CN102853951A - 高分子注塑加工残余应力的检测方法 - Google Patents

高分子注塑加工残余应力的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高分子注塑加工残余应力的检测方法，它是将经过改性处理的导电纤维跟高分子材料一起注塑加工，同时在导电纤维的两端设置电极引出线，然后对注塑品进行热处理，通过测量热处理前后导电纤维的电阻，通过导电纤维电阻的变化转换出注塑制品相应的残余应力，本发明能够准确测量注塑制品在加工过程中不同部位形成的残余应力，为研究高分子新材料、新工艺及其模具优化设计提供基础。

Description

高分子注塑加工残余应力的检测方法
技术领域：
本发明属于高分子材料注塑加工技术领域，具体涉及一种高分子注塑加工残余应力的检测方法。
背景技术：
目前，高分子材料注塑加工残余应力的测试方法主要有机械检测方法与物理检测方法两类。机械检测方法主要有剥层法、钻孔法等。利用机械加工的方法(如钻孔等)，使其因释放部分应力而产生相应的位移与应变，测量这些位移或应变，经换算，得知构件加工处原有的应力。因此，这种测试方法又称为应力释放法。该方法的优点是方便易行，对尺寸较大的金属制件适应性比较好，对高分子材料其测量精度较低。物理检测方法包括光弹法、双折射法、光谱法、x-射线法等。前三种方法主要用于测试透明材料和具有一定光谱效应的高分子复合材料，测量材料种类有限，且测量成本较高。而x-射线法是测量金属材料常用的方法，但其穿透深度较小，只能测量材料表面的残余应力。对于聚合物材料在测量时，通常需要加入金属粒子，以得到所需的衍射峰，这种方法对于高分子材料测量精度较低，特别是对于结晶型材料。
应力释放法在对高分子材料制件去除材料加工时一方面有附加应力产生，另一方面会改变高分子在加工过程中的结构形态，使其应力分布状态发生变化，导致测量误差较大。而对于物理检测方法，其缺点一是测量材料必须满足一定的光学性能要求，测量材料种类有限。二是测量结果受测试环境、测试条件影响较大，测试精度不易保证。针对这些问题。
发明内容：
综上所述，为了克服现有技术问题的不足，本发明提供了一种高分子注塑加工残余应力的检测方法，它是将经过改性处理的导电纤维跟高分子材料一起注塑加工，同时在导电纤维的两端设置电极引出线，然后对注塑品进行热处理，通过测量热处理前后导电纤维的电阻，通过导电纤维电阻的变化转换出注塑品相应的应力，本发明能够准确测量注塑制品在加工过程中不同部位形成的残余应力，为研究高分子新材料、新工艺及其模具优化设计提供基础。 
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：
一种高分子注塑加工残余应力的检测方法，其中：包括工艺步骤如下：
第一步：制作应力传感器
在导电纤维的两端分别设置电极引出线，导电纤维及其两端的电极引出线组成应力传感器；
第二步：装夹
在注塑模具的动模板上设置有装夹装置，将组装好的应力传感器，预置于注塑模具的动模腔内，并通过动模板上设置的装夹装置固定电极引出线，将应力传感器与注塑模具动模板固定；
第三步：注塑加工
进行高分子注塑加工；
第四步：脱模
松开动模板上的装夹装置，脱模，取出高分子注塑件；
第五步：测量电阻
测量包埋在高分子注塑件内的导电纤维的电阻率；
第六步：热处理
对高分子注塑件进行热处理；
第七步：再次测量电阻
测量热处理后高分子注塑件内的导电纤维的电阻率；
第八步：应力计算
将高分子注塑件导电纤维电阻率的变化转换出高分子注塑件相应的残余应力； 
根据电阻应变效应：
Figure 2012103441026100002DEST_PATH_IMAGE001
              
