5 spôsobov, ako určiť zvyškové napätia na pretlačovaní extrudovaných rúr
Kvôli zlej tepelnej vodivosti termoplastov sa v priebehu procesu ochladzovania po extrúzii vytvárajú vnútorné napätia (vnútorné ťahové a tlakové vnútorné napätia). Vnútorné napätia často vedú k deformáciám a deformácii výrobkov, čo zviditeľňuje prítomnosť vnútorných napätí. V prípade plastových rúrok sa vytvárajú axiálne a tangenciálne vnútorné napätia. Nasledujúce úvahy sa zaoberajú iba tangenciálnymi vnútornými napätiami v plastových rúrach.
Tvorba zvyškových napätí
Termoplastické plasty, najmä polokryštalické, prechádzajú pri ochladzovaní z taveniny veľkými zmenami v objeme asi 20%. Plastové rúry sú zvyčajne chladené z vonkajšej strany. Vonkajší plášť plastovej rúry je už pri kalibrácii zamrznutý, a preto už nemôže vykonávať voľné deformácie. Zvyšok tuby je stále takmer na teplote topenia, ako ukazuje príklad na nasledujúcom obrázku.
To znamená, že objem horúceho materiálu vo vnútri steny rúry sa ešte značne zmenší, zatiaľ čo vonkajší plášť je už zamrznutý, a teda tuhý. Tendenciu horúceho materiálu zmenšovať bráni tuhý vonkajší plášť, čo vedie k vnútorným ťahovým namáhaniam v stene potrubia. Rovnováha síl sa udržiava súčasným vytváraním vnútorných tlakových napätí vo vonkajšej vrstve. Vnútorné napätia sa spočiatku zjavne neprejavujú väčšími deformáciami. Iba vtedy, keď je rúra prerezaná v axiálnom smere a je odstránený pás zo steny rúry, je možné pozorovať „zacvaknutie“ rúry v rúrach, ktoré sú primárne chladené z vonkajšej strany:
Rozsah deformácie často, ale nie vždy, vytvára dojem úrovne zvyškových napätí. Informácie o rozložení zvyškového napätia nemožno odvodiť iba z deformácie. Môžu sa na to použiť napríklad špeciálne testovacie postupy alebo simulačné metódy, ako je znázornené na nasledujúcom obrázku:
Meranie zvyškových napätí v plastových rúrach
Na meranie tangenciálnych zvyškových napätí v plastových rúrkach sa často používa takzvaná Jansonova metóda. Je pomerne rozšírený, ale existujú aj iné metódy. V nasledujúcej tabuľke sú uvedené najdôležitejšie procesy opísané v literatúre:
Janson:
V postupe Jansonovho testu je stanovenie zvyškových napätí založené na deformácii vzorky potrubia spôsobenej odrezaním (vyrezaním pásu v axiálnom smere). Zmena deformácie sa meria pomocou dvoch značiek na úseku rúry určitej dĺžky. Maximálne vnútorné napätie v stene potrubia sa počíta z deformácie pomocou vzorcových vzťahov.
Malá služba:
Metóda merania podľa Kleindienstovej využíva aj deformáciu vzorky spôsobenú zvyškovým napätím po rezaní. V tomto procese je z testovacej vzorky vyrezaný pozdĺžny segment, ktorý narúša rovnováhu vnútorných napätí v potrubí. Dochádza k deformačnej reakcii telesa krúžku, takže sa mení vzdialenosť medzi dvoma reznými hranami. Pomocou stroja na skúšanie ťahu sa vzorka deformuje späť a stanoví sa sila potrebná na dosiahnutie počiatočného stavu. Tangenciálne zvyškové napätia sa počítajú za predpokladu lineárneho rozloženia napätia po hrúbke steny rúry.
Metóda krájania:
Pomocou metódy rozrezávania je možné určiť maximálne zvyškové napätia v axiálnom a tangenciálnom smere. Na stanovenie tangenciálnych vnútorných napätí sa potrubie v pozdĺžnom smere rozreže a pozoruje sa deformácia (zmena priemeru) vzorky potrubia. Vonkajší priemer sa meria po stanovenej dobe. Maximálne tangenciálne zvyškové napätia sa vypočítajú pomocou vzorca. Metóda je obdobou Jansonovej metódy.
