萬(wàn)能試驗機的選擇方法

如今越來(lái)越多的塑料加工企業(yè)都在購買(mǎi)所謂的“萬(wàn)能”試驗機，利用它來(lái)進(jìn)行拉伸、彎曲、壓縮和剪切試驗，以對材料進(jìn)行性能評價(jià)、應用開(kāi)發(fā)研究以及質(zhì)量控制。發(fā)達的電子學(xué)改進(jìn)了這些設備的性能，使之更加易于操作，價(jià)格也越來(lái)越低。

萬(wàn)能試驗機(UTM)通過(guò)不同速度級別的調節，對塑料材料樣條進(jìn)行拉伸、彎曲、壓縮或牽引，這是塑料混配實(shí)驗室中最普通的設備。在混配料的制備過(guò)程中，利用UTM測試材料能夠判斷材料是否適用于某些特定的加工應用或終端應用。UTM還可以用于產(chǎn)品的質(zhì)量控制，以確保產(chǎn)品質(zhì)量各個(gè)批次之間的一致性。

如今UTM還越來(lái)越多的出現在塑料模塑和擠塑實(shí)驗室中。一方面是因為它們越來(lái)越多的參與到新產(chǎn)品和新工藝的開(kāi)發(fā)過(guò)程。另外一方面是因為它們在原材料以及成品質(zhì)量控制上的精確性。在一些社會(huì )責任感很強的領(lǐng)域，如醫用器械或汽車(chē)行業(yè)，需要塑料加工設備對他們的產(chǎn)品進(jìn)行試驗，也需要UTM的發(fā)揮更大的作用。同時(shí)，內部試驗可以提高工藝控制的質(zhì)量，減少廢料率，從而也實(shí)現了真正的收益。

不同的試驗

UTM試驗機包括一個(gè)或多個(gè)垂直承載的立柱，立柱上安裝一個(gè)固定的水平基座，頂部還有一個(gè)可移動(dòng)的水平十字頭（十字橫梁）�，F在的UTM試驗機，立柱上通常還有滾珠絲杠用以固定可移動(dòng)的十字頭。UTM的大小用框架的最大承載水平和測量載荷/拉力的測力計來(lái)共同表征。測力計附在依靠電動(dòng)馬達或液壓裝置驅動(dòng)的可移動(dòng)的十字頭上。帶夾具的系列測力計測量力的大小，可以通過(guò)數字顯示器或PC機顯示結果。很多UTM具有可互換的測力計，因此可以與所測試的不同材料匹配。靜態(tài)試驗利用標準的電子萬(wàn)能試驗機來(lái)進(jìn)行，通常加載速度范圍為0.001~20 in./min(1in.=2.54cm)。動(dòng)態(tài)試驗或循環(huán)試驗如裂紋增長(cháng)和疲勞試驗通常利用液壓伺服系統UTM試驗機來(lái)進(jìn)行，時(shí)間較長(cháng)，載荷較低。

早期的UTM試驗機具有類(lèi)似的電子元器件和記錄儀�，F在已經(jīng)被數控設備和PC軟件代替。新的自動(dòng)控制設備可以運行試驗，還能顯示數據，有時(shí)甚至是邊運行邊記錄。以前的記錄儀，包括PC軟件之前的數字顯示時(shí)代，用戶(hù)得到的測試信息都是載荷/變形曲線(xiàn)，Y軸表示應力，X軸表示形變。這些曲線(xiàn)還需要對其進(jìn)行計算和解釋。最新的系統仍然能提供這些曲線(xiàn)，但是同時(shí)還能對數據進(jìn)行計算，如屈服強度、破壞強度和模量等數據。

目前，利用萬(wàn)能試驗機所測試的最常見(jiàn)的項目是拉伸強度和拉伸模量、彎曲強度和模量。按照ASTM D 638和ISO 527進(jìn)行拉伸試驗時(shí)，樣條的兩端都有夾具夾緊，一個(gè)夾具是靜止的，另一個(gè)固定在十字頭上，背離固定夾具移動(dòng)，牽引樣條直至樣條出現斷裂，斷裂時(shí)十字頭會(huì )自動(dòng)停止。彎曲試驗時(shí)(ASTM D790 、D6272以及ISO178)，樣條被放在試驗機固定機床的兩個(gè)支座上。這個(gè)試驗中，十字頭移動(dòng)的方向與拉伸試驗中移動(dòng)方向相反，向一個(gè)沒(méi)有支撐的中心推動(dòng)而不是牽引樣條，直至樣條彎曲甚至斷裂。因為多數熱塑性塑料材料不會(huì )在這個(gè)試驗中斷裂，所以不可能計算斷裂彎曲強度。因而，標準的試驗方法要求計算應變?yōu)?%時(shí)的彎曲應力。

