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怎样选购万能试验机

   如今越来越多的塑料加工企业都在购买所谓的“万能”试验机,利用它来进行拉伸、弯曲、压缩和剪切试验,以对材料进行性能评价、应用开发研究以及质量控制。发达的电子学改进了这些设备的性能,使之更加易于操作,价格也越来越低。
万能试验机UTM通过不同速度级别的调节,对塑料材料样条进行拉伸、弯曲、压缩或牵引,这是塑料混配实验室中最普通的设备。在混配料的制备过程中,利用UTM测试材料能够判断材料是否适用于某些特定的加工应用或终端应用。UTM还可以用于产品的质量控制,以确保产品质量各个批次之间的一致性。
如今UTM还越来越多的出现在塑料模塑和挤塑实验室中。一方面是因为它们越来越多的参与到新产品和新工艺的开发过程。另外一方面是因为它们在原材料以及成品质量控制上的精确性。在一些社会责任感很强的领域,如医用器械或汽车行业,需要塑料加工设备对他们的产品进行试验,也需要UTM的发挥更大的作用。同时,内部试验可以提高工艺控制的质量,减少废料率,从而也实现了真正的收益。
不同的试验
UTM试验机包括一个或多个垂直承载的立柱,立柱上安装一个固定的水平基座,顶部还有一个可移动的水平十字头(十字横梁)。现在的UTM试验机,立柱上通常还有滚珠丝杠用以固定可移动的十字头。UTM的大小用框架的最大承载水平和测量载荷/拉力的测力计来共同表征。测力计附在依靠电动马达或液压装置驱动的可移动的十字头上。带夹具的系列测力计测量力的大小,可以通过数字显示器或PC机显示结果。很多UTM具有可互换的测力计,因此可以与所测试的不同材料匹配。静态试验利用标准的电子万能试验机来进行,通常加载速度范围为0.001~20 in./min1in.=2.54cm。动态试验或循环试验如裂纹增长和疲劳试验通常利用液压伺服系统UTM试验机来进行,时间较长,载荷较低。
早期的UTM试验机具有类似的电子元器件和记录仪。现在已经被数控设备和PC软件代替。新的自动控制设备可以运行试验,还能显示数据,有时甚至是边运行边记录。以前的记录仪,包括PC软件之前的数字显示时代,用户得到的测试信息都是载荷/变形曲线,Y轴表示应力,X轴表示形变。这些曲线还需要对其进行计算和解释。最新的系统仍然能提供这些曲线,但是同时还能对数据进行计算,如屈服强度、破坏强度和模量等数据。
目前,利用万能试验机所测试的最常见的项目是拉伸强度和拉伸模量、弯曲强度和模量。按照ASTM D 638和ISO 527进行拉伸试验时,样条的两端都有夹具夹紧,一个夹具是静止的,另一个固定在十字头上,背离固定夹具移动,牵引样条直至样条出现断裂,断裂时十字头会自动停止。弯曲试验时ASTM D790 、D6272以及ISO178,样条被放在试验机固定机床的两个支座上。这个试验中,十字头移动的方向与拉伸试验中移动方向相反,向一个没有支撑的中心推动而不是牵引样条,直至样条弯曲甚至断裂。因为多数热塑性塑料材料不会在这个试验中断裂,所以不可能计算断裂弯曲强度。因而,标准的试验方法要求计算应变为5%时的弯曲应力。
压缩试验一般很少应用UTM试验机,尽管这在ASTM D1621和 ISO 844标准中对刚性塑料泡沫而言是一项主要的试验。UTM试验机还能用于任何形状的注塑产品如瓶子的压碎试验,在一定高度将样品摔碎或使其变形所需的应力值即压缩强度值。
据UTM供应商统计,对于塑料材料而言,剪切试验更不多见。剪切强度值是将样品放在冲床型的剪切装置里测得的。冲击速度为0.005in./min,直至样品的可移动部分完全将固定部分露出来。剪切强度值为应力/剪切面积的值。这在薄膜材料和片材产品中很重要,因为这种类型的破坏容易出现在这类产品中,但是这并不是其他挤出和注塑产品设计时考虑最多的因素。按照ASTM D732(没有等同的 ISO 标准)标准进行试验时,常用的试样是塑料片材或0.005~0.500in.厚的注塑碟片。
电子机械式UTM试验机
常用的电子UTM试验机的容量为100~135000 lb。尺寸越大,成本越高。一般来说,立式设备的体积更小也更易于操作,并且还能借助于样品自身的重力,使棘手的样品如薄膜也能同较重的注塑部件一样易于操控。单立柱UTM试验机的力程较低,价格也较低,结构容量一般为1000 lb。门式的UTM试验机的结构容量可达1000~135000 lb。测力计也以某一最大的适用于UTM试验机结构和样品的力值为分类依据。例如,一个100 lb的测力计安装在1000 lb的模框里,可以提供100 lb的试验载荷。测力计的容量不应超过样品预测断裂载荷太多,否则会影响试验结果的精确性。
