专利名称：残余应力计算方法及残余应力分布推导方法
技术领域：
本发明涉及对在具有规定厚度的树脂成形品的内部的在该树脂成形品厚度方向 上的残余应力进行计算的残余应力计算方法及残余应力分布推导方法。
背景技术：
以往，作为对树脂成形品内部的残余应力进行测定的方法，公知有边破坏树脂成 形品边进行测定的方法，即，开孔法或表层逐次去除法等，还有不破坏树脂成形品的光弹性法等。开孔法，是指预先在树脂成形品中的应变量测定部分的周围贴附应变片(gauge)， 并对沿厚度方向对树脂成形品进行打孔时的应变的变化进行测定而测定残余应力的方法。 该方法主要用于板状制品或三维立体形状制品的平面部分的残余应力测定。但是，在开孔 部分和测定应变的应变片之间存在距离，因而不能够准确地测定成形加工时产生的残余应 力。表层逐次去除法，是指在板状的树脂成形品的一个面上贴附应变片，在另一个面 上去除薄薄的一层的同时测定应变，以此来求出残余应力的方法。该方法不仅能够测定树 脂成形品的面内的残余应力，还能够测定壁厚方向的残余应力。但是，作为测定对象的树脂 成形品限定为板状、管状等的简单形状。另外，不能适用于应变片没有完全粘结在树脂成形 品上的情况，存在测定费事和费时等的缺点。光弹性法，是指将被偏光板偏光处理的光照射在透明的树脂成形品上从透过光的 条纹图案来对残余应力评估的方法，能够简单地测定面内的残余应力的方法。但是，存在不 能测定壁厚方向的残余应力和不适用于不透明的树脂成形品等的缺点。这样，对树脂成形品内部的残余应力进行测定的方法需要改善。因此，在专利文献 1中公开了能够以简便的方法对复杂形状的树脂成形品所产生的残余应力进行测定的方 法。专利文献1 日本特开平11-194056号公报由于存在残余应力时会产生制品寿命的缩短和成形后变形等的不良情况，因而虽 然残余应力的评估重要，但没有对树脂成形品的残余应力分布进行计算的有效方法。在专利文献1记载的残余应力的测定方法中，必须准备成形品内部没有残余应力 的树脂成形品。但是，得到这样的没有残余应力的树脂成形品是困难的，尤其最通常使用的 注塑成形品的情况下是极其困难的。一般，对液状或熔融状的树脂赋形后，树脂固化时的不 均勻的收缩会产生残余应力。当热塑性树脂成形品从熔融状态冷却时，由于其从表层起急 冷，所以表层的树脂几乎不收缩，但由于内部的树脂是缓慢冷却而较大地收缩。其结果，在 内部因表层上被拉伸而产生拉伸应力，在表层上因被内部拉伸而产生压缩应力。另外，包括专利文献1记载的残余应力的测定方法在内，在以往的残余应力的测 定方法中，能够求出作为树脂成形品内的规定方向上的整体的平均残余应力或总残余应 力，但不能求出规定方向上的残余应力分布。即，不能求出规定方向上的各位置的残余应力。由此，人们期望一种能够求出树脂成形品内部的规定位置的残余应力的方法。另外，以往的推导残余应力的方法根据树脂材料的种类，有使用应力开裂(stress crack)的方法和使用光的方法等，各不相同。其结果，不能够适当地评估因树脂材料的种类 不同导致的残余应力的程度差别。另外，现在，树脂成形品的成形条件多通过经验来决定。如果能够求出树脂成形品 的内部的残余应力分布，就能够容易地决定树脂成形品进行成形时的成形条件。由此，人们 期望一种能够求出树脂成形品的内部的残余应力分布的方法。而且，求出树脂成形品内部的残余应力的分布的方法期望是能够容易且迅速地实 施的方法。尤其，在为了决定注塑成形的成形条件而要求出残余应力分布的情况下，关于由 各种成形条件得到的树脂成形品，必须分别求出残余应力分布。

发明内容
本发明是为解决以上课题而研发的，其目的是提供与所使用的树脂材料的种类无 关地、能够简便地进行的、树脂成形品内部的残余应力分布及规定位置的残余应力计算方法。本发明人着眼于边破坏树脂成形品边测定的方法即开孔法，为解决上述课题而进 行了认真的研究。其结果，得到能够通过对树脂成形品进行打孔产生的成形品表面的应变 变化进行测定来解决上述课题，而且，作为树脂成形品内部的规定位置的残余应力计算方 法的优选方法，首先，在具有打孔部的树脂成形品的厚度方向上，对上述树脂成形品的在将 上述打孔部打孔到规定的第一打孔深度时的应变量进行测定，根据所得到的应变量求出因 打孔在树脂成形品上产生的第一应力，接下来，再将打孔部沿上述厚度方向打孔到规定第 二打孔深度，并对此时的上述树脂成形品的应变量进行测定，根据所得到的应变量求出因 该打孔在上述树脂成形品上产生的第二应力，最后，从第二应力中减去第一应力所得到的 差值作为第一打孔深度和第二打孔深度之间的中间深度处的大致的残余应力的值，从而完 成本发明。