литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem

В качестве клея для фиксации тензодатчиков обычно используют активные мо­ номерные связующие; по образующейся линии соединения они обладают хорошими прочностными характеристиками и низкой вязкостью. Качество клеевого соедине­ ния имеет ключевое значение для функционирования датчика, поскольку соедине­ ние обеспечивает связь между образцом и подложкой. Проблемы в области клеевого соединения могут возникнуть на очень малой поверхности или при проведении из­ мерений в условиях повышенной температуры и влажности.

Рис. 5.32. Наиболее распространенные конфигурации приклеиваемых тонкопленочных дат­ чиков деформации, включая одноосные, плоские многорешетчатые и многослой­ ные мпогорешетчатые датчики

Активная решетчатая зона у датчиков составляет величину от 0,010 до 4,0 дюй­ мов (0,25 до 102 мм). Невозможно получить значение деформации в одной точке, поскольку измерительная зона датчика занимает некоторую область. Если градиент деформации в изделии под активной зоной датчика носит линейный характер, то среднее значение может быть равным значению деформации в средней точке по дли­ не датчика. Если градиент не является линейным, то точка, которой соответствуют показания датчика, становится неопределенной. Эта неопределенность уменьшается вместе со снижением линейных размеров датчика. Тензодатчики малых размеров предпочтительнее использовать в местах, где есть резкие изменения градиента де­ формации, например, в местах пересечении стенок [57].

Чувствительность датчика к величине деформации — коэффициент тензочувствительности — определяв гея как отношение относительного изменения сопротив­ ления AR/R к относительному изменению деформации AL/L по обобщенному урав­ нению:

(5.3) где v — коэффициент Пуассона материала датчика.

364 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Коэффициент тензочувствительности датчика определяется суммой изменений сопротивления, связанных с изменением длины и площади, а также изменений, свя­ занных с пьезоэлектрическим эффектом. Деформации датчика (и изделия) затем могут быть определены путем измерения изменения сопротивления в зависимости от нагрузки:

(5.4)

Значения коэффициента тензочувствительности, которые указаны в комплекте поставки датчиков, получают индивидуально для каждого из них.

Рис. 533. Примеры тонкоилепочных датчиков, используемые для оценки деформации по­ верхности пластмассового изделия

В настоящее время выпускают наборы многоэлементных датчиков деформации различной конфигурации. Многорешетчатые датчики деформации дают возмож­ ность сократить время установки и повысить точность измерений за счет устранения необходимости точного совмещения нескольких отдельных одноосных датчиков. Тройной многорешетчатый датчик представляет собой планарную решетку (рис. 5.34) и дает возможность определить величину и направление напряжений, которые зара­ нее неизвестны [51,52,54-57]. В идеальной схеме три датчика должны быть установ­ лены под разными углами в одной и той же точке. Качество работы многослойного многорешетчатого датчика зависит от перегрева и ошибок, возникающих с возраста­ нием деформации [57]. В тех случаях, когда известны главные направления двухос­ ного ноля напряжений, необходимо осуществить только два независимых измерения деформации, чтобы определить главные значения напряжения. Это может быть сде­ лано с помощью двойного многорептетчатого датчика, в котором два одноосных датчи­ ка расположены под углом 90° и направлены вдоль главных осей [51 ]. В этом случае для определения располол-еения и направления главных осей напряжения до использова­ ния датчиков деформации используется метод хрупких покрытий [53].

Устройство тензодатчика, как правило, использует электронную схему моста Уитстона, в котором сопротивление датчика образует одно из плечей моста. На результаты

Многорешетчатыи датчик

срасположением одноосных датчиков под углом 120°

Рис. 534. Типичная многорешетчатая геометрия датчика

измерения деформации оказывают сильное воздействие температура и влажность. Изменение температуры влияет как на сопротивление тонкопленочного датчика, так и на размеры всех компонентов системы. Изменение влажности может привести к изменению размеров толщины клея, подложки и самой пластмассовой детали. Раз­ личия в изменении размеров пластмассового изделия и подложки датчика в зави­ симости от температуры и влажности может привести к существенным ошибкам в расче­ тах. Для решения данной проблемы могут быть использованы датчики с компенсацией температурных эффектов или дополнительный датчик, установленный на другой образец, который не подвергается нагрузке. Вспомогательный и главный датчики ус­ танавливаются в прилегающих плечах моста Уитстона, чтобы таким образом компен­ сировать изменения сопротивления, связанные с изменениями параметров окружа­ ющей среды, и исключить суммарный эффект на выходе моста [57].

Остаточные напряжения, которые возникают в изделии при литье под давлением, также можно оценить с помощью тензодатчиков. Величину остаточных напряжений знать необходимо, поскольку они могут приводить к возникновению трещин под воз­ действием окружающей среды, короблению при повышенных температурах или мо­ гут вносить свой вклад в разрушение изделия в процессе его эксплуатации.