据Tinius Olsen公司的市场部人员透露,大多数塑料制品用户适应的规格为5000 lb的带3个测力计的单立柱或门式的设备。Tinius Olsen公司最受欢迎的UTM试验机是规格为2000 lb的试验机。Instron公司的MacManuis说,非增强塑料的测试很少使用框架容量规格超过2000 lb的设备。填充和增强塑料所用设备的框架容量经常是5000~7000 lb。但是对于由玻璃、炭黑或其他纤维的连续复合材料,框架容量可能需要60000 lb。如果所购买的设备容量超过了需要的容量,不仅投入成本增加,而且还需要付出更多的测试时间,因为设备越大运行速度也就越慢。例如,250 lb的设备运行速度通常是40in./min,而容量为5000 lb的框架运行速度为20in./min。
软件的发展
软件技术的发展,提高了UTM设备的测试速度并使设备的操作变得更加简便。测试数据的读取、试验的整个过程、试样断裂前是否被拉伸变形、变形和外力是否成比例,这些答案能帮助材料工程师或者制品设计师评价不同材料的性能、测定安全裕度以及更好地模拟终端用户的应用。
新的软件能自动操作试验、采集数据、分析数据、记录输出、存储数据并进行修补。用户可以输入一定的运行载荷速度,系统就会自动调整十字头的运行。新的软件还允许用户通过位移传感器获得试验过程中真实的应变值,位移传感器可以精确测量十字头的位移情况。更换传感器时,新软件还可以使测力计自动识别并校准。
新的PC型UTM试验机的软件现在能执行整个操作,因此成本也会因为取消了数字显示器和一些电子元件而有所降低。去年,Tinius Olsen公司推出了PC机T-系列单立柱和门式的UTM试验机,容量为22250 lb。据估计,T-系列试验机包括PC和数据采集的测试导航软件,比带有数字控制面板的工作台上置的S-系列价格要低10%。使用S-系列试验机时,用户需重新编程才能改变试验程序。而PC驱动的T-系列试验机,只需选择程序选项就可以轻松完成这一过程。
MTS System公司框架容量为2000~5000 lb的门式设备PC机Alliance RT 工作台上置系列售价为25000~50000美元,包括机器、PC机、TestWorks 4软件、一个测力计和一套夹具以及安装和培训的费用。RT系列的数字控制系统的载荷框架里有一个单环路卡,据说是用于提高可信度并降低下行时间。高级的六点导航系统据说可以为十字头通过x、y和z轴定位提供卓越的指导,因此提高了测量的可靠性和精确性。
Testing Machine公司最近引入LabMaster单立柱UTM系统用于容量为250 lb的低应力测试。这个R&D设备包括拉伸试验机、测力计,将可连接网络的PC窗口放在纯平的触摸屏上,减少了工作台所需要的操作空间。改进版的LabMaster软件,名为实验方法软件包,简化了设置,自动设置试验顺序。另外,该设备最值得关注的特点是分辨率很高,可监测载荷或样品位置的细微变化。售价约为16000~16500美元。
Ametek公司的测试和校准设备部门已经从英国Lloyd 设备分公司引进了两种新型的单立柱UTM试验机,十字横梁运行速度比以前型号的试验机测试范围更宽,电子元件性能也有所改善,公司特有的PC窗口Nexygen材料分析和测试软件运行速度更快。其中一款为LFPlus系列数字试验机,低应力设备的容量为250lb。速度范围为0.002~50 in./min,电子元件性能有所改善,数据扫描速度提高了8倍。另一款是容量为1100 lb的LRXPlus系列,十字横梁的运行速度为0.004 ~49in/min。可以进行10个程序试验设置,并可存储600条试验结果。
动态测试
与静态测试所用的电子UTM试验机不同,液压伺服UTM试验机可以进动态测试以及疲劳试验。这样必须反复施加应力,进行加载-释放的循环。例如,疲劳裂纹增长试验,用户期望了解待测材料经过多少次循环会断裂。
动态测试所需的应力比电子万能试验机静态试验中所需的应力要小。液压伺服系统试验机的框架容量从100 lb到数吨不等,价格通常为电子力学试验机的2~3倍。基本用于金属材料的疲劳试验,但是在汽车塑料、航天塑料、生物医药塑料以及电子元件用塑料等方面的应用也越来越广泛,因为这些领域里需要耐疲劳性好的结构部件。
过去的两年中,MTS公司已经开发了两种PC驱动电动伺服的单立柱UTM试验机,据说性能优异,能对材料和小型配件进行低应力的动态和静态测试。尽管价格不菲,但是这些设备比以前任何一款试验机都要适合于动态测试。电动伺服试验机与液压伺服试验机相比,优点在于避免了液压油、泵和冷却水的使用。市场上第一批电动伺服模型是低应力的专用设备。一种是MTS Tytron 250 MicroForce,50 lb的卧式框架设备,已经用于薄包装膜的测试、生物医药管和缝合线的测试以及微电子元件的测试。另一种是MTS NanoBionix,主要用于生物医药材料研究和产品开发。最大载荷仅为51g,循环速度为每秒2500 次,适用于粘弹性材料的准静态和动态性能测试以及很小的微电子元件的性能测试。

  

 

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