更具体地，本发明提供如下技术方案。(1) 一种树脂成形品的残余应力计算方法，其特征在于，通过对树脂成形品的表面 的在将所述树脂成形品沿规定方向打孔时的应变量的变化进行测定，计算所述树脂成形品 的内部在所述规定方向上的规定位置的残余应力。(2) 一种残余应力计算方法，用于计算树脂成形品的内部的在所述树脂成形品厚 度方向上的规定位置的残余应力，其特征在于，在所述树脂成形品中设置有打孔部，其在 垂直于所述厚度方向的面上，用于将所述树脂成形品沿厚度方向打孔；应变测定部，用于在 进行所述打孔时，对所述的与所述厚度方向垂直的面上产生的应变进行测定，该残余应力 计算方法具有以下工序第一应力测定工序，通过所述应变测定部对所述树脂成形品的在 将所述打孔部沿所述厚度方向打孔到规定的第一打孔深度时的应变量进行测定，根据所得 到的应变量测定因所述打孔在所述树脂成形品上产生的第一应力；第二应力测定工序，通 过所述应变测定部对所述树脂成形品的在将所述打孔部沿所述厚度方向打孔到规定的第 二打孔深度时的应变量进行测定，根据所得到的应变量测定因所述打孔在所述树脂成形品 上产生的第二应力；残余应力计算工序，将从所述第二应力减去所述第一应力计算得到的 差值，作为第一打孔深度和第二打孔深度之间的中间深度处的残余应力。
(3)在技术方案(2)记载的残余应力计算方法中，其特征在于，所述树脂成形品的 所述规定厚度小于或等于1. 2X打孔直径。(4)在技术方案⑵或(3)记载的残余应力计算方法中，其特征在于，所述树脂成 形品是在所述厚度方向上对称的形状。(5)在技术方案(2) (4)任一项记载的残余应力计算方法中，其特征在于，根据 从所述树脂成形品的表面的变形得到的图像解析进行所述应变量的测定。(6)在技术方案(2) (5)任一项记载的残余应力计算方法中，其特征在于，所述 树脂成形品是对所述应变量进行测定的位置不平坦的树脂成形品，通过三维图像解析进行 所述应变量的测定。(7)在技术方案(2) (6)任一项记载的残余应力计算方法中，其特征在于，所述 树脂成形品是打孔困难的形状，所述的残余应力计算方法还具有加工工序，在所述第一应 力测定工序之前打孔，将该树脂成形品加工成能够打孔的状态，所述的残余应力计算方法 对处于所述加工工序中的树脂成形品的表面的应变量进行测定，将向对所述树脂成形品进 行打孔时测定的应变量加上所述加工工序时的应变量后得到的值，用在对所述树脂成形品 的内部的规定位置的在所述规定方向上的残余应力的计算中。(8) 一种残余应力分布推导方法，用于对具有规定厚度的树脂成形品的内部的 在该树脂成形品的厚度方向上的残余应力分布进行推导，其特征在于，在通过技术方案 (2) (7)任一项记载的方法计算出残余应力之后，具有第三应力测定工序，从所述第二 打孔深度继续打孔到规定的第三打孔深度，与所述第一应力测定工序同样地，对在所述树 脂成形品上产生的第三应力进行测定；第二残余应力计算工序，将从所述第三应力中减去 所述第二应力所计算得到的差值，作为所述第二打孔深度和所述第三打孔深度之间的中间 深度处的第二残余应力。(9) 一种残余应力分布推导方法，是在技术方案(8)记载的残余应力分布推导方 法后进行的残余应力分布推导方法，其特征在于，对于第三残余应力及其之后的残余应力， 具有第n应力测定工序，使符号n为4以上的自然数，从第(n-1)打孔深度基础上进一步 打孔到规定的第n打孔深度，与所述第一应力测定工序同样地，对在所述树脂成形品上产 生的第n应力进行测定；第(n-1)残余应力计算工序，将从所述第n应力减去第(n_l)应力 计算得到的差值，作为所述第(n-1)打孔深度和所述第n打孔深度之间的中间深度处的第 (n-1)残余应力，从第一残余应力计算工序起依次进行到第(n-1)残余应力计算工序。(10)在技术方案(8)或(9)记载的残余应力分布推导方法中，其特征在于，从第一 残余应力计算工序到第n残余应力计算工序期间，各工序中的在进行所述打孔时的在所述 厚度方向上的打孔长度是相等的。(11) 一种树脂成形品设计法，通过技术方案(1) (7)记载的残余应力计算方法 计算出的残余应力为所期望的值以下，以这样的方式进行制品设计。(12) 一种故障解析法，其特征在于，根据通过技术方案⑴ (7)记载的残余应力 计算方法计算得到的残余应力进行短期或长期破坏解析。根据本发明，能够容易地求出树脂成形品内部的规定位置的残余应力。而且，通过 在每个规定的位置求出残余应力，能够容易地求出树脂成形品内部的应力分布。


