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怎樣選購萬能試驗機

2006-9-14 0:00:00 來自：廣州精密儀器網

如今越來越多的塑料加工企業都在購買所謂的“萬能”試驗機，利用它來進行拉伸、彎曲、壓縮和剪切試驗，以對材料進行性能評價、應用開發研究以及質量控制。發達的電子學改進了這些設備的性能，使之更加易于操作，價格也越來越低。

萬能試驗機(UTM)通過不同速度級別的調節，對塑料材料樣條進行拉伸、彎曲、壓縮或牽引，這是塑料混配實驗室中最普通的設備。在混配料的制備過程中，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還可以用于產品的質量控制，以確保產品質量各個批次之間的一致性。

如今UTM還越來越多的出現在塑料模塑和擠塑實驗室中。一方面是因為它們越來越多的參與到新產品和新工藝的開發過程。另外一方面是因為它們在原材料以及成品質量控制上的精確性。在一些社會責任感很強的領域，如醫用器械或汽車行業，需要塑料加工設備對他們的產品進行試驗，也需要UTM的發揮更大的作用。同時，內部試驗可以提高工藝控制的質量，減少廢料率，從而也實現了真正的收益。

不同的試驗

UTM試驗機包括一個或多個垂直承載的立柱，立柱上安裝一個固定的水平基座，頂部還有一個可移動的水平十字頭（十字橫梁）。現在的UTM試驗機，立柱上通常還有滾珠絲杠用以固定可移動的十字頭。UTM的大小用框架的最大承載水平和測量載荷/拉力的測力計來共同表征。測力計附在依靠電動馬達或液壓裝置驅動的可移動的十字頭上。帶夾具的系列測力計測量力的大小，可以通過數字顯示器或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。靜態試驗利用標準的電子萬能試驗機來進行，通常加載速度范圍為0.001~20 in./min(1in.=2.54cm)。動態試驗或循環試驗如裂紋增長和疲勞試驗通常利用液壓伺服系統UTM試驗機來進行，時間較長，載荷較低。

早期的UTM試驗機具有類似的電子元器件和記錄儀。現在已經被數控設備和PC軟件代替。新的自動控制設備可以運行試驗，還能顯示數據，有時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代，用戶得到的測試信息都是載荷/變形曲線，Y軸表示應力，X軸表示形變。這些曲線還需要對其進行計算和解釋。最新的系統仍然能提供這些曲線，但是同時還能對數據進行計算，如屈服強度、破壞強度和模量等數據。

目前，利用萬能試驗機所測試的最常見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進行拉伸試驗時，樣條的兩端都有夾具夾緊，一個夾具是靜止的，另一個固定在十字頭上，背離固定夾具移動，牽引樣條直至樣條出現斷裂，斷裂時十字頭會自動停止。彎曲試驗時(ASTM D790 、D6272以及ISO178)，樣條被放在試驗機固定機床的兩個支座上。這個試驗中，十字頭移動的方向與拉伸試驗中移動方向相反，向一個沒有支撐的中心推動而不是牽引樣條，直至樣條彎曲甚至斷裂。因為多數熱塑性塑料材料不會在這個試驗中斷裂，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為5%時的彎曲應力。

壓縮試驗一般很少應用UTM試驗機，盡管這在ASTM 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。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，直至樣品的可移動部分完全將固定部分露出來。剪切強度值為應力/剪切面積的值。這在薄膜材料和片材產品中很重要，因為這種類型的破壞容易出現在這類產品中，但是這并不是其他擠出和注塑產品設計時考慮最多的因素。按照ASTM D732（沒有等同的 ISO 標準）標準進行試驗時，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。一般來說，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，價格也較低，結構容量一般為1000 lb。門式的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依據。例如，一個100 lb的測力計安裝在1000 lb的模框里，可以提供100 lb的試驗載荷。測力計的容量不應超過樣品預測斷裂載荷太多，否則會影響試驗結果的精確性。

據Tinius Olsen公司的市場部人員透露，大多數塑料制品用戶適應的規格為5000 lb的帶3個測力計的單立柱或門式的設備。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，非增強塑料的測試很少使用框架容量規格超過2000 lb的設備。填充和增強塑料所用設備的框架容量經常是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。如果所購買的設備容量超過了需要的容量，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。

軟件的發展

軟件技術的發展，提高了UTM設備的測試速度并使設備的操作變得更加簡便。測試數據的讀取、試驗的整個過程、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不同材料的性能、測定安全裕度以及更好地模擬終端用戶的應用。

新的軟件能自動操作試驗、采集數據、分析數據、記錄輸出、存儲數據并進行修補。用戶可以輸入一定的運行載荷速度，系統就會自動調整十字頭的運行。新的軟件還允許用戶通過位移傳感器獲得試驗過程中真實的應變值，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，新軟件還可以使測力計自動識別并校準。

新的PC型UTM試驗機的軟件現在能執行整個操作，因此成本也會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-系列價格要低10%。使用S-系列試驗機時，用戶需重新編程才能改變試驗程序。而PC驅動的T-系列試驗機，只需選擇程序選項就可以輕松完成這一過程。

MTS System公司框架容量為2000~5000 lb的門式設備PC機Alliance RT 工作臺上置系列售價為25000~50000美元，包括機器、PC機、TestWorks 4軟件、一個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單環路卡，據說是用于提高可信度并降低下行時間。高級的六點導航系統據說可以為十字頭通過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R&D設備包括拉伸試驗機、測力計，將可連接網絡的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。改進版的LabMaster軟件，名為實驗方法軟件包，簡化了設置，自動設置試驗順序。另外，該設備最值得關注的特點是分辨率很高，可監測載荷或樣品位置的細微變化。售價約為16000~16500美元。

Ametek公司的測試和校準設備部門已經從英國Lloyd 設備分公司引進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LFPlus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。可以進行10個程序試驗設置，并可存儲600條試驗結果。

動態測試

與靜態測試所用的電子UTM試驗機不同，液壓伺服UTM試驗機可以進動態測試以及疲勞試驗。這樣必須反復施加應力，進行加載-釋放的循環。例如，疲勞裂紋增長試驗，用戶期望了解待測材料經過多少次循環會斷裂。

動態測試所需的應力比電子萬能試驗機靜態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，價格通常為電子力學試驗機的2~3倍。基本用于金屬材料的疲勞試驗，但是在汽車塑料、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越廣泛，因為這些領域里需要耐疲勞性好的結構部件。

過去的兩年中，MTS公司已經開發了兩種PC驅動電動伺服的單立柱UTM試驗機，據說性能優異，能對材料和小型配件進行低應力的動態和靜態測試。盡管價格不菲，但是這些設備比以前任何一款試驗機都要適合于動態測試。電動伺服試驗機與液壓伺服試驗機相比，優點在于避免了液壓油、泵和冷卻水的使用。市場上第一批電動伺服模型是低應力的專用設備。一種是MTS Tytron 250 MicroForce，50 lb的臥式框架設備，已經用于薄包裝膜的測試、生物醫藥管和縫合線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品開發。最大載荷僅為51g，循環速度為每秒2500 次，適用于粘彈性材料的準靜態和動態性能測試以及很小的微電子元件的性能測試。
　

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