Остаточные напряжения могут быть оценены с помощью теста, называемого «сво­ бодное коробление» [58], или метода с просверливанием глухого отверстия [54]. Пер­ вый представляет собой процедуру термообработки, проходящую на «незафикси­ рованных» изделиях при повышенной температуре. При просверливании глухого отверстия используют миогорешетчатые датчики (3-элементные планарные топкопленочные датчики с расположением их под углом 120°), которые устанавливаются на поверхности изделия. Сверление небольшого глухого отверстия в многорешетча­ том датчике приводит к снятию внутренних напряжений в этой точке, что вызывает деформацию, которая измеряется датчиком вокруг отверстия.

366 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕГ

Рис. 5.35. Цепь моста Уитстона с использованием измерительного датчика и контрольного датчика для компенсации изменения температуры

Приклеиваемые тонкопленочные тепзодатчики являются единственно возможным инструментом количественного измерения величины напряжения. Этим методом воз­ можно регистрировать деформацию величиной 1 мкм/м, и он может быть использован в широком диапазоне изменений условий окружающей среды. Кроме того, он приго­ ден для определения величины остаточных напряжений. Основной недостаток такого метода — считается, что с его помощью определяется средний уровень поверхностных напряжений в локальной области, а не деформация в конкретной точке [51].

5.2.4. Испытания с помощью химических растворителей

Наличие напряжений (внешних или внутренних) в изделии уменьшает его ус­ тойчивость к действию растворителей. Это может стать серьезной проблемой при эксплуатации изделий, и привести к образованию микротрещин, больших трещин :: даже к разрушению изделий. В определенных условиях эффект появления трещин под действием нагрузки и конкретного растворителя может быть использован для экспериментальной оценки уровня напряжений в изделии.

Применяют две жидкости, которые смешиваются в различных пропорциях. Одна из жидкостей — сильный растворитель конкретной пластмассы, а вторая обладает способностью хорошо смешиваться с первой (понятие «сильный» в данном случае характеризуется параметром растворимости). Считается, что при отсутствии силь­ ных связей в полимере (таких, как водородные связи), растворимость полимера в ра­ створителе может происходить, если разница между параметрами их растворимости составляет от 1,7 до 2,0.

Полиметилметакрилат (ГТММЛ) с параметром растворимости 9,10 будет полно­ стью растворяться в бензине, у которого параметр растворимости 9,15, но он не будет растворим в метаноле с параметром растворимости 14,5 [59]. Смеси растворителя могут быть различной концентрации, чтобы получить растворители разной степени агрессивности. Для поликарбоната (ПК) можно использовать смеси толуола, и-нро- пилового спирта, этилацетата или метилового спирта [54].

Пластмассовые изделия помещают под нагрузкой в емкость с растворителем или они смачиваются смесями растворителей при определенной температуре в течение заданного периода времени. Затем изделия промывают и высушивают, чтобы уда­ лить избыточное количество растворителя. Появление трещин и микротрещин на поверхности изделий означает, что приданной концентрации растворителя уровень напряжений в конкретном месте выше критического. Эти уровни критического, или предельного, напряжения для каждой смеси будут определять экспериментальные уровни напряжений нагружения растворителей образцов правильной геометриче­ ской формы, для которых теоретические расчеты напряжений могут быть сопостав­ лены с началом образования трещин. Трещины будут появляться в направлении, пер­ пендикулярном приложенному усилию. Начало образования трещин в контрольных образцах может быть сопоставлено с ожидаемым уровнем критических напряжений в изделии с помощью соответствующих расчетов. Точность теста определяется коли­ чеством используемых смесей с разной концентрацией растворителя и опытом испы­ тателя, поскольку результаты визуального осмотра носят субъективный характер.

Другой вариант анализа основан на непрерывном воздействии растворителем на контрольный образец [52, 60]. Этот метод особенно эффективен для полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), который устойчив к действию большинства раствори­ телей. Изделия размещают под нагрузкой в прозрачном контейнере, заполненном растворителем или его парами, после чего образцы фотографируют или осматривают через равные промежутки времени. Проведение испытаний можно ускорить за счет повышения температуры, хотя результаты, полученные при этом, могут быть недоста­ точно точными. Трещины появляются в местах возникновения максимального на­ пряжения (рис. 5.36) [58].

Метод анализа напряжений с помощью растворителей используют при определе­ нии уровней остаточных напряжений, но он может также применяться для оценки напряжений, которые создаются внешними нагрузками. Использование этого метода требует от испытателя выполнения повышенных требований техники безопасности: осторожного обращения с опасными для здоровья органическими растворителями при обязательной хорошей вентиляции производственного помещения.