图1是具有在z方向上延伸的规定厚度的树脂成形品中，表示与用于测定残余应 力的方向相垂直的面的俯视图。图2是表示直到推导出第一残余应力为止的树脂成形品的侧剖视图。图3是表示从测定完第二残余应力之后到推导出第三残余应力之前的树脂成形 品的侧剖视图。图4是表示从测定完第(n-1)残余应力之后到推导出第(n-1)残余应力之前的树 脂成形品的侧剖视图。图5是表示根据从测定第一残余应力到测定第(n-1)残余应力期间的测定结果作 成的残余应力分布的图。图6是表示实施例中使用的树脂成形品的图。图7是表示通过开孔法得到的残余应力和通过打孔从树脂成形品释放的应力之 间的关系的图。图8是表示成形条件对残余应力分布的影响的图。图9是表示成形品的形状对残余应力分布的影响的图。图10是表示退火处理对残余应力分布的影响的图。图11是表示玻璃填充材料中的残余应力分布的图。图12是表示非结晶性树脂中的残余应力分布的图。图13是表示嵌入有实施例12使用的金属制的棱销的成形品的图。图14是表示嵌入有实施例12使用的金属制的棱销的成形品的残余应力分布的 图。
具体实施例方式以下，对本发明的一实施方式进行详细说明，但本发明不限于以下的实施方式，在 本发明的目的的范围内，能够适当变更地实施。本发明的残余应力计算方法是通过对树脂成形品打孔而产生的、成形品表面的应 变变化来进行测定，进而来计算出树脂成形品内部的规定位置上的残余应力。将成形品表面的因打孔产生的应变量利用后述的以往公知方法变换成应力后，所 得到的应力的值为打孔深度的中间位置(中间深度)的残余应力。发现这样得到的应力为 打孔深度的中间位置的残余应力这点是本发明的特征。另外，通过计算出多个位置的残余应力，能够推导出残余应力的分布。例如，通过 以下方法能计算出树脂成形品内部的规定位置的残余应力，而且，通过计算出多个位置的 残余应力，能够推导出残余应力的分布。在以下的说明中，首先，对作为本发明的对象的树 脂成形品进行说明。另外，以下说明的是本发明的残余应力计算方法及残余应力分布推导 方法的优选例，本发明不限于以下的方法。〈树脂成形品〉本发明所使用的树脂成形品具有规定厚度，并且该树脂成形品设置有打孔部，在 与上述厚度方向垂直的面上，用于沿厚度方向对树脂成形品进行打孔；应变测定部，因该打 孔而释放树脂成形品内部的应力，该应变测定部用于测定因释放应力而产生的应变。
7
本发明在所使用的树脂成形品是结晶性热塑性树脂的注塑成形品的情况下效果 尤其好。在注塑成形品的成形时，一般成形品在表面附近迅速冷却而在内部相对较慢地冷 却，从而被注入模具内的熔融树脂的固化不均勻地进行。其结果，在内部因被表层拉伸而产 生拉伸应力，在表层因被向内部拉伸而产生压缩应力。实际的树脂成形品中的应力分布根 据成形品的形状或成形条件等不同，其应力分布并不必然成为明确的压缩-拉伸的关系。 在本发明中，能够求出应力的种类或分布状态如何变化、树脂成形品内部的规定区域的残 余应力分布、以及树脂成形品内部的规定位置的残余应力。本发明所使用的树脂成形品具有规定厚度。本发明的残余应力计算方法、残余应 力分布推导方法求出树脂成形品内部的上述规定厚度方向上的规定位置的残余应力、及厚 度方向上的规定区域的残余应力分布。无论是什么样的树脂成形品，在所有方向上都具有 规定厚度，厚度方向的确定方法没有特别限定，能够将树脂成形品内的所期望的方向设定 成上述厚度方向。图1是表示具有沿z方向延伸的规定厚度的树脂成形品的、与测定残余应力的方 向相垂直的面的俯视图。如图1(a)所示，本发明所使用的树脂成形品是，在与厚度方向垂 直的面上设置有用于沿厚度方向对树脂成形品进行打孔的打孔部；用于对打孔时在与该 厚度方向垂直的面上产生的应变进行测定的应变测定部。打孔部设置在上述与厚度方向垂直的面的中央部。打孔部是从具有打孔部的上述 与厚度方向垂直的面被沿厚度方向(z方向)打孔的。打孔部由图1中的圆表示，但不是必 须标注记号这样的图示等。另外，打孔部不是必须设置在上述与厚度方向垂直的面的中央 部，也可以设置在所期望的位置。应变测定部在上述打孔部的周围设置在三处。上述打孔部被沿厚度方向打孔时， 对因打孔释放出来的应力所产生的应变的量进行测定。另外，应变测定部的数量没有特别 限定，可以是单个的应变测定部，也可以设定多个应变测定部。打孔部和应变测定部的位置 关系没有特别限定，但为了能够对各向异性的残余应力进行定量地评估最大主应力的值和 方向、及最小主应力的值和方向，优选三个位置的应变测定部包围打孔部。