プラスチック材料のホールドリル法による実験的残留応力解析

自動穴あけ残留応力測定装置の高分子成形品への適用について紹介する。自動計測システム「」用のアクセサリーを開発しましたtitleRestantitleMTS3000は、基本的に超低速電気モーターと 電子制御システムで構成されています。

1.イントロダクション

この50年間で、プラスチック産業は 大きく発展し、技術的な用途でも鉄鋼産業を凌駕するようになりました。そのため、従来の素材に代わって新しい合成物質が使われるようになり、構造、人間工学に基づいた形状、生産工程が正式に見直されるようになりました。これらの材料がこれほどまでに普及したのは、基本的には、安価で軽量、加工が容易 であり、所望の力学的特性を設計することが可能であるという事実があるからです。そのため、より 正確で詳細な機械的特性評価が必要であり、このような背景から、これらの材料の機械加工プロセスによって引き起こされる残留応力の 価値を知り、研究する必要性が生じています。また、ポリマーの溶融流動、圧力分布、不均一な温度場、密度分布は、すべてポリマー射出成形品に残留応力をもたらし、これらの応力は プラスチック部品の機械的特性に影響を与え、最終形状を変え、製品の寿命を著しく低下させ、さらに寸法不安定や 環境ストレスクラックの可能性を高めることができます。残留応力はプラスチックによく見られるものですが、その大きさは金型設計、材料、加工パラメータなど様々な変数に依存するため、予測することは困難な場合があります。そのため、 プラスチック部品に存在する応力を評価するための信頼性の高い技術を持つことが重要です。穴あけ式ひずみゲージ法では 、さまざまなプラスチック成形品の残留応力を測定することができます。より小さな面積で測定できる利点があります。試験片の表面に特殊なロゼットを接着し、ロゼットの中心を正確に貫く穴を開ける。表面で測定される歪みは、掘削時に緩和された応力に 対応します。測定されたひずみと適切なモデル（ASTM E837など）を使用すると、2つの主軸に沿った応力とその方向を計算することが可能です。

2.計測システム

Fig 1.: a) modified MTS3000 system for measurement of residual stresses in plastic materials

b) specially designed drilling tool

c) drill with 2 cutting edges

ドリルシステムの機械的なセットアップを図1aに示す。SINT Technology 社が開発し、HBMと共同で販売している連結Restan - MTS 3000システムをベースにしています。

図1bは、200回転以下で穴あけができるように特別に設計された穴あけ工具です。この速度により、解析対象の材料に生じる局所的な加熱や残留応力を最小限に抑えることができます。切削工具を図1cに示します。進行方向に対して垂直な2枚の刃を持つ直径1.6mmのツイストドリルで、適度な送り速度で平底の穴を作ることができます。

掘削システムは、電子制御システムと掘削制御ソフトウェアによって電力が供給され、自動的に制御されるため、掘削工程を完全に自動化することができます。測定装置全体を遠隔操作することも可能です。この場合、測定中にオペレータが受ける外的影響を最小限に抑えることができます。

図2は、プレワイヤリングタイプの3素子ストレインゲージロゼットを示しています。このタイプは、取り付けが迅速なだけでなく、溶接ワイヤによる熱の発生がないため、試験に適しています。

取得したデータは、SINT Technology srl社製のEVALソフトウェアのうち、特にプラスチック材料のひずみを処理するための特別バージョンを使用して処理さ れました。このバージョンでは、測定されたひずみの初期最適化された多項式補間を適用します。歪み測定は、規格ASTM E837の規定に準拠して処理されます。