5.2.5. Фотоупругие испытания

Фотоупругость — это объемный визуальный метод измерения напряжений. Не­ которые изотропные пластмассы имеют переменный показатель двойного лучепре­ ломления, который будет изменяться в зависимости от уровня напряжения (или деформации) — эти оптические свойства являются основой метода фотоупругих испытаний. Образец, сделанный из фотоупругого материала, подвергается нагрузкам

Рис. 5.36. Химические растворители используются для оценки уровня напряжения для мно­ гих пластмасс, но стойкость к образованию трещин под действием напряжения в пластмассе должна быть определена количественно. Контрольные образцы из той же пластмассы, которая была использована для получения изделия, могут ис­ пользоваться для экспериментального получения соотношения между уровнем на­ пряжения и возникновением трещин (в присутствии конкретного растворителя)

в поляризованном свете. В результате получают цветную картину интерференцион­ ных полос (рис. 5.37), которая позволяет регистрировать точную величину и направ­ ление напряжений в данной области.

Этот метод используют для оценки как внутренних, так и внешних напряжений. Поляризованный свет, проходящий через материал, который находится под нагруз­ кой, разделяется на два луча. Эти лучи имеют разные скорости и в каждом из них

370 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Один из вариантов метода состоит в нагруженин трехмерных моделей, находя­ щихся в подогретом состоянии в печи. Затем образцы медленно охлаждаются до ком­ натной температуры, что приводит к фиксации картины интерференционных полос [51,62,63]. Образцы могут быть разделены на двухмерные тонкие слои, а затем про­ анализированы с помощью полярископа, работающего на пропускание, или микро­ скопа с поляризатором и источником света переменной интенсивности.

Другой тест заключается в том, что образец покрывается тонким равномерным слоем фотоупругого материала. Затем с помощью полярископа, работающего на отра­ жение, осуществляется анализ воздействия на образец внешнего нагружепия. Эта технология очень перспективна, поскольку может быть использована для изделий любого размера, формы или материала (даже такого, который не пропускает свет). Распределение деформации по поверхности может быть установлено по всей площа­ ди изделия даже в случае очень больших градиентов деформации.

5.2.6. Оптические методы измерения напряжения

Оптические методы измерения напряжений широко используются при экспери­ ментальном анализе; они основаны на принципах оптической интерференции. К оп­ тическим методам относят метод муаровых полос и лазерную или голографическую интерферометрию.

Метод муаровых полос

Муаровая полоса — это оптический эффект, который наблюдается, когда две груп­ пы (сетки) близко расположенных параллельных непрозрачных линий с одинаковы­ ми по ширине прозрачными зонами между ними, накладываются друг на друга. Если промежуток между линиями или ориентация одной из сеток изменяются, то наблю­ дается периодическая механическая интерференция проходящего или отраженного света. Принцип метода основан на том, что одна из идентичных сеток накладывается на изделие до того, как оно будет подвергаться нагрузке, а вторая сетка используется в качестве эталонной. Сетки совмещены до того, как тестируемое изделие подверга­ ется воздействию нагрузки. Когда изделие находится под нагрузкой, деформации поверхности меняют форму сетки [6, 51]. Интерференция возникает только из-за геометрического блокирования света (обычного белого света), когда он проходит насквозь или отражается от деталей сетки. Для образования и проектирования изоб­ ражений сеток в методе муаровых полос могут также использоваться фотографичес­ кие изображения. Это эффективно при высоких температурах и сильных упругих деформациях, однако возникают трудности при необходимости точного измерения деформации [39].

5.3.Литература

1.Metelnick, J., Plastics Design Fonim, 14 (3) 31 (1989).

2.Anonymous, Plastics Design Forum,3(3)72(1978).

3.Anonymous, British Plastics, July / August, 17 (1984).

4.Shimel, J, Plastics Design Forum,9(l)75 (1984).

ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОТОТИПОВ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ

5. Kelly, W., British Plastics and Rubber, July/August, 12 (1984).

6.Ehrenstein, G. and Erhard, G., Designing With Plastics, Manser, NY (1984).

7.Technical Bulletin, CadCo Engineering Plastics, Cadillac Plastic and Chemical Co., Troy, Ml.

8.Deitz, D., Mechanical Engineering, 112 (2) 34 (1990).

9.Dowler, C, Plastics Engineering, 45 (4) 43 (1989).

10.Anonymous, Modem Plastics, 66 (3) 84 (1989).

11.Ogando, J., Plastics Technology, 40 (1) 40 (1994).

12.Kirkland, C, Injection Molding, 1 (3) 41 (1994).

13.Lindsey, K., Modem Plastics, 67 (8) 40 (1990).