树脂成形品的规定厚度如下所述原因优选为打孔直径的1. 2倍以下。这是因为这 样得到的残余应力更准确。另外，在以往的方法中，对厚度为3轴玫瑰瓣状应变片半径的 1. 2倍以下这样薄的树脂成形品的厚度方向的残余应力进行的测定位于ASTM的保障范围 之外，实质上测定是困难的。如果使用本发明的计算方法，即使是上述非常薄的厚度的树脂 成形品，也能够计算厚度方向的残余应力，这点也是本发明的特征之一。如下所述，通过使树脂成形品的厚度为规定厚度以下，得到的残余应力的值变得 更准确。如果是具有厚度方向(z方向)上对称的形状且厚度方向的长度为Lz的树脂成形 品，若求出(1/2)Lz的残余应力分布，则能够求出Lz的残余应力分布。如果树脂成形品是 厚度方向(z方向)上对称的形状，则残余应力分布也在z方向上对称。本发明所使用的树脂成形品中所含有的树脂没有特别限定，可以使用以往公知的 一般树脂。另外，在树脂成形品中也可以含有多种树脂。另外，在树脂成形品中也可以含 有，通过添加玻璃纤维等的强化材料、滑石等的无机填充剂、成核剂、炭黑、无机烧结颜料等 的颜料、抗氧化剂、稳定剂、增塑剂、润滑剂、脱模剂及阻燃剂等的添加剂来赋予所期望的特 性的组成物，对该组成物成形而成的树脂成形品。这样，本发明能够与树脂材料的种类无
8关地进行适用，从而能够优选用于从作为候补材料的多种树脂材料中选择适当的材料的情 况。另外，与树脂材料无关地以相同方法计算残余应力并进行比较，由此能够更准确地评估 残余应力的使用材料导致的程度的差异。虽然树脂成形品不论通过哪种成形法成形、有怎样的使用经历本发明都是适用 的，但在通过容易产生残余应力的注塑成形法成形的成形品中，本发明尤其有效果。另外， 本发明所使用的树脂成形品能够以所期望的条件成形。只要在表面上存在打孔部和能够测定应变的部位，不论是由单一的树脂制作的成 形品，还是由多种树脂或由树脂和其他材质积层而复合品，本发明都适用。可以是平面状、 弯曲状、弯折状等组合成的任何形状。即使是打孔困难的形状的树脂成形品，只要能加工成能够打孔的状态，就能应用 本发明。具体的方法如下所述。所谓“打孔困难的形状”可以列举如下形状，例如成形品为 箱型且具有高的壁的情况等，为了高精度地求出底面表层附近的残余应力，在要相对于底 面垂直地进行打孔时，要使打孔器具在与底面的壁成L字形角部附近与成形品的壁接触， 这使打孔变得困难。〈残余应力计算方法〉本发明的残余应力计算方法具有以下工序第一应力测定工序，对树脂成形品的 在厚度方向上的将打孔部打孔到规定的第一打孔深度时的应变量进行测定，根据所得到的 应变量测定因上述打孔在树脂成形品上产生的第一应力；第二应力测定工序，对树脂成形 品的在厚度方向上的将打孔部打孔到规定第二打孔深度时的应变量进行测定，并根据所得 到的应变量测定因该打孔在树脂成形品上产生的第二应力；残余应力计算工序，将从第二 应力减去第一应力计算得到的差值作为第一打孔深度和第二打孔深度之间的中间深度处 的残余应力。以下，对本发明的残余应力计算方法的一例进行说明。[第一应力测定工序]第一应力测定工序也包含完全没有打孔的情况。完全没有打孔的情况下，第一打 孔深度为0。另外，由于完全没有打孔，所以应变量也为0，由于因打孔从树脂成形品 被释放的应力也为0，所以第一应力为0。以下，对第一打孔深度Zl为0的情况进行说明。 此外，第一打孔深度Zl不为0的情况下，如以下的第二应力测定工序那样得到的应力成为
第一应力。此外，在打孔困难的形状的树脂成形品的情况下，首先，加工成能够打孔的状态， 然后进行以下的打孔。加工方法没有特别的限定，能够使用以往公知的加工方法。作为以 往公知的加工方法可以列举切削和研磨等。加工时，利用后述的方法预先对树脂成形品表 面的因该加工产生的应变量进行测定。[第二应力测定工序]所谓第二应力测定工序是指，利用应变测定部对树脂成形品的在将打孔部在厚度 方向上打孔到规定第二打孔深度时的应变量进行测定，根据所得到的应变量对因上述打孔 在树脂成形品上产生的第二应力进行测定的工序。以下，参照附图对第二应力测定工序进 行详细说明。图2中(a)表示打孔前的树脂成形品。树脂成形品1是在z方向上长度Lz、x-y 截面为半径R的圆柱状的情况。树脂成形品1的上端面11如图1中(b)所示。上端面11如图1所示呈半径R的圆形。另外，在上端面11设置有打孔部111和应变片112、112、112。如图1中(b)所示，打孔部111是半径r的圆形，被设置在上端面11的中央部。如 下所述，打孔部111是在厚度方向(z方向)被打孔的部分。