计算出导电纤维在热处理前后产生的应变，式中：
Figure 2012103441026100002DEST_PATH_IMAGE002
-为热处理前的电阻率测量值；
Figure 2012103441026100002DEST_PATH_IMAGE003
-为材料的灵敏系数；
Figure 2012103441026100002DEST_PATH_IMAGE004
-为导电纤维在热处理前后的电阻率变化值， 
由于导电纤维与高分子注塑件集成为一体，因此导电纤维应变与高分子注塑件应变相等，如果注塑材料为结晶性塑料或者玻璃化温度高于热处理温度的无定形材料，则注塑材料可视为弹性材料，高分子注塑件相应的残余应力为：
Figure 2012103441026100002DEST_PATH_IMAGE005
      
  
Figure 2012103441026100002DEST_PATH_IMAGE006
  
式中：
Figure 2012103441026100002DEST_PATH_IMAGE007
-为所计算的应力；
Figure 2012103441026100002DEST_PATH_IMAGE008
-为所测聚合物的弹性模量；
Figure 2012103441026100002DEST_PATH_IMAGE009
-为材料的泊松比；
Figure 2012103441026100002DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 2012103441026100002DEST_PATH_IMAGE011
-为高分子注塑件长度方向和宽度方向的应变；
如果注塑材料玻璃化温度低于热处理温度的无定形材料，为了提高计算精度，注塑材料应视为处于粘弹性状态，高分子注塑件相应的残余应力为：
  
Figure 2012103441026100002DEST_PATH_IMAGE012
    
 
Figure 2012103441026100002DEST_PATH_IMAGE013
式中，
-为所计算的应力；
Figure 231152DEST_PATH_IMAGE008
-为所测聚合物的弹性模量；
Figure 23658DEST_PATH_IMAGE009
-为材料的泊松比；
Figure 803396DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 73971DEST_PATH_IMAGE011
-为高分子注塑件长度方向和宽度方向的应变；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
-为在热处理过程中产生的蠕变，其大小：
Figure 2012103441026100002DEST_PATH_IMAGE016
， 
Figure DEST_PATH_IMAGE017
           
式中，
Figure 2012103441026100002DEST_PATH_IMAGE018
-为热处理时间；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
-为材料的粘壶系数。
