Mätteknik för djuphålsborrning (DHD).
Mättekniken för djuphålsborrning (DHD) är en teknik för mätning av restspänningar som används för att mäta inlåsta och applicerade spänningar i tekniska material och komponenter. DHD är en semi-destructive mechanical strain relaxation (MSR) teknik, som syftar till att mäta fördelningen av spänningar längs axeln av ett borrat referenshål. Processen är unik i sin förmåga att mäta kvarvarande spänningar på mikroskopisk nivå med en penetration på över 750 millimeter (30 tum), utan total förstörelse av den ursprungliga komponenten. Djupt hålsborrning anses djupt i jämförelse med andra hålborrningstekniker såsom centrumhålsborrning.
Tekniköversikt
DHD innebär att man borrar ett hål genom komponentens tjocklek, mäter hålets diameter, trepanerar (skär en cirkulär slits runt hålet) en kärna av material runt hålet och slutligen mäter hålets diameter igen. För tekniska metaller utförs trepanningsprocessen vanligtvis med hjälp av elektrisk urladdningsbearbetning (EDM) för att minimera införandet av ytterligare spänningar under skärningen. Skillnaderna mellan de uppmätta diametrarna före och efter spänningsutlösning gör att de ursprungliga restspänningarna kan beräknas med hjälp av elasticitetsteori . En animerad YouTube-video som förklarar DHD-tekniken kan ses här: YouTube: Deep Hole Drilling Technique .
DHD-förfarande
För det första fästs referensbussningar på komponentens främre och bakre yta på mätplatsen för att minimera "klockslag" och hjälpa till med att anpassa datamängderna under analysen. Ett referenshål borras sedan genom en komponent; i tekniska metaller används vanligtvis en pistolborr på grund av den släta och raka hålprofilen de producerar. Efter borrning mäts referenshålets diameter med täta intervall längs hela längden och omkretsen av mät- och referensbussningarna med en luftsond. Detta är en tunn stav med tryckluft som tvingas från änden via två små hål i en normal till referenshålets axel. När luftsonden flyttas genom hålet kommer förändringar i hålets diameter att resultera i tryckändringar, som detekteras med en kalibrerad givare för att omvandla tryckförändringen till en spänning. En cylinder (dvs en kärna) av material som innehåller referenshålet längs dess axel skärs (trepaneras) sedan från komponenten med hjälp av elektrourladdningsbearbetning (EDM), för att minska spänningarna som verkar på referenshålet. Slutligen mäts referenshålets diameter om genom hela cylinderns och referensbussningarnas tjocklek, med diametermätningarna på samma ställen som de som uppmätts före trepaneringen.
Inkrementell DHD-teknik (iDHD)
Om restspänningar med hög magnitud (>60 % flytspänning ) finns i komponenten kan DHD-tekniken modifieras för att ta hänsyn till plastiskt beteende under spänningsavlastningsprocessen. Risken för plastisk deformation under spänningsavslappning är ett problem i hålborrningstekniker på grund av hålens cirka x3 spänningskoncentrationsfaktor , vilket effektivt "förstärker" spänningsavslappningen och ökar chansen att ge efter. Därför ändras proceduren för iDHD för att utföras stegvis , där kärnan skärs (trepaneras) i flera steg med ökande djup och diametermätningarna utförs mellan varje steg. Analysen inkorporerar sedan denna sekvens av inkrementella distorsioner för beräkning av restspänningar med hög storlek.
Tolkning av resultaten
DHD-metoden försöker mäta fördelningen av spänningar längs referenshålets axel. Förhållandet mellan de ursprungliga restspänningarna som verkar på referenshålet och de uppmätta förändringarna i håldiametern skapar grunden för analysen. DHD-tekniken använder en elastisk analys för att omvandla de uppmätta distorsionerna av referenshålet till en restspänningsprofil. Noggrannheten i resultaten är beroende av felkällor i mätningen, men är också beroende av materialets elasticitetsmodul . En lägre elasticitetsmodul kommer att resultera i större förvrängningar för en given spänningsutlösning, vilket innebär en högre mätupplösning och därmed en större uppnåbar noggrannhet. DHD-tekniken har en nominell noggrannhet på ±10MPa för aluminium, ±30MPa för stål och ±15MPa för titan.
Utvärdering av DHD-tekniken
Fördelar och nackdelar med DHD, i förhållande till andra metoder för mätning av restspänningar, listas nedan.
Fördelar
- Restspänningar kan mätas på djup upp till 750 millimeter (30 tum).
- Halvförstörande – möjliggör upprepade restspänningsmätningar i många olika skeden av komponenternas livslängd.
- Utrustningen som krävs är portabel nog för mätningar som kan utföras på plats såväl som i ett laboratorium.
- En biaxiell restspänningsfördelning genom tjockleken mäts (t.ex. σxx, σyy och τxy), inklusive spänningsgradienter. σzz kan mätas men med extra svårighet och minskad noggrannhet.
- Höga restspänningar kan mätas med iDHD, dvs plasticitet kan redovisas.
- Gäller både enkla och komplexa komponentformer.
- Tillämpbar på ett brett spektrum av material, både metalliska och icke-metalliska.
- Likgiltig för kornstruktur av komponentmaterial.
- Motrotationsborrning är bäst för noggrannhet
- Processen är snabb, i förhållande till mängden information som produceras.
- Extraherad cylinder av material ger ett stressfritt prov för ytterligare materialtester och valideringar
Nackdelar
- Semi-invasiv – det resulterande hålet kan behöva fyllas igen eller en mock-up tillhandahållas.
- Ej tillämpligt för komponenter som är mindre än 6 millimeter (0,24 tum) tjocka.
Godkännande
Flera studier har utförts för att validera DHD-tekniken med hjälp av prover med "kända" spänningstillstånd, genom att applicera en definierad belastning i plastområdet för att skapa ett internt spänningstillstånd i en komponent, eller genom att ladda komponenten i det elastiska intervallet under hela varaktigheten av måtten.
böjdes en balkkomponent plastiskt för att införa en känd restspänningsprofil. Dessa restspänningar mättes sedan med användning av multipla restspänningsmätningstekniker inklusive neutrondiffraktion, spaltning, ringkärna, inkrementell centrumhålsborrning, djuphålsborrning och inkrementell djuphålsborrning, samt modellerades med finita elementprogramvara för att ge ytterligare numerisk validering. Korrelationen mellan resultaten från tekniker är stark, där DHD och iDHD visar samma trend och storlek som både den numeriska simuleringen och de andra experimentella teknikerna. Resultaten från denna jämförelse visas i figuren.