此外，打孔部111的形状、大小 等没有特别的限定，能够以所期望的形状、大小适当变更并实施。如图1(b)所示，应变片112、112、112是以90°、135°、135°的间隔设置在打孔部 111的周围。应变片112、112、112用于对在厚度方向(z方向)上将上述打孔部111打孔时 产生的、上端面11的除了打孔部111以外的部分((R_r)的部分)的应变量进行测定(也有 将(R_r)称为“用于测定应变量的部分”的情况)。应变片112、112、112在本发明中相当于 应变测定部。应变测定部不限于上述的应变片，只要能够测定上端面11的在对打孔部111 打孔时产生的应变量即可。例如，也可以使用通过对树脂成形品表面的变形进行图像解析 来计算出应变量的关联系统(correlation system)等，间接地测定应变量的方法。另外， 对应变量进行测定的位置不平坦的情况下，能够通过以往公知的三维图像解析方法进行应 变量的测定。例如在关联系统中，通过组合两台摄像装置，能够进行三维测定。图2中(b)表示以打孔到第二打孔深度时的树脂成形品的剖视图。如图2中(b) 所示，在厚度方向(Z方向)上以深度22对打孔部111打孔。打孔的方法没有特别限定，能 够利用以往公知的加工方法进行打孔。例如，通过钻头加工等对打孔部111进行打孔。通过该打孔，如图2中(b)所示，用于测定应变量的部分(R_r)变成(R-r+、2)，产 生了、2的应变。该应变量使用上述应变片112、112、112进行测定。这里，测定的应变量 能够通过以往公知的方法变换成应力。例如，将应变片112、112、112与电阻丝应变计连接， 变换成上述打孔时产生的应力。即，在厚度方向(z方向)对打孔部111以深度z2打孔时， 能够求出从树脂成形品释放的树脂成形品的内部应力。这里得到的应力是第二应力。此外， 在预先对不能打孔的树脂成形品进行加工的情况下，在上述S r2加上上述加工时产生的应 变量来测定应力。[残余应力计算工序]所谓残余应力计算工序是指，将从上述第二应力减去0 (上述第一应力)计算得到 的差值，作为上述打孔部和上述第一打孔深度之间的中间深度处的残余应力的工序。本发 明的最大的特征之一是通过如下操作后得到的，即，将树脂成形品在规定厚度方向上以第 一打孔深度打孔，求出第一应力，再打孔到第二打孔深度，求出第二应力，将从第二应力中 减去第一应力计算得到的差值作为第一打孔深度和第二打孔深度之间的中间深度处的残 余应力。也有将这里的残余应力称为第一残余应力的情况。根据本发明，通过调整第一打孔深度和第二打孔深度，能够求出所期望的深度处 的残余应力。即，能够求出树脂成形品内的所期望的位置的残余应力。另外，即使求出相同 深度处的残余应力的情况下，也能够通过调整第一打孔深度和第二打孔深度之间的距离， 来调整求得的残余应力的精度。另外，第一打孔深度和第二打孔深度的距离短时所求得的 残余应力的准确性高。例如，通过调整22，能够求出在所期望的位置的残余应力。另外，Z2 短时，第二打孔深度和第一打孔深度之差变小，求得的残余应力的准确性高。尤其，本发明 的残余应力计算方法中，树脂成形品1的厚度方向的长度Lz短的话，在厚度方向(Z方向) 所有位置上，能够更准确地测定残余应力。这是因为，如果厚度薄，被打孔的部分和应变量 测定部的位置接近，能够准确地测定应变量，从该应变量得到的应力也变得更准确。即，本发明的残余应力计算方法优选适用于残余应力测定方向上的厚度薄的成形品。具体地，厚 度方向(z方向)的长度Lz优选为打孔的孔径的1. 2倍以下。另外，即便是厚度大的成形品，如果树脂成形品是在厚度方向(z方向)上对称的 形状，所得到的残余应力的计算结果也是更准确的结果。如上所述，只要树脂成形品是在厚 度方向(z方向)上对称的形状，则残余应力分布也在厚度方向(z方向)上对称。〈残余应力分布推导方法〉本发明的残余应力分布推导方法是在上述残余应力计算方法基础上做出的发明。 因此，关于本发明的残余应力分布推导方法，在上述残余应力计算方法的说明的基础上，进 行以下详细说明。本发明的残余应力分布推导方法还具有第三应力测定工序，通过上述残余应力 计算方法计算得到的第一残余应力之后，再从上述第二打孔深度z2打孔到规定第三打孔深 度z3，与上述残余应力计算方法的第二应力测定工序同样地，对上述树脂成形品上产生的 第三应力进行测定；第二残余应力计算工序，将从上述第三应力中减去上述第二应力所计 算得到的差值，作为第二打孔深度z2和第三打孔深度z3之间的中间深度处的第二残余应 力。