本发明的技术方案还可以是这样实现的：第一步：制作应力传感器中，所述的导电纤维为经表面沉积导电聚苯胺后的导电纤维。
本发明的技术方案还可以是这样实现的：第一步：制作应力传感器中，所述的应力传感器包括多个并联或串联的导电纤维。
本发明的技术方案还可以是这样实现的：第二步：装夹步骤中，所采用的电极引出线装夹装置为橡胶套。
本发明的技术方案还可以是这样实现的：第三步：注塑加工步骤中，导电纤维包埋在注塑件中。
本发明的有益效果为：      
1、本发明是将经过改性处理的导电纤维跟高分子材料一起注塑加工，同时在导电纤维的两端设置电极引出线，然后对注塑品进行热处理，通过测量热处理前后导电纤维的电阻，通过导电纤维电阻的变化转换出注塑品相应的应力，本发明能够准确测量注塑制品在加工过程中不同部位形成的残余应力，为研究高分子新材料、新工艺及其模具优化设计提供基础。
2、本发明是在进行高分子注塑加工时，将导电纤维包埋在注塑件中，利用导体纤维的压阻效应实现注塑制品残余应力的原位测量，从而避免外界因素对测量精度的影响，测量结果能够反映注塑过程中残余应力分布的真实状态，测量结果可靠性高。
3、本发明是采用导电纤维材料做感应器原件，最大限度地降低了对注塑过程和冷却过程中的制品内部应力状态的人为干扰。
附图说明：
图1为本发明的应力传感器的结构示意图；
图2为本发明的应力传感器预置在注塑模具的动模腔内的结构示意图；
图3为本发明的采用四探针仪测量电阻的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例一：
本实施例中测量聚丙烯注塑件沿注塑流动方向的残余应力，注塑件的试样5的长度为180mm，宽度为40mm，厚度为3mm。具体测量步骤如下：
第一步：制作应力传感器
如图1所示，在导电纤维1的两端分别设置电极引出线2，导电纤维1及其两端的电极引出线2组成应力传感器，导电纤维1采用经表面沉积聚苯胺后的导电纤维。
第二步：装夹
如图2所示，在注塑模具的动模板3上打孔，然后将橡胶套设置在孔内，将组装好的应力传感器，预置于注塑模具的动模腔内，并通过橡胶套将电极引出线2固定，从而将应力传感器与注塑模具动模固定。本实施例中应力传感器沿制件长度方向布置，安装于模腔厚度方向0.5mm处。
第三步：注塑加工
进行聚丙烯注塑件试样5的注塑加工，试样5的长度为180mm，宽度为40mm，厚度为3mm的平板状注塑件，且制作六个聚丙烯注塑件试样5；注塑加工时，注塑压力为70MPa, 注塑完毕后保压压力50MPa，且，注塑时，预置于注塑模具的动模腔内的应力传感器包埋在注塑件内。
第四步：脱模
注塑加工完毕，待模具及注塑件冷却后，脱模，取出聚丙烯注塑件，再脱模力的作用下，将应力传感器的电极引出线2从橡胶套内抽出。
第五步：测量电阻率
测量包埋在聚丙烯注塑件内的导电纤维1的电阻率；在进行电阻率测量时，采用四探针仪，如图3所示，A,B,C,D为四探针，A,D两处探针间有电流通过，则在B,C两点间产生电位差。
第六步：热处理
将聚丙烯注塑件加热到90℃，然后退火处理4小时；
第七步：再次测量电阻率
再次采用四探针仪测量退火处理后的聚丙烯注塑件内的导电纤维1的电阻率；
第八步：应力计算
将高分子注塑件导电纤维1电阻率的变化转换出高分子注塑件相应的残余应力； 
根据电阻应变效应：
        