14.Technical Bulletin, 3D Systems Incoporated, Valencia, CA.

15.Leonard, L., Plastics Design Forum, 16 (1) 15 (1991).

16.Lindsay, K., Modem Plastics, 68 (6) 216 (1991).

17.Gabrieie, M., Plastics Technology, 37 (6) 45 (1991).

18.Charnas, D., Plastics News, 3 (21) 7 (1991).

19.Ashley, S., Mechanical Engineering, 113 (4) 34 (1991).

20.3D Systems, 26081 Avenue Hall, Valencia, CA 91355.

21.Technical Bulletin, Cibatool SL XB 5081, Ciba-Geigy, East Lansing, MI.

22.Jacobs, P., Rapid Prototyping and Manufacturing, Society of Manufacturing Engineers,

Dearborn, MI (1992).

23.Quadrax, 300 High Point Avenue, Portsmouth, RI 02871.

24.Light Sculpting, 4815 N. Marlborough Drive, Milwaukee, Wl 53217.

25.Cubital, P. O. Box 330, Herzlia В 46103, Israel / Cubital America Inc., Troy, MI.

26.DuPont Somos Venture, New Castle Corporate Commons, Two Penns Way, New Castle, DE 19720.

27.DTM Corporation, 1611 Headway Circle, Building 2, Austin, TX 78754.

28.Anonymous, Plastics Technology, 36 (13) 23 (1990).

29.Meyer, A., Micro CAD News, January / February, 25 (1990).

30.Stratasys Inc., Eden Prairie, MN.

31.Fallon, M., Plastics Technology, 36 (8) 50 (1990).

32.Hclisys, Inc., Torrance, CA.

33.Michaud, G., Plastics Design Forum, 6 (3) 56 (1981).

34.Mold Finish Standards, Moldmakers Division, The Society of the Plastics Industry, Washington, DC 20005.

35.Ilaaxma, H., Mold Finishing and Polishing Manual, I. T. Quamstrom Foundation / Society of Plastics Engineers, Brookficld, CT (1985).

36.Sheehan, J., Technical Paper, Society of Plastics Engineers RETEC, Rochester, NY, L-l (1990).

37.MCP Systems, Inc., 511 Commerce Drive, Fairfield, CT 06430-5541.

38.Schwartz, S., Plastics Design Forum, 10 (2) 57 (1985).

39.Geresy, W, Plastics Design Forum, 10 (2) 70 (1985).

40.Standard Classification of Injection Molds, Moldmakers Division, The Society of the Plastics Industry, Washington, DC 20005.

41.Brewer, D., Plastics Design Forum,7 (3)95(1982).

42.Technical Bulletin, # 300-D10622, TAFA Incorporated, Concord, NH.

43.Hanna, S.,Obtaining Durable Molds from Rapid Prototype Patterns, MS Project, Department of Manufacturing Engineering, University of Mass Lowell (1992).

372 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

44.Microtech, Incorporated, Toronto, Canada.

45.Dryce, D. M., Structural Plastics Conference, Society of the Plastics Industry, 146 (1992).

46.Technical Bulletin, Master Unit Die Products, Inc. P. O. Box 520, Greenville, MI 48838.

47.Galli, E., Injection Molding, 1 (1) 53 (1994).

48.Mannis, E, Plastics Design Forum, 2 (3) 52 (1977).

49.MacDermott, C, Selecting Thermoplastics for Engineering Applications, Marcel Dekker. Inc. NY (1984).

50.Anonymous, Plastics Technology, 36 (5) 67 (1990).

51.Corby, T. and Redner, S., Plastics Design Forum, 6 (1) 43 (1981).

52.Crites, N., Product Engineering, October 16, 90, (1961).

53.Rowand, R., Plastics News, I (33) 6 (1989).

54.Mchta, K., SPE Annual Technical Conference, 32, 155 (1986).

55.Crites, N., Product Engineering, February 19, 69, (1962).

56.Roark, R.( and Young, W., Formulas for Stress and Strain, McGraw Hill, NY (1975).

57.Doebelin, E., Measurement Systems, McGraw Hill, NY (19S4).

58.Levy, S., Plastics Design Forum, 9 (4) 83 (1984).

59.Billmeyer, F-, Textbook of Polymer Science, Wiley Inlerscience, NY (1971).

60.Standard Test Method D1693, American Society for Testing and Materials, Philadelphia. PA, 8.02,53(1989).

61.Sullivan, T. and Matsuoka, S., SPE Annual Technical Conference, 35, 790 (1989).

62.Crites, N., Grover, H., and Hunter, A., Product Engineering, September 3, 57, (1962).

63.Miller, H., Plastics Design Forum, 6 (4) 33 (1981).