而且，对于第三残余应力及其之后的残余应力，通过具有如下工序的方法推导第n应 力测定工序，将符号n作为4以上的自然数，对于从第(n-1)打孔深度打孔到规定第n打孔 深度zn，与上述第二应力测定工序同样地，对上述树脂成形品上产生的第n应力进行测定； 第n残余应力计算工序，将从第n应力减去第(n-1)应力计算得到的差值，作为第(n_l)打 孔深度z(n_D和所述第n打孔深度\之间的中间深度处的第(n-1)残余应力。此外，从第一 残余应力计算工序开始依次进行第(n-1)残余应力计算工序。[第三应力测定工序]所谓第三应力测定工序是指，在上述第二应力测定工序之后，进一步从上述第二 打孔深度22打孔到规定第三打孔深度，与第二应力测定工序同样地，对树脂成形品上产生 的第三应力进行测定的工序。以下利用附图对第三应力测定工序进行详细说明。在第三应力测定工序中，如图3(a)所示，将已打孔到深度z2的部分进一步沿厚度 方向(z方向)打孔到规定的深度。打孔后的打孔深度是第三打孔深度，如图3(a)所示，第 三打孔深度作为z3。打孔的方法与第二应力测定方法同样，该方法没有特别限定，能够使用 以往公知的方法。如图3(a)所示，通过该第三应力测定工序中的打孔，在对第二应力进行测定时的 应变量、2的基础上，进一步应变5r3。应变量的测定能够利用与第二应力测定工序同样 的方法进行。而且，利用与第二应力测定工序同样的方法，能够对因该第三应力测定工序的 打孔从树脂成形品释放的应力进行测定。这里得到的应力是第三应力。[第二残余应力计算工序]所谓第二残余应力计算工序是指，将从上述第三应力中减去上述第二应力得到的 差值，作为第二打孔深度z2和第三打孔深度z3之间的中间深度处的残余应力(第二残余应 力)计算的工序。上述第一残余应力是，厚度方向(Z方向)的深度z2/2处的残余应力，第 二残余应力是厚度方向(z方向)的深度(Z2+(Z3-Z2)/2)处的残余应力。与上述残余应力 同样地，第二残余应力能够是通过调整z2、z3的深度作为所期望的位置的残余应力求出来。 这样，通过使用本发明的残余应力计算方法，求出树脂成形品1的厚度方向(z方向)的所
11期望的两个位置的残余应力，其结果，能够得到厚度方向的残余应力的分布。如下所述，通 过在二个以上的点求出残余应力，能够推导更详细的残余应力分布。[第n应力测定工序]所谓第n应力测定工序是指，对第四应力以后的应力进行测定的工序，是将符号n 设为4以上的自然数，从第(n-1)打孔深度Z(n_D进一步打孔到规定第n打孔深度zn，与上 述第二应力测定工序同样地，对从上述树脂成形品被释放的第n应力进行测定的工序。关于第n应力测定工序使用具体例进行说明。可考虑符号n = 4的情况时，第n 应力测定工序成为第四应力测定工序。该情况下，第(n-1)打孔深度Z(n_D成为第三打孔深 度z3，第n打孔深度zn成为第四打孔深度z4。即，所谓第四应力测定工序是指，在计算出通 过上述残余应力计算方法得到的第二残余应力之后，再从上述第三打孔深度z3打孔到规定 第四打孔深度z4，与上述残余应力计算方法的第二应力测定工序同样地，对从上述树脂成 形品释放的第四应力进行测定的工序。计算第二残余应力之后，树脂成形品1如图3中(a) 所示。如图3中(b)所示，将打孔到深度z3的部分进一步沿厚度方向(z方向)打孔到规 定的深度。打孔后的打孔深度是第四打孔深度，如图3中(b)所示，设第四打孔深度为z4。 打孔的方法与第二应力测定方法同样地，该方法没有特别限定，能够使用以往公知的方法。如图3中(b)所示，通过该第四应力测定工序中的打孔，在对第三应力进行测定时 的应变量、2+、3的基础上，进一步应变Srf。该应变量的测定能够通过与第二应力测定 工序同样的方法进行。而且，能够通过与第二应力测定工序同样的方法，测定因该第四应力 测定工序的打孔在树脂成形品1上产生的应力。这里得到的应力是第四应力。接下来，关于第n应力测定工序，对自然数n的情况进行说明。图4中(a)表示将 树脂成形品1沿厚度方向打孔到第(n-1)打孔深度2^)，求出第(n-2)残余应力时的树脂 成形品1的剖视图。在本工序中，将打孔到图4(a)所示的深度z^)的部分进一步沿厚度 方向(z方向)打孔到规定的深度。如图4中(b)所示，打孔后的打孔深度是第n打孔深度 zn。打孔的方法与第二应力测定方法同样地，该方法没有特别限定，能够使用以往公知的方 法。如图4中(b)所示，通过该第n应力测定工序中的打孔，在测定第(n-1)应力后的 图4中(a)所示的总应变量的基础上，进一步应变Sm。