塑性材料钻孔法残余应力实验分析

本文介绍了一种自动钻孔残余应力测量系统在聚合物模塑制品中的应用。RestantitleMTS3000是一种自动测量系统，主要由一个非常低速的电机和一个电子控制系统组成。

1.简介

在过去的五十年里，塑料工业 得到了极大的发展，在技术应用方面也超过了钢铁工业。这导致新的合成物质逐步取代传统材料，并导致人们对结构、符合人体工程学的形状和生产过程重新思考。这些材料的使用之所以如此广泛，本质上是因为它们便宜、轻便、易于加工 ，而且有可能设计出所需的机械性能。因此，越来越精确和深入的机械表征是必要的，正是在这种情况下，需要了解和研究这些材料加工过程中引起的残余应力。另外，此外，聚合物熔体流动、压力分布、不均匀温度场和密度分布都会在聚合物注塑成型中产生残余应力，这些应力会影响塑料部件的机械性能，改变最终形状，并大大降低产品的预期寿命，此外，还会增加尺寸不稳定性和环境应力裂纹的可能性。尽管残余应力在塑料中普遍存在，但其大小很难预测，因为它取决于广泛的变量，包括模具设计、材料和加工参数。因此，拥有一种可靠的技术来评估塑料部件中存在的应力是很重要的。钻孔应变片法可以在广泛的模塑件中测量残余应力。它的优点是可以在一个较小的区域内进行测量。一个特殊的应变片被粘合在试样的表面，并在应变片的中心进行精确钻孔。在表面测量的应变与钻探过程中释放的应力相对应。使用测量的应变和适当的模型（即ASTM E837），可以计算出沿两个主轴的应力及其方向。

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如图1a所示。它基于Restan - MTS 3000系统，由SINT技术公司开发并与HBM合作销售。

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。这个版本采用初始优化多项式插值法对数据进行处理，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 预接线

3.测试过程

在塑料聚合物上采用钻孔应变法进行残余应力测试时，主要操作如下：

用适当的清洗剂清洗表面，以去除任何可能妨碍应变片与聚合物表面粘合的污垢。
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，请采用带背胶的应变花，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。
在应变仪上安装一定厚度的导体胶带，注意不要覆盖所有参考标记。
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。
在等待足够的时间让信号稳定下来（延迟时间）后，记录应变读数。
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。
用显微镜代替钻孔系统，测量孔径和偏心率，在两个垂直轴上进行四次平移。

3.1 表面准备和黏贴

需要分析并考虑每种塑料材料与安装中使用的溶剂和粘合剂的化学亲和力。不合适的粘合剂实际上会损坏应变片安装，甚至损坏被分析的部件。建议采用机械表面处理方法清洁表面。仅举个例子，表1指出了在塑料材料上正确安装应变片的要求。

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), 或是
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 钻孔时的旋转速度

钻头速度无疑是对用钻孔方法测量塑料材料的残余应力影响最大的参数之一。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。

举例来说，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，切割速度必须非常低。在图4b中，人们可以看到用低速钻孔系统（低于200RPM）打出的孔，该系统设计用于测量塑料材料的残余应力。

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

由于塑性材料对机械应力高度敏感，因此已经进行了各种实验钻孔测试来确定最佳进给速率。

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..

4.3 延迟时间的选择

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，受钻探过程影响的热平衡大约在钻孔后数秒钟内达到。

为了评估达到部件的机械平衡所需的时间，有必要进行测试，以测量整个塑料材料钻孔阶段的应变趋势。

使用放大器和由HBM生产的采集软件, 可以测量整个钻探过程中的应变趋势: 结果显示在图 5, 系统在钻探过程中机械不稳定，需要等待大约90秒才能恢复稳定.只要有足够的延迟时间，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 2mm 深度的孔，并通过K 型热电偶进行测量。该热电偶安装在与应变计栅丝相同的距离，位于栅丝2（或B）对面。

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（用于测试金属材料，如钢铁的标准速率）。

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.

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：2毫米
步进钻孔深度：0.05毫米
钻孔步数：40
钻孔步趋势：线性
进给率：0.1毫米/分钟
延迟时间：90秒。
应变片：HBM K-RY61-1.5/120R-3 预接线，3线连接
HBM Spider 8应变放大器

设置了三个测量点。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.菌种与	图11b.均匀性测试（ASTM E837-08）

图11c.主应力和理想应力与	图11d.α角与深度的关系。

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.

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。

联系SINT科技

Restan MTS3000

Main Menu

Main Menu

Main Menu

Main Menu

塑性材料钻孔法残余应力实验分析

1.简介

2.测量系统

3.测试过程

3.1 表面准备和黏贴

3.2 测量接触深度 (零点设定)

4.确定运行参数

4.1 钻孔时的旋转速度

4.2 进给速度

4.3 延迟时间的选择

4.4 塑料材质上的温度变化验证

5.执行测试并获得结果

6.结论

We haved moved ${referer} to www.hbkworld.com

We haved moved ${referer} to www.hbkworld.com

We haved moved ${referer} to www.hbkworld.com