在塑料材料上采用钻孔法进行残余应力分析

钻孔系统的机械安装 如 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 如 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 由 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

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。

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)。

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 要 非常低。 In 图 4b 是由 低速钻孔系统 (低于 200 RPM) 产生的孔。

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.

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。

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 孔，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。