壓縮試驗一般很少應用UTM試驗機，盡管這在A(yíng)STM D1621和 ISO 844標準中對剛性塑料泡沫而言是一項主要的試驗。UTM試驗機還能用于任何形狀的注塑產(chǎn)品如瓶子的壓碎試驗，在一定高度將樣品摔碎或使其變形所需的應力值即壓縮強度值。

據UTM供應商統計，對于塑料材料而言，剪切試驗更不多見(jiàn)。剪切強度值是將樣品放在沖床型的剪切裝置里測得的。沖擊速度為0.005in./min，直至樣品的可移動(dòng)部分完全將固定部分露出來(lái)。剪切強度值為應力/剪切面積的值。這在薄膜材料和片材產(chǎn)品中很重要，因為這種類(lèi)型的破壞容易出現在這類(lèi)產(chǎn)品中，但是這并不是其他擠出和注塑產(chǎn)品設計時(shí)考慮最多的因素。按照ASTM D732（沒(méi)有等同的 ISO 標準）標準進(jìn)行試驗時(shí)，常用的試樣是塑料片材或0.005~0.500in.厚的注塑碟片。

電子機械式UTM試驗機

常用的電子UTM試驗機的容量為100～135000 lb。尺寸越大，成本越高。一般來(lái)說(shuō)，立式設備的體積更小也更易于操作，并且還能借助于樣品自身的重力，使棘手的樣品如薄膜也能同較重的注塑部件一樣易于操控。單立柱UTM試驗機的力程較低，價(jià)格也較低，結構容量一般為1000 lb。門(mén)式的UTM試驗機的結構容量可達1000~135000 lb。測力計也以某一最大的適用于UTM試驗機結構和樣品的力值為分類(lèi)依據。例如，一個(gè)100 lb的測力計安裝在1000 lb的�？蚶�，可以提供100 lb的試驗載荷。測力計的容量不應超過(guò)樣品預測斷裂載荷太多，否則會(huì )影響試驗結果的精確性。

據Tinius Olsen公司的市場(chǎng)部人員透露，大多數塑料制品用戶(hù)適應的規格為5000 lb的帶3個(gè)測力計的單立柱或門(mén)式的設備。Tinius Olsen公司最受歡迎的UTM試驗機是規格為2000 lb的試驗機。Instron公司的MacManuis說(shuō)，非增強塑料的測試很少使用框架容量規格超過(guò)2000 lb的設備。填充和增強塑料所用設備的框架容量經(jīng)常是5000~7000 lb。但是對于由玻璃、炭黑或其他纖維的連續復合材料，框架容量可能需要60000 lb。如果所購買(mǎi)的設備容量超過(guò)了需要的容量，不僅投入成本增加，而且還需要付出更多的測試時(shí)間，因為設備越大運行速度也就越慢。例如，250 lb的設備運行速度通常是40in./min，而容量為5000 lb的框架運行速度為20in./min。

軟件的發(fā)展

軟件技術(shù)的發(fā)展，提高了UTM設備的測試速度并使設備的操作變得更加簡(jiǎn)便。測試數據的讀取、試驗的整個(gè)過(guò)程、試樣斷裂前是否被拉伸變形、變形和外力是否成比例，這些答案能幫助材料工程師或者制品設計師評價(jià)不同材料的性能、測定安全裕度以及更好地模擬終端用戶(hù)的應用。

新的軟件能自動(dòng)操作試驗、采集數據、分析數據、記錄輸出、存儲數據并進(jìn)行修補。用戶(hù)可以輸入一定的運行載荷速度，系統就會(huì )自動(dòng)調整十字頭的運行。新的軟件還允許用戶(hù)通過(guò)位移傳感器獲得試驗過(guò)程中真實(shí)的應變值，位移傳感器可以精確測量十字頭的位移情況。更換傳感器時(shí)，新軟件還可以使測力計自動(dòng)識別并校準。

新的PC型UTM試驗機的軟件現在能執行整個(gè)操作，因此成本也會(huì )因為取消了數字顯示器和一些電子元件而有所降低。去年，Tinius Olsen公司推出了PC機T-系列單立柱和門(mén)式的UTM試驗機，容量為22250 lb。據估計，T-系列試驗機包括PC和數據采集的測試導航軟件，比帶有數字控制面板的工作臺上置的S-系列價(jià)格要低10%。使用S-系列試驗機時(shí)，用戶(hù)需重新編程才能改變試驗程序。而PC驅動(dòng)的T-系列試驗機，只需選擇程序選項就可以輕松完成這一過(guò)程。 

