本文介绍了在塑料上采用 钻孔法进行残余应力测试系统 - Restan MTS3000 自动测量系统包括一个由 低速电机 电子控制系统 组成的附件。

1. 介绍

过去50年来,塑料工业 发展很快,在技术应用上已经超过钢铁工业。这导致 新的合成物质 已逐步替代传统材料和结构。

合成材料的普遍使用的原因是因为他们 价格便宜,重量轻,容易加工,深入了解材料的 机械特性是非常重要的,并需要研究由加工过程产生的 残余应力 情况。

聚合物熔体流动,不均匀的压力分布、温度场、密度分布都会造成聚合物 注塑制品的残余应力影响塑件的机械性能,改变最终的形状并 显著降低了产品的寿命,和增加 产品开裂 的可能性。虽然残余应力在塑料中很难预测,因为它取决于多种变量,包括模具设计,材料和工艺参数。因此,采用 可靠的技术来评估现有的塑料部件上的应力 是非常重要的。

钻孔应变测量法 能够在 多种模塑制品上进行残余应力测试。其优点是能够在 非常小的区域 进行测量。一个特殊 应变花 被黏贴到测试对象的表面,并在应变花的中心精密钻孔。由于在钻孔过程中将会释放材料的 残余应力 。通过测量的应变和合适的模型 (例如 ASTM E837) 就可以计算残余应力和应力方向

2. 测量系统

图 1.: a) 专门用于塑料残余应力的 MTS3000 特殊版本
b) 专用钻孔工具l
c) 钻头带有 2 个切割刃

钻孔系统的机械安装图 1a 所示。其基于由 SINT 技术和 HBM 共同开发的 Restan - MTS 3000 系统。

图1b 显示的是专用的 钻孔工具 - 能以 200 RPM 转速钻孔。这个速度能最大程度地减少局部热量 和分析过程中产生的 残余应力 切削工具图 1c 所示 - 这种麻花钻具带有两个切割刃,能够产生 1.6 mm 直径的平底孔。

钻孔系统电子控制系统和控制软件控制,这将使钻孔过程完全自动化。整个的测量状态都可以远程操作,这个选项是非常有用的:这样可以排除操作人员在现场造成的外部影响。

图 2 中是一个预接引线的 三轴应变花,预接引线能够使安装更迅速,并且不会有焊接引线产生的热量。测试对象存在的残余应力将通过测量应变片的应变来完成。.

所采集的数据 采用 SINT 的 EVAL 软件的特殊版本来处理 - 专门用于处理塑料聚合物的应变。应变测量数据处理遵循 ASTM E837 标准

图 2 - 应变花: HBM K-RY61-1.5/120R-3 预接引线

3. 测试过程

在塑料聚合物上采用钻孔应变理论进行残余应力测试时,主要操作如下:

  • 采用合适的清洗剂 清除表面灰尘,使应变信号更好地传递。
  • 采用合适的黏合剂黏贴到材料表面,而不会对材料的特性产生任何影响。氰基丙烯酸酯 黏合剂适合大多数的应用。
  • 尽可能采用 预接引线的应变花。可以消除焊接产生的热量,以避免影响残余应力的分布。如果不可能,请采用 backing,尽可能地减少焊接时间。
  • 安装钻孔系统到测试件上,确保钻头垂直于测试件表面。
  • 使用光学显微镜, 使十字标尺 准确对中到应变花中心。
  • 移除显微镜,采用钻孔设备精确对准应变花中心进行钻孔。
  • 推进钻孔工具 直到其到达导体胶带表面,启动刀具并穿过导体胶带和应变花背部材料,此点对应“零”钻孔深度。
  • 记录应变读数 ,等待直到信号保持稳定 (延迟时间)。
  • 在自动系统上 设定进给速率,最大深度,钻孔步骤数和延迟时间。按照ASTM E837 标准,步进的增量大约为 0.05 mm。
  • 记录三个应变读数和孔的深度
  • 移除带有 显微镜 的钻孔设备 并测量孔的直径和偏心率

3.1 表面准备和黏贴

安装过程中使用的 溶剂和黏合剂 需要仔细考虑和分析。不合适的黏合剂会破坏应变片的安装甚至是特性。我们建议可以采用 机械方式 清洁塑料表面。

举例来说, 表 1 给出了 在部分塑料上安装应变片所应使用的黏合剂和清洗剂

表 1 . 在某些塑料材料上安装应变片所需的准备

3.2 测量接触深度 (零点设定)

测量 启动深度 是采用钻孔法进行残余应力测量的关键因素之一。

在金属材料中,一般采用 电接触 方法自动进行。当钻头穿过应变花聚酰亚胺基底材料后,钻头自动停止。

而对于塑料材料的 零点 ,无法用电接触法进行测定。因为塑料材质都是非导体。

可以用:

  • 手工测量 “零点” 深度, 当产生塑料屑停止切割 (图 3, 左), or
  • 采用特殊的铝箔胶带 ,这样 “零点” 深度可以自动确定。一旦深度被确定,需要进行翻译 - 也就是在系统中输入应变花的厚度和铝箔胶带的厚度的总和。 (图 3, 右)。
图 3. 确定初步钻孔深度

4. 确定运行参数

在塑料上进行残余应力测量和金属材料上有很大不同。由于塑料的 弹性模量很低,因此测量的应变会更高,在同样的负载下,材料会变得更敏感,因此必须适当选择适当的 切削速度,进给速率和延迟时间

4.1 钻孔速度

其中,钻孔速度 是最重要的技术参数。带有空气涡轮机的 高速钻孔 通常用于金属材料的残余应力测量。高速钻孔产生的热量会导致塑料聚合物 融化

图 4a 是高速钻孔在塑料上产生的孔,可以明显看出,孔的周围融化非常明显。尽管可以通过降低空气涡轮机的压力,但只能降低这种影响,无法完全消除它。

因此切割速度非常低。 In 图 4b 是由 低速钻孔系统 (低于 200 RPM) 产生的孔。

图 4: a) 高速钻孔系统产生的孔
b) 低速电机钻孔系统产生的孔
c) 钻孔过程中的应变片

4.2 进给速度

因为塑料对机械应力非常敏感,我们进行了多次测试以确定 最合适的进给速度

测试结果表明为减少不稳定的时间,钻孔需要缓慢进给。降低进给速度意味着 增加测量时间: 我们需要在两方面进行折衷,确定最佳进给速度。

表 2 分析了不同进给速度钻孔和稳定时间:最佳的 进给速度为 0.1 mm/min.

表 2. 塑料材料上进行残余应力分析所需时间

4.3 选择延迟时间

延迟时间 用于钻孔后测试件恢复到 热和机械平衡 状态时的何时来获取应变读数。 测试表明,热平衡大约在钻孔后数秒钟内达到。

为评估 机械平衡, 需要测量塑料钻孔的完整过程,获取 应变趋势

采用 QuantumX amplifier 和 catman 数据采集软件 , 能够测量钻孔过程中应变的变化趋势:结果如 图 5 所示, 在钻孔过程中,极为部温度,大约90秒钟,系统才能恢复稳定。通过足够的延迟时间,可以获得 应变 vs 深度曲线。测试曲线的进给速度为 0.2 mm/min.

而在金属材料(钢和铝)上的钻孔,稳定时间只有 3-5 秒。通过 图 6 和 7,能够看出在金属材料(钢)和塑料(聚碳酸酯)的 应变趋势。

图 5. 左边, 时间和应变的关系。右边 应变和钻孔深度对比。

4.4 塑料材质上的温度变化验证

在钻孔系统设计过程中,并对钻孔过程中 测试件的温度变化 进行了验证。钻取了一个 2-mm 深度的 ,并通过 K 型热电偶 进行测量。

图 8 显示了 温度与孔深度的对比,并设置了20秒的 延迟时间 进给速度为 0.2 mm/min。

结果显示钻孔工具 不会对应变片的测量栅丝产生多余的热量。最大的温度变化小于 1° C.

另外,测试件的温度能够快速恢复到初始温度。实际上,20秒后,温度达到了初始温度,在这其中,温度最大的变化量只有 0.24°C。

图 6. 金属材质上的应变趋势
图 7. 塑料材质上的应变趋势
图 8: 左边, 温度变化趋势。右边,温度的最大变化量
图 9. 聚碳酸酯材料的测量点
图 10. 聚碳酸酯采用的钻孔步骤

5. 执行测试并获得结果

我们对 聚碳酸酯 家电的塑料部件进行了测试。这种材料的 杨氏模量为 2650 MPa,  泊松比为 0.37,抗张强度为 80 MPa。

自动测量系统采用了以下 测试条件:

  • 最大深度: 2mm
  • 每步钻孔深度: 0.05 mm
  • 钻孔步数: 40
  • 钻孔步趋势: 线性
  • 进给速率: 0.1 mm/min
  • 延迟时间: 90 秒
  • 应变花: HBM K-RY61-1.5/120R-3 预接线, 3 线连接
  • HBM Spider 8 应变放大器

三个测量点 被设定。位置如图 9 ,钻孔状态如 图 10 所示。

图 11 显示的是 获取的测量点 1 的残余应力。包括 应变趋势,主应力和 α 角, 其安装ASTM E837 标准来进行。其他两个点同样获得了相似的结果。 .

 

 

 

图 11a. 应变对吧 图 11b. 采用 ASTM E837-08 标准
图 11c. 主应力和理想应力对比 图 11d. α 角和深度对比.

6. 结论

在塑料上采用 自动测量系统 进行残余应力是非常可靠的。手工测量和高速钻孔方法不适合用于塑料材质残余应力测量。

对于模制塑料部件,需要为钻孔过程选择合适的参数 以获得可靠的测量结果。由于应变的高灵敏度,建议使用远程自动钻孔控制和数据采集系统

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