Figure 2012103441026100002DEST_PATH_IMAGE020
      
计算出导电纤维1在热处理前后产生的应变，
式中：
Figure 491004DEST_PATH_IMAGE002
-为热处理前的电阻率测量值；
Figure 188833DEST_PATH_IMAGE003
-为材料的灵敏系数；
Figure 331233DEST_PATH_IMAGE004
-为导电纤维1在热处理前后的电阻率变化值， 
由于导电纤维1与高分子注塑件集成为一体，因此导电纤维1应变与高分子注塑件应变相等，由于聚丙烯为结晶聚合物，可将其视为弹性材料，其残余应力：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
      
  
Figure 2012103441026100002DEST_PATH_IMAGE022
  
式中：
Figure 405499DEST_PATH_IMAGE014
-为所计算的应力；
Figure 949744DEST_PATH_IMAGE008
-为聚丙烯的弹性模量；
 -为聚丙烯的泊松比；
Figure 572803DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 185181DEST_PATH_IMAGE011
-为聚丙烯注塑件长度方向和宽度方向的应变；
测量及计算结果见表1。
表1：六个聚丙烯试样纤维电阻率变化测量及残余应力计算结果
退火处理前纤维电阻率
Figure DEST_PATH_IMAGE023
 退火处理后纤维电阻率
Figure 583933DEST_PATH_IMAGE023
 变化率（%） 应变量（%） 残余应力（MPa）
3.135 3.191 1.75 0.506 -5.62
3.146 3.195 1.53 0.442 -4.86
3.145 3.196 1.6 0.462 -5.08
3.138 3.192 1.69 0.481 -5.28
3.142 3.193 1.6 0.463 -5.09
3.147 3.195 1.5 0.432 -4.75
测量结果表明，塑件在该部位存在残余压应力，六个试样平均值为-5.1MPa。
实施例二：
重复实施例一，有以下不同点，本实施例中测量聚碳酸酯注塑件的残余应力，聚碳酸酯的玻璃化温度150℃。
第二步：装夹
       应力传感器沿聚碳酸酯注塑件长度方向布置，安装于模腔厚度方向0.1mm处。
第六步：热处理
将聚碳酸酯注塑件加热到100℃，然后退火处理4小时，
   测量及计算结果见表2。
表2：六个聚碳酸酯试样纤维电阻率变化测量及残余应力计算结果
退火处理前纤维电阻率
Figure 13777DEST_PATH_IMAGE023
 退火处理后纤维电阻率
Figure 130769DEST_PATH_IMAGE023
 变化率（%） 应变量（%） 残余应力（MPa）
3.656 3.608 -1.31 -0.326 6.84
3.666 3.615 -1.39 -0.345 7.24
3.653 3.606 -1.29 -0.321 6.74
3.67 3.618 -1.41 -0.349 7.33
3.663 3.615 -1.31 -0.326 6.84
3.659 3.609 -1.37 -0.34 7.14
测量结果表明，塑件在该部位存在残余拉应力，六个试样平均值为7.01MPa。
实施例三：
重复实施例二，有以下不同点，本实施例中测量ABS注塑件的残余应力，ABS的玻璃化温度为90℃。热处理中，将ABS注塑件加热到100℃，然后退火处理4小时，
第八步：应力计算
由于ABS为玻璃化温度低于热处理温度的无定形材料，为提高计算精度，ABS视为处于粘弹性状态，高分子注塑件相应的残余应力为：
  
Figure 2012103441026100002DEST_PATH_IMAGE024
    
 
Figure DEST_PATH_IMAGE025
式中，
Figure 281259DEST_PATH_IMAGE014
-为所计算的应力；
Figure 800096DEST_PATH_IMAGE008
-为ABS的弹性模量；
Figure 135262DEST_PATH_IMAGE009
-为ABS的泊松比；
Figure 739550DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 818364DEST_PATH_IMAGE011
-为ABS注塑件长度方向和宽度方向的应变；
Figure 191708DEST_PATH_IMAGE015
-为在热处理过程中产生的蠕变，其大小：
Figure 2012103441026100002DEST_PATH_IMAGE026
，            
式中，
-为热处理时间；
Figure 664726DEST_PATH_IMAGE019
-为材料的粘壶系数。
ABS为无定形材料，注塑件通常可视为各向同性，其x和y向应力近似相等。
测量及计算结果见表3。
表3：六个ABS试样纤维电阻率变化测量及残余应力计算结果
退火处理前纤维电阻率 退火处理后纤维电阻率
Figure 775081DEST_PATH_IMAGE023
 变化率（%） 应变量（%） 残余应力（MPa）
3.526 3.483 -1.22 -0.31 5.66
3.539 3.496 -1.22 -0.31 5.66
3.533 3.491 -1.19 -0.31 5.66
3.530 3.489 -1.16 -0.3 5.38
3.537 3.496 -1.16 -0.3 5.38
3.529 3.485 -1.25 -0.32 5.80
测量结果表明，塑件在该部位存在残余拉应力，六个试样平均值为5.59MPa。
由于ABS的玻璃化温度低于聚碳酸酯，在相同的工艺条件下，其注塑制品的的残余应力较小，这主要是由于其粘性变形对残余应力的回复作用引起。
需要说明的是，上述实施例是对本发明技术方案的说明而非限制，所属技术领域普通技术人员的等同替换或者根据现有技术而做的其它修改，只要没超出本发明技术方案的思路和范围，均应包含在本发明所要求的权利范围之内。

Claims (6)

