試驗選用編號為Y2和Y5的兩塊同廠家同批號的木工圓鋸片，見圖1。其主要參數(shù)為：外徑300 mm、齒寬3.2 mm、齒厚2.2 mm、內徑30 mm、齒數(shù)96、最高轉速6 800 r/min，且齒形及其尺寸均相同，鋼號為日本產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型壓痕法應力測試系統(tǒng)

該系統(tǒng)由壓痕制造系統(tǒng)和應力測試系統(tǒng)兩部分組成，由中國科學院金屬研究所和南京賀普科技有限公司聯(lián)合制造。其最大測量誤差＜15～20 MPa；應變測量精度為1；壓痕定點打擊對中精度為0.05 mm；壓痕尺寸測量精度為0.01 mm；應力計算顯示精度為1 MPa；應力測量誤差≤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英寸硬質合金球的機械式?jīng)_擊裝置；對中用顯微鏡與固定底座結合，用來確定壓痕打擊的準確位置；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，同時能保證壓痕打擊裝置準確定位于應變片上的壓痕打擊位置，制造出對中精確的壓痕。

2）KJS-3型壓痕應力測試儀。

壓痕應力測試儀采用ARM主板，內嵌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、測試方便快捷計算更準確等特點。液晶觸摸屏菜單方式簡單明了，外接USB口可進行通信及存儲。機內帶有3點應變自動調零、自動測試、測試數(shù)據(jù)屏幕顯示、貯存、數(shù)據(jù)處理（將應變值轉化為應力值）等功能，特別適合于實驗應力分析和現(xiàn)場焊接結構的殘余應力無損檢測。其量程為±16 000με，分辨率1με，靈敏系數(shù)為0～9.99線性可調。

2.3 KFG-1-350-D17-11N30C2型應變花

每塊測量用的圓鋸片各測點粘貼1片專用應變花（三向），其電阻值為（119.8±0.3）Ω、靈敏系數(shù)為（2.0±1）% 。壓痕周圍彈性區(qū)應變變化的正確測試是準確測量殘余應力的關鍵。將三向應變花沿主應力方向粘貼時，可以保證測出的殘余應力有較高的準確度[19,20]。

3 測試方法與過程

3.1 測試方法

壓痕應變法是通過疊加應力場[20]引起的應變增量計算原始殘余應力。其中，在含有殘余應力的圓鋸片鋸身表面，貼上雙向應變花，應變柵的方向應盡量與主應力方向一致。該試驗測量圓鋸片構件的殘余應力時采用公共補償連接法，補償片連接在補償兩個端子上。通過在應變片的交點中心打擊一個壓痕，測量其輸出的應變值，并用事先在實驗室標定得到的計算常數(shù)，按胡克定律即可計算出沿應變片方向原始殘余應力。

3.2 測試過程[16]

該試驗環(huán)境溫度23 ℃，相對濕度55%，交流220 V/50 Hz電源輸入，無強磁場干擾。

1）被測構件表面準備。

根據(jù)被測圓鋸片構件的應力分析要求及其表面的可操作狀態(tài)來確定測量位置。每塊圓鋸片選取0、1、2、3四個測試點，均在圓鋸片直徑線與同心圓周的交點上，測試點分布示意圖見圖2。為使表面機械打磨引入的附加應力減至最小，同時便于粘貼應變片，采用100～200#紗布，在圓鋸片鋸身的打磨區(qū)域的兩個垂直方向來回打磨，即表面手工打磨處理。

2）應變片粘貼。

圖2 Y2號圓鋸片構件殘余應力測點分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring point distribution about number Y2 saw blade specimen residual stress

應變片粘貼質量是殘余應力測量結果準確與否的關鍵，主要過程如下：首先，用干凈棉紗蘸上丙酮單向擦拭表面，直至清潔；其次，在準備好的專用二向應變片背面均勻涂抹一層502快干膠，對準測點部位放好，必要時用鑷子輕輕移動和觸摸應變片調整位置。粘貼時要保證兩個垂直的應變柵分別于主應力方向平行和垂直，且膠層應盡量薄。并將聚氯乙烯薄膜放在應變片上方，用拇指滾壓1～2 min；再次,10 min左右沿切向輕輕揭起塑料膜。當應變片密實，無任何翹起時，在應變片引出線附近粘貼接線端子。最后，在距離打擊點1～2 mm范圍內用刀片各劃一刀，以切斷應變片基片與壓痕打擊處的聯(lián)系。

3）制造壓痕。

粘貼應變片后1～3 h，進行壓痕制造工作，即：第一步，在壓痕測試儀的CH1、CH2通道上接入測量用的應變片。CH1、CH2應變值對應儀器屏幕上的徑向應變C1、切向應變C2。按“初值”鍵，觀察應變平衡情況。第二步，將對中底座大致以應變片為中心位置，然后插入顯微鏡，必要時可輕輕移動底座，再通過底座上的調整螺絲微量調整顯微鏡鏡筒，將應變片上的壓痕打擊點與顯微鏡中心點調節(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檔位，然后插入底座中。按“應力”鍵，將初始值歸零。

4）正式測量。

在軟件上通過新建文件名、參數(shù)設置[修正因子0.95，靈敏系數(shù)（2.05±1）%等]進入“實時值”界面，點“初值”觀察各通道平衡狀態(tài)，并預熱10 min。再點擊“應力”，使儀器進入應變采集工作狀態(tài)，完成擊打后再點擊“應力”結束采集，此時“實時值”界面顯示實時的測量應變值和應力值[21]的計算結果。該試驗每測一點，儀器將自動測量、記錄、計算和存儲有關數(shù)據(jù)。