図2】ロゼット：HBM K-RY61-1.5/120R-3 配線済み

3.試験方法

プラスチック材料に穴あけ式ストレインゲージ法を適用する場合の主な作業内容を以下に示します。

ストレインゲージのポリマー表面への接着を妨げるような汚れを取り除くために、適切な 洗浄剤で表面を洗浄する。
ポリマーの物性に影響を与えない接着剤で、ポリマー表面にストレインゲージを貼り付けます。シアノアクリレート系接着剤は、多くの用途に適しています。
ストレインゲージのロゼットは、できるだけ配線済みのものを使用してください。ポリマーの残留応力分布に及ぼす溶接機の熱の影響を排除することができます。このような場合、裏打ちを使用し、溶接時間を短くすることが望ましいです。
ドリルシステムを試料に固定し、ドリル軸が表面に対して垂直になるようにします。
光学顕微鏡を使用して、クロスレティクルがロゼットの中央に正確に来るように合わせます。
顕微鏡を穴あけ工具に 持ち替え、ロゼット中心部を正確に穴あけします。
ひずみゲージに導体テープを一定の厚さで、基準マークが隠れないように貼り付けます。
導体テープの表面に達するまで、穴あけ工具を前進させる。再度カッターを起動し、導体テープとロゼットの裏打ち材を切り抜けるまで前進させます。この点は、カッターの深さが「ゼロ」に相当します。
信号が安定するのに十分な時間（遅延時間）を待った後、カッターを表面に置いた状態で、各ストレインゲージの読み取り値を記録する。
確立された送り速度、最大深度、穴あけステップ 数、自動システムの遅延時間を設定 します。穴は通常、ASTM E837の規格に準拠し、約0.05mm刻みの深さで開けられます。
掘削ステップごとに、3つのストレインゲージの読み取り値と穴の深さが記録されます。
穴あけ装置を顕微鏡に置き換え、垂直な2軸で4回並進させながら、穴径と偏心を測定する。

3.1 Surface preparation and bonding

The chemical affinity of each plastic material with the solvents and adhesives used in installation needs to be analyzed and taken into account. Unsuitable bonding agents can actually damage the strain gauge installation or even the component under analysis. A mechanical surface treatment method is advised for cleaning the surface. Purely by way of example, table 1 indicates the requirements for correctly installing a strain gauge on a plastic material.

3.2 Determining the contact depth (zero setting)

Determining the starting depth is a key aspect of a correct measurement of residual stresses with the hole-drilling method. This point is determined in metal materials by electrical contact. Totally automatically, the MTS3000 system stops the cutter when the drill reaches the surface of the component after cutting through the polyamide backing of the strain gauge rosette. Whereas the zero point in plastic materials cannot be determined simply by electrical contact as they do not allow electric conductivity. Nevertheless, some operations can be used to determine the “zero” point. Essentially, it is possible to operate either:

Determining “zero” depth manually, stopping the cutter when it begins to produce plastic cuttings (figure 3, left), or
Using a special aluminum adhesive tape so that “zero” depth is determined automatically. Once the “zero” point is determined, it is necessary to translate the system by a distance equal to the sum of the thicknesses of the strain gauge rosette and special aluminum tape. (figure 3, right).

Figure 3. Techniques for determining the initial drilling depth.

4.動作パラメータの決定

プラスチック材料の残留応力を穴あけ法で測定することは、金属材料に同じ方法を適用するのとは全く異なる側面があります。プラスチック材料では弾性率が低い ため、同じ荷重をかけても測定されるひずみははるかに大きく、材料を除去する操作に対してより敏感です。切削速度、送り速度、 歪み測定値取得の遅延時間などを 適切に選択する必要があります。

4.1 穴あけ時の回転数

穴あけ加工法によるプラスチック材料の残留応力測定に最も影響を与えるパラメータの1つがドリル速度であることは間違いない。金属材料の残留応力測定に用いられるエアタービンによる高速穴あけ加工は、発熱によりプラスチック材料が溶融し、ひずみゲージを貼る部分の温度が大幅に上昇するため適用できません。

例えば、図4aは、エアタービンを用いた高速穴あけ装置でプラスチック材料に穴をあけたもので、穴の側面でプラスチック材料が溶けていることがよくわかる。圧縮空気の圧力を下げ、エアタービンの回転を遅くすることで、この影響を軽減することはできますが、解消するには十分ではありません。

そのため、切削速度は 非常に低速にならざるを得ません。図4bは、プラスチック材料の残留応力測定用に設計された低速穴あけ装置（200RPM以下）で作られた穴の品質がわかると思います。

Figure 4: a) hole made with a turbine fed with air compressed to a pressure of 4 bars

b) hole made with an electric motor at low speed

c) strain gauge during the drilling process

4.2 Feed rate

Since plastic materials are highly sensitive to mechanical stresses, various experimental drilling tests have been conducted to determine the optimal feed rate.