该应变量的测定能够通过与第二 应力测定工序同样的方法进行。而且，能够通过与第二应力测定工序同样的方法，对因该第 n应力测定工序的打孔在树脂成形品1上产生的应力进行测定。这里得到的应力是第n应 力。[第(n-1)残余应力计算工序]所谓第(n-1)残余应力计算工序是指，求出第三残余应力以后的残余应力的工 序。更具体地，将符号n设为4以上的自然数，将从第n应力减去第(n-1)应力计算得到的 差值作为第(n-1)残余应力，也就是作为第(n-1)打孔深度z^)和第n打孔深度\之间的 中间深度处的残余应力。关于第(n-1)残余应力计算工序使用具体例进行说明。考虑符号n为4的情况时， 第(n-1)残余应力计算工序成为第三残余应力计算工序。该情况下，第(n-1)应力成为第 三应力，第n应力成为第四应力。另外，第(n-1)打孔深度Zfo-D成为第三打孔深度z3，第n 打孔深度\成为第四打孔深度z4。因此，将从第四应力减去第三应力计算得到的差值，作为第三打孔深度z3和第四打孔深度z4之间的中间深度处的第三残余应力。接下来，关于第(n-1)残余应力计算工序，对符号n为自然数n的情况进行说明。 本工序中计算的第(n_l)残余应力能够是作为第n应力减去第(n-1)应力所得到的差值求 出的。该差值是第(n-1)打孔深度z^)和第n打孔深度\之间的中间深度处的残余应力。 如图4中(b)所示，所谓“第(n-1)打孔深度z^)和第n打孔深度zn之间的中间位置”是 指((Zn-ZkdA+ZkD)。这样通过依次进行从最初的残余应力计算工序到第(n-1)残余应 力计算工序，能够得到树脂成形品的厚度方向(z方向)的详细的残余应力分布。图5表示根据从第一残余应力到第(n-1)残余应力的测定结果所作成的残余应力 分布。在图5中，第一应力为0，第二应力为F2，第三应力为F3，第(n-1)应力为F^)，第n 应力为Fn，最初的残余应力为，第二残余应力为o2，第三残余应力为o3，第(n-1)残余 应力为O (n-D。如图5所示，在树脂成形品1是注塑成形品的情况下，表层附近的残余应力0 i成 为压缩应力，树脂成形品的内部的残余应力即o2、o3、0(n_D是拉伸应力。为了更容易地 得到更适当的残余应力分布，优选将残余应力在厚度方向上等间隔地进行推导。另外，为求 出合适的残余应力分布所需要的残余应力的数量没有特别限定，其因树脂成形品的形状、 使用材料等而不同，一般地，通过在规定厚度方向上求出5个位置以上的残余应力，就能够 得到准确的规定厚度方向的残余应力分布。如果树脂成形品的形状是在厚度方向上对称的形状，则通过推导Lz/2的残余应 力分布，能够推导厚度方向(z方向)整体的残余应力分布。如果树脂成形品是在厚度方向 (z方向)上对称的形状，则残余应力分布也在z方向上对称。<成形材料的研究>如果使用由本发明的残余应力分布计算方法推导的残余应力分布，能对任意的树 脂材料成形而成的树脂成形品，推导出树脂成形品内的规定区域的残余应力分布。而且，在 对具有各向异性的材料进行成形而成的树脂成形品中，也能通过计算三个方向的应变，定 量地评估残余应力的各向异性。〈成形条件的研究〉如果使用通过本发明的残余应力分布推导方法推导出的残余应力分布，能够容易 地决定优选的注塑成形的条件。即，通过使用本发明能够容易地决定残余应力少的成形条 件。所研究的成形条件优选对树脂成形品内部的残余应力有影响的条件。作为对树脂成形 品内部的残余应力有影响的成形条件可以列举注塑速度、模具温度等。<成形品的形状的研究>注塑成形是制作形状复杂的成形品时合适的成形方法。由此，存在很多形状复杂 的注塑成形品。在具有复杂的形状的情况下，形状复杂的部分与其他部分的残余应力分布 不同。由于本发明能够将残余应力分布的测定方向设定在各种方向上，所以将形状复杂的 部分和除此以外的部分分开来推导残余应力分布，或能够推导出成形品厚度引起的残余应 力分布之差。因此，本发明在研究成形品的设计等形状的阶段也是有用的，与上述注塑成形 条件的研究一起，通过组合所期望的材料的数据，能够作为残余应力的预测技术利用。关于 已有的成形品，能够容易地制作残余应力小的树脂成形品，并且也能够活用在成形品的故 障解析中。