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

4 結果與分析

上述Y2、Y5號圓鋸片試件測算的應變、應力數(shù)據(jù)結果如表1所示。其徑向和切向殘余應力分布見圖4、5。

表1 圓鋸片試件的應變、應力數(shù)據(jù)測算表Tab.1 The strain and stress data of circular saw blade

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

由圖4可知，Y2號圓鋸片構件上的0、1、2、3測點的徑向殘余應力值呈依次降低的趨勢，其中0測點值187 MPa為最大，分別高于1測點、2測點和3測點值（最小值）的5.1%、6.3%和7.5%。Y5號圓鋸片試件上的0測點徑向殘余應力值185 MPa為最大，3測點最??；且0測點值高于1測點、2測點和3測點值（最小值）的5.7%、3.4%和5.7%。同理，由圖5得知，Y2號圓鋸片試件上的0測點的切向應力值186 MPa為最大，分別高于1測點、2測點（最小值）和3測點值的5.1%、7.5%和6.3%。Y5號圓鋸片試件上的0測點的切向應力值186 MPa為最大，且0測點值高于1測點、2測點（最小值）和3測點值的4.5%、7.5%和5.7%。

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

上述表明，因0測點靠近鋸片的齒根部位，受其齒根應力集中、齒頭焊接應力和卸荷槽加工應力等因素影響，致使0測點的徑向殘余應力值最大。該試驗所測的Y2、Y5號兩塊同條件下的圓鋸片構件的相關點徑向和切向殘余應力值吻合，既說明了該試驗結果符合理論的事實，同時反映出該圓鋸片構件的生產企業(yè)使用的材質好，圓鋸片結構設計合理，機加工、熱處理、焊接和適張度處理等工藝技術水平較高等實力狀況。

5 結論與建議

1）壓痕法的應力測量過程簡便易行，測量精度較高，無需昂貴的儀器設備。

2）圓鋸片鋸身上距齒根部位最近測點的殘余應力值最大；其鋸身上各測點的徑向和切向殘余應力值一致。對此，圓鋸片制造廠家應注重齒形設計與加工及其焊接工藝試驗等優(yōu)化工作。

3）壓痕周圍彈性區(qū)應變變化的正確測試是準確測量殘余應力的關鍵。該壓痕法用雙向應變花沿圓鋸片的主應力方向進行粘貼，且粘貼質量好，可確保測出的圓鋸片殘余應力值有較高的準確度。

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

[1] 張占寬,習寶田,程放.球面多點加壓適張圓鋸片殘余應力[J].北京林業(yè)大學學報,2009,27(2):111-113.

[2] 馮文鑑.鋼結構殘余應力測定中應力釋放系數(shù)的有限元分析[J].福建建筑,2012,165(3):52-54.

[3] 孫淵.預應力下實驗標定的盲孔法測試技術[J].上海電機學院學報,2011,14(3):141-145.

[4] 周上祺.X射線衍射分析原理、方法、應用[M].重慶:重慶大學出版社,1991.

[5] 陳玉安,周上祺,韓憲兵.三維殘余應力及深度分布的X射線分析和計算[J].重慶大學學報,2002,25(1):40-43.

[6] 孟憲陸,陳懷寧,林泉洪.壓痕應變法中壓痕周圍的應力應變分布規(guī)律[J].焊接學報,2008,29(3):109-112.

[7] 曲鵬程,陳懷寧,林泉洪.屈服強度對壓痕應變法測量焊接應力中應變增量的影響[J].機械強度,2007,29(6):904-907.

[8] 林麗華,陳立功.用數(shù)值分析方法探討靜載壓痕殘余應力測量方法[C]//第八屆全國焊接學術會議論文集(2).北京:機械工業(yè)出版社,1997:696-698.

[9] John H Underwood.Residual-stress measurements using surface displacements ayound on indentation[J].Experimental Mechanics,1973,13(5):373-380.

[10] 陳懷寧,林泉洪,陳靜,等.沖擊壓痕法測量殘余應力中的塑性區(qū)問題[J].焊接學報,2001,22(5):21-23.

[11] 曲鵬程,陳懷寧,林泉洪,等.屈服強度對壓痕應變法測量焊接應力中應變增量的影響[J].機械強度,2007,29(6):904-907.

[12] Lin Quanhong,Chen Huaining.Study of measuring residual stresses by impact indentation method[C].Switzerland:Materials Science Forum,2005,490:196-201.

[13] 陳懷寧,林泉洪,曲鵬程.壓痕法測量焊接應力中的幾個基本問題[C]//第十一次全國焊接學術會議論文集(2).北京:機械工業(yè)出版社,2005:116-119.

[14] 劉生,陳懷寧,陳靜.未知主應力方向殘余應力的壓痕應變法測量及其程序設計[J].設計計算,2013,30(2):36-40.

[15] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T 21680—2008 木工圓鋸片尺寸[S].北京:中國標準出版社,2008.

[16] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T 24179—2009 金屬材料 殘余應力測定 壓痕應變法[S].北京:中國標準出版社,2009.

[17] 姚秉輝.木材加工機械[M].北京:中國林業(yè)出版社,1998.

[18] 南京林業(yè)大學.木材切削原理與刀具[M].北京:中國林業(yè)出版社,1982.

[19] 孟憲陸,陳懷寧,林泉洪,等.壓痕應變法中壓痕周圍應力應變的分布規(guī)律[J].焊接學報,2008,29(3):109-112.

[20] 張如一,陸耀楨.實驗應力分析[M].北京:機械工業(yè)出版社,1981.

[21] 吳雪松,張健,張秀偉.金剛石圓鋸片應力計算模型建立及求解[J].大連理工大學學報,2001,41(4):477-479.