The test results have shown that the drilling tool has to be advanced more slowly in order to reduce the time of instability after drilling. Reducing the feed rate means increasing the time it takes to measure residual stresses: the right compromise between these two aspects has led to determining the optimal speed for drilling holes in plastic materials.

Table 2 shows the time necessary for drilling and the average stabilization time for each feed rate analyzed: the best compromise is achieved with a feed rate of 0.1 mm/min.

4.3 ディレイタイムの選択

この遅延時間は、穴を開けた後、試料が熱的・機械的なバランスのとれた状態に戻ったときに、ひずみ測定値を取得できるようにするためのものです。テストでは、穴あけ加工の影響を受ける熱バランスに、ごく数秒の遅れで到達することが確認されています。

部品の力学的バランスをとるのに必要な時間を評価するために、プラスチック材料の穴あけの全段階におけるひずみの傾向を測定する試験が必要である。

そこで、アンプとHBM製のacquisition softwareを使用して、掘削作業全体で測定したひずみの傾向を測定することができました。図5に示す結果から、掘削作業中はシステムが機械的に不安定で、システムが安定状態に戻るまでに約90秒待つ必要があることがわかります。十分な遅延時間があれば、各歪みゲージグリッドについて、通常の歪み対深さの曲線を観察することができます。曲線は、送り速度0.2mm/minのテストに対応するものです。

同じ実験を金属材料（スチール、アルミニウム）の穴あけでも繰り返しました。その結果、システムの挙動が示されましたが、安定化時間がより速くなりました（3～5秒）。図6と図7では、金属材料（スチール）とプラスチック材料（ポリカーボネート）のひずみ傾向を詳細に観察することができます。

Figure 5. On the left, acquisition of strains in time. On the right, strains versus drilling depth.

4.4 プラスチック部材の温度変化の検証

穴あけシステムが設計されると、穴あけ加工中のプラスチック（ポリカーボネート）部品にかかる温度が測定されました。その後、深さ2mmの穴を開け、穴から歪みゲージグリッドと同じ距離で、グリッド2（またはB）の反対側に位置するように設置したタイプK熱電対で試験片の温度を取得することができた。

図8は、温度と穴の深さの関係を示したものである。穴あけステップ間の遅延時間は20秒とし、送り速度は0.2mm/min（鋼などの金属材料の試験における標準速度）を選択して試験を実施した。

その結果、掘削工具が歪みゲージグリッドに過剰な加熱を発生させないことが実証された。記録された最大の温度変化は、ドリリングステップの終了時で、1°C以下です。

また、遅延時間中に部品の温度が急激に低下し、初期温度に戻る様子が観察されます。実際、20秒後には温度は初期値に達していることがわかります。初期温度に対する測定値の最大変動は0.24℃です。

Figure 6. Strain trend during drilling on metal material.

Figure 7. Strain trend during drilling on plastic material.

Figure 8: On the left, measured temperature trends. On the right, maximum temperature variations measured for each interval.

5.テストの実施と得られた結果

ポリカーボネート製の家庭用電気製品のプラスチック部品の試験を行いました。この材料は、ヤング率2650MPa、ポアソン比0.37、引張強度80MPaが考慮されています。

自動計測システムには、以下の試験条件を採用した：

最大深度です：2mm
ドリルのステップ：0.05 mm
ドリルのステップ数：40
ドリリングステップトレンド：リニア
送り速度です：0.1 mm/min
ディレイタイムです：90秒
ストレインゲージのロゼット：HBM K-RY61-1.5/120R-3 プリワイヤリング、3線式接続
HBM Spider 8.30 ストレインゲージアンプ

3つの測定ポイントを設定した。図9にその位置を示し、図10に2つの穴あけステージを見ることができる。

例として、図11に測定点1における残留応力の測定結果について示す。グラフは、規格ASTM E837の規定に従って測定したひずみ、主応力、α角の推移を示したものです。他の測定点でも同様の結果が得られたが、簡潔な説明のため、説明は省略する。


図11a.ストレインズ対	図11b.ユニフォミティ試験（ASTM E837-08）

図11c.主応力と理想応力の対比	図11d.α角対深度。