1.一种高分子注塑加工残余应力的检测方法，其特征在于：包括工艺步骤如下：
第一步：制作应力传感器
在导电纤维（1）的两端分别设置电极引出线（2），导电纤维（1）及其两端的电极引出线（2）组成应力传感器；
第二步：装夹
在注塑模具的动模板（3）上设置有装夹装置（4），将组装好的应力传感器，预置于注塑模具的动模腔内，并通过动模板（3）上设置的装夹装置（4）固定电极引出线（2），将应力传感器与注塑模具动模板（3）固定；
第三步：注塑加工
进行高分子注塑加工；
第四步：脱模
松开动模板（3）上的装夹装置（4），脱模，取出高分子注塑件；
第五步：测量电阻
测量包埋在高分子注塑件内的导电纤维（1）的电阻率；
第六步：热处理
对高分子注塑件进行热处理；
第七步：再次测量电阻
测量热处理后高分子注塑件内的导电纤维（1）的电阻率；
第八步：应力计算
将高分子注塑件导电纤维（1）电阻率的变化转换出高分子注塑件相应的残余应力； 
根据电阻应变效应：
Figure 2012103441026100001DEST_PATH_IMAGE002
              
计算出导电纤维（1）在热处理前后产生的应变，式中：
Figure 2012103441026100001DEST_PATH_IMAGE004
-为热处理前的电阻率测量值；
Figure 2012103441026100001DEST_PATH_IMAGE006
-为材料的灵敏系数；
-为导电纤维（1）在热处理前后的电阻变化值， 
由于导电纤维（1）与高分子注塑件集成为一体，因此导电纤维（1）应变与高分子注塑件应变相等，如果注塑材料为结晶性塑料或者玻璃化温度高于热处理温度的无定形材料，则注塑材料可视为弹性材料，高分子注塑件相应的残余应力为：
Figure 2012103441026100001DEST_PATH_IMAGE010
      
  
Figure 2012103441026100001DEST_PATH_IMAGE012
  
式中：
Figure 2012103441026100001DEST_PATH_IMAGE014
-为所计算的应力；
Figure 2012103441026100001DEST_PATH_IMAGE016
-为所测聚合物的弹性模量；
-为材料的泊松比；
Figure 2012103441026100001DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 2012103441026100001DEST_PATH_IMAGE022
-为高分子注塑件长度方向和宽度方向的应变；
如果注塑材料玻璃化温度低于热处理温度的无定形材料，为了提高计算精度，注塑材料应视为处于粘弹性状态，高分子注塑件相应的残余应力为：
 
Figure 2012103441026100001DEST_PATH_IMAGE024
    
Figure 2012103441026100001DEST_PATH_IMAGE026
式中，
Figure 253749DEST_PATH_IMAGE014
-为所计算的应力；
Figure 409923DEST_PATH_IMAGE016
-为所测聚合物的弹性模量；
-为材料的泊松比；
Figure 566546DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 474460DEST_PATH_IMAGE022
-为高分子注塑件长度方向和宽度方向的应变；
Figure 2012103441026100001DEST_PATH_IMAGE028
-为在热处理过程中产生的蠕变，其大小为：
Figure 2012103441026100001DEST_PATH_IMAGE030
， 
Figure 2012103441026100001DEST_PATH_IMAGE032
           
式中，
Figure 2012103441026100001DEST_PATH_IMAGE034
-为热处理时间；
Figure 2012103441026100001DEST_PATH_IMAGE036
-为材料的粘壶系数。
2.根据权利要求1所述的高分子注塑加工残余应力的检测方法，其特征在于：第一步：制作应力传感器中，所述的导电纤维（1）为经表面沉积聚苯胺后的导电纤维。
3.根据权利要求1所述的高分子注塑加工残余应力的检测方法，其特征在于：第一步：制作应力传感器中，所述的应力传感器包括多个并联或串联的导电纤维（1）。
4.根据权利要求1所述的高分子注塑加工残余应力的检测方法，其特征在于：第二步：装夹步骤中，所采用的装夹装置（4）为橡胶套。
5.根据权利要求1所述的高分子注塑加工残余应力的检测方法，其特征在于：第三步：注塑加工步骤中，导电纤维（1）包埋在注塑件中。
6.根据权利要求1所述的高分子注塑加工残余应力的检测方法，其特征在于：第六步：热处理步骤中，对高分子注塑件的热处理工艺，按照注塑材料及注塑工艺而定。
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