Odstránenie vrstvy:
Metóda odstraňovania vrstiev a následného rezania (LRSS) je jedným z procesov, ktoré sa často používajú pre plastové rúrky. Pomocou tejto metódy sa tangenciálne zvyškové napätia merajú pomocou deformačných javov. Metódou LRSS sa z definovaného počtu vzoriek odstránia vrstvy materiálu rôznych hrúbok. Vzorky sa potom rozrežú v axiálnom smere. Meranie sa zaznamená deformácia spôsobená výrezom. Hrúbku steny je možné meniť buď otáčaním vonkajšieho povrchu alebo otáčaním vnútorného povrchu potrubia.
Metóda vrtu:
Metóda vrtu je široko používanou relaxačnou metódou na stanovenie zvyškových napätí. Použitie je spoľahlivé pre širokú škálu typov vzoriek a vedie rýchlo k výsledkom. Metóda ďalej spôsobuje iba okrajové poškodenie vzorky. Postupnosť procesu a postup merania sú okrem iného štandardizované podľa ASTM E837. Pomocou metódy vrtu je možné merať axiálne aj tangenciálne zvyškové napätia. Vnútorné napätia sa určujú vyvŕtaním otvoru (malého priemeru) v povrchu potrubia a výslednými zmenami napätia. Zmeny napätia v okolitom povrchu sa merajú pomocou tenzometrických roziet. V posledných rokoch sa však čoraz viac používajú aj optické techniky na zaznamenávanie javov expanzie. Vŕtaním otvoru s prírastkovým zväčšením hĺbky je možné zaznamenať rozloženie napätia až do hĺbky rádovo podľa priemeru otvoru. Zvyškové napätia sa počítajú z namáhania povrchu, ktoré sa zvyšuje s hĺbkou otvoru.
Vyhodnotenie Jansonovej metódy merania
Vyhlásenie o rozložení stresu
Musí sa rozlišovať, či sa meria skutočné rozloženie zvyškového napätia alebo sa predpokladá lineárne rozloženie zvyškového napätia. Jansonova metóda predpokladá lineárne rozloženie zvyškového napätia. To znamená, že na vonkajšom povrchu sú zvyškové tlakové napätia, ktoré sa lineárne znižujú vo vnútri steny potrubia a potom sa menia na ťahové napätia až po vnútornú stenu potrubia:
Je logické, že tento profil lineárneho zvyškového napätia predstavuje zjednodušený predpoklad. V skutočnosti sa vytvárajú profily zvyškového napätia, ktoré ukazujú nelineárny priebeh, ako je to znázornené napríklad na nasledujúcom obrázku zo simulácie:
Výpočet absolútnych hodnôt pre maximálne zvyškové napätia, ktoré sa vyskytujú pri Jansonovej metóde, je preto veľmi náchylný na chyby.
Úsilie a uplatňovanie
Implementáciu Jansonovho testu označujú používatelia za komplikovanú a málo reprodukovateľnú. Práve preto, že zvyškové napätia sa často používajú ako kritérium kvality, je to často problematické.
Vnútorné napätie sa zmierni, akonáhle sa vykoná rez pílením na odstránenie axiálneho pásu. V závislosti od toho, ako sa vykonáva píliaci rez, môže byť tento efekt viac alebo menej výrazný, čo vedie k nesprávnym výsledkom merania.
Ak odstránený pás nie je dostatočne široký, obidve priliehajúce hrany sa posúvajú k sebe a môžu sa stretnúť. To preruší deformáciu a skreslí výsledok merania. V prípade tenkostenných rúr je možné viesť dva susedné okraje cez seba. Potom sa však dva povrchy rúrok navzájom o seba trú, čo tiež vedie k nesprávnemu výsledku merania. Alternatíva vyrezania širšieho axiálneho pásu sa neodporúča, pretože sťažuje meranie vzdialenosti medzi značkami pohybujúcimi sa k sebe navzájom, čo tiež vedie k chybám merania.
Počas vykonania rezu pílou sa vyskytujú deformácie. Tieto však nie sú definované, a preto ich nemožno zahrnúť do časového priebehu Jansonovho testu. To tiež komplikuje reprodukovateľnosť výsledkov merania a vedie k chybám.
Zhrnutie
Jansonov test je v praxi často používaný, má však rôzne problémy:
- Predpoklad lineárnej krivky vnútorného napätia v stene potrubia
- Nie je možné vyhlásenie o rozložení stresu
- Ťažké zaobchádzanie so skúšobnou metódou, ktoré vedie k zlej reprodukovateľnosti
V súčasnosti sa vyvíja úsilie na vývoj optimalizovaných testovacích metód
Ak chcete byť informovaní o ďalších článkoch o riešení problémov s extrúziou, zaregistrujte sa tu a získate náš bezplatný bulletin. Zároveň získate prístup do našej bezplatnej oblasti na stiahnutie.