Testing Machines公司的新型LabMaster系列低載荷UTM試驗機(250 lb)

MTS System公司框架容量為2000~5000 lb的門(mén)式設備PC機Alliance RT 工作臺上置系列售價(jià)為25000~50000美元，包括機器、PC機、TestWorks 4軟件、一個(gè)測力計和一套夾具以及安裝和培訓的費用。RT系列的數字控制系統的載荷框架里有一個(gè)單環(huán)路卡，據說(shuō)是用于提高可信度并降低下行時(shí)間。高級的六點(diǎn)導航系統據說(shuō)可以為十字頭通過(guò)x、y和z軸定位提供卓越的指導，因此提高了測量的可靠性和精確性。

Testing Machine公司最近引入LabMaster單立柱UTM系統用于容量為250 lb的低應力測試。這個(gè)R&D設備包括拉伸試驗機、測力計，將可連接網(wǎng)絡(luò )的PC窗口放在純平的觸摸屏上，減少了工作臺所需要的操作空間。改進(jìn)版的LabMaster軟件，名為實(shí)驗方法軟件包，簡(jiǎn)化了設置，自動(dòng)設置試驗順序。另外，該設備最值得關(guān)注的特點(diǎn)是分辨率很高，可監測載荷或樣品位置的細微變化。售價(jià)約為16000~16500美元。

Ametek公司的測試和校準設備部門(mén)已經(jīng)從英國Lloyd 設備分公司引進(jìn)了兩種新型的單立柱UTM試驗機，十字橫梁運行速度比以前型號的試驗機測試范圍更寬，電子元件性能也有所改善，公司特有的PC窗口Nexygen材料分析和測試軟件運行速度更快。其中一款為L(cháng)FPlus系列數字試驗機，低應力設備的容量為250lb。速度范圍為0.002~50 in./min，電子元件性能有所改善，數據掃描速度提高了8倍。另一款是容量為1100 lb的LRXPlus系列，十字橫梁的運行速度為0.004 ~49in/min�？梢赃M(jìn)行10個(gè)程序試驗設置，并可存儲600條試驗結果。

動(dòng)態(tài)測試

與靜態(tài)測試所用的電子UTM試驗機不同，液壓伺服UTM試驗機可以進(jìn)動(dòng)態(tài)測試以及疲勞試驗。這樣必須反復施加應力，進(jìn)行加載-釋放的循環(huán)。例如，疲勞裂紋增長(cháng)試驗，用戶(hù)期望了解待測材料經(jīng)過(guò)多少次循環(huán)會(huì )斷裂。

動(dòng)態(tài)測試所需的應力比電子萬(wàn)能試驗機靜態(tài)試驗中所需的應力要小。液壓伺服系統試驗機的框架容量從100 lb到數噸不等，價(jià)格通常為電子力學(xué)試驗機的2~3倍�；�本用于金屬材料的疲勞試驗，但是在汽車(chē)塑料、航天塑料、生物醫藥塑料以及電子元件用塑料等方面的應用也越來(lái)越廣泛，因為這些領(lǐng)域里需要耐疲勞性好的結構部件。 扭力計·探傷儀·金相顯微鏡·涂層檢測設備·超聲波測厚儀·粗糙度儀·振動(dòng)測量?jì)x·金屬探測儀·震動(dòng)變送器·光澤度計·轉速表·硬度計·轉速變送器·拉壓力計·

過(guò)去的兩年中，MTS公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了兩種PC驅動(dòng)電動(dòng)伺服的單立柱UTM試驗機，據說(shuō)性能優(yōu)異，能對材料和小型配件進(jìn)行低應力的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測試。盡管價(jià)格不菲，但是這些設備比以前任何一款試驗機都要適合于動(dòng)態(tài)測試。電動(dòng)伺服試驗機與液壓伺服試驗機相比，優(yōu)點(diǎn)在于避免了液壓油、泵和冷卻水的使用。市場(chǎng)上第一批電動(dòng)伺服模型是低應力的專(zhuān)用設備。一種是MTS Tytron 250 MicroForce，50 lb的臥式框架設備，已經(jīng)用于薄包裝膜的測試、生物醫藥管和縫合線(xiàn)的測試以及微電子元件的測試。另一種是MTS NanoBionix，主要用于生物醫藥材料研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。最大載荷僅為51g，循環(huán)速度為每秒2500 次，適用于粘彈性材料的準靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能測試以及很小的微電子元件的性能測試