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〈二次加工的影响〉所谓二次加工是指用于缓和树脂成形品内部的残余应力的加工。作为用于缓和树 脂成形品内部的残余应力的方法可以列举出退火处理。以往，不能够定量地评估该退火处 理的效果的有用性。但是，使用本发明，通过推导退火处理前后的树脂成形品内部的残余应 力分布，能够确认退火处理引起的残余应力的变化。其结果，根据本发明，能够定量地评估 退火处理的效果的有用性，而且，也能够容易地决定退火处理时优选的处理条件。根据这样 的本发明，能够定量地评估二次加工的有用性为了使残余应力在使用树脂成形品时不带来问题，或带来极小的问题，能够高精 度地进行制品设计，该制品设计包括能够进行所使用的材料、形状、成形条件、成形品的二 次加工等的树脂成形品所涉及的设定。另外，在使用制品时，通过根据制品的残余应力进行 短期或长期破坏解析，能够高精度地将故障防患于未然。实施例以下，表示实施例及比较例，对本发明进行具体的说明，但本发明不限于这些实施 例。〈材料〉聚缩醛树脂1 :DURAC0N M90-44 (Polyplastics 社制)聚缩醛树脂2 :DURAC0N M25-44 (Polyplastics 社制)聚苯硫醚(phenylenesulfide)树月旨F0RTR0N 6565A7 (Polyplastics 社制)环烯共聚物(Cyclo-olefincopolymer)树月旨T0PAS5013S_04 (Polyplastics 社 制)〔实施例1〕使用上述聚缩醛树脂1、注塑成形机SE100D(住友重机械工业社制)，以标准的成 形条件在模具温度80°C下进行注塑成形，制作图6所示的树脂成形品。图6中(a)是立体 图，图6中(b)是仰视图。成形品的形状是上表面敞口的长方体状，长度为80mm、宽度为 40mm、高度为20mm、厚度为2mm 〈第一应力测定工序〉第一应力测定工序中，将第一打孔深度设定为0，从而应变量为0，打孔时从树脂 成形品内部被释放的应力也为0。〈第二应力测定工序〉如图6中(b)所示，在树脂成形品底面的角部设置有图6中(c)所示的、用于钻机 (“RS-200”，Vishay社制)进行打孔的打孔部(图6中(c)中的中央部)，并设置有应力 计(一个应力计长2mm(应变片整体的半径D = 5. 13mm) “FRS-2-11”，东京测器研究所社 制)，应力计将以包围打孔部地设置的三个应变片设置在一张基盘上。将应变片与数据记录 器(“UCAM-60B”，共和电业社制)连接，在厚度方向打孔0. 2mm时，对从树脂成形品释放的 应力进行测定。被释放的应力是_7.2MPa。此外，打孔径是1.7mm。〈残余应力计算工序〉通过对树脂成形品进行打孔，使得应力被释放。因此，打孔前，从树脂成形品释放 的应力为0。-7. 2MPa-0MPa = -7. 2MPa是在厚度方向上0. 1mm位置的残余应力。〈第三应力测定工序〉
14CN 101858851 A说明书12/14 页接着第二应力测定工序，通过与第二应力测定工序同样的方法，再沿厚度方向打孔0. 2mm。通过该打孔从树脂成形品释放的应力是-9. 7MPa。<第二残余应力计算工序>-9. 7MPa-(-7. 2MPa) = -2. 5MPa得到在厚度方向上0. 3mm的位置的残余应力。〈第四应力测定工序〉接着第三应力测定工序，通过与第二应力测定工序同样的方法，再沿厚度方向打 孔0. 2mm。通过该打孔从树脂成形品释放的应力是-10. 9MPa。<第三残余应力计算工序>-10. 9MPa-(-9. 7MPa) = -1. 2MPa得到在厚度方向上0. 5mm的位置的残余应力。〈第五应力测定工序〉接着第四应力测定工序，通过与第二应力测定工序同样的方法，再沿厚度方向打 孔0. 2mm。通过该打孔从树脂成形品释放的应力是-9. 7MPa。<第四残余应力计算工序>-9. 7MPa-(-10. 9MPa) = 1. 2MPa得到厚度方向上0. 7謹的位置的残余应力。〈第六应力测定工序〉接着第四应力测定工序，通过与第二应力测定工序同样的方法，再沿厚度方向打 孔0. 2mm。通过该打孔从树脂成形品释放的应力是-8. OMPa。<第五残余应力计算工序>-8. OMPa-(-9. 7MPa) = 1. 7MPa得到厚度方向上0. 9mm的位置的残余应力。〈第七应力测定工序〉接着第五应力测定工序，通过与第二应力测定工序同样的方法，再沿厚度方向打 孔0. 2mm。通过该打孔从树脂成形品释放的应力是-6. 9MPa。<第六残余应力计算工序>-6. 9MPa-(-8. OMPa) = 1. IMPa得到厚度方向上1. 1mm的位置的残余应力。〈第八应力测定工序〉接着第四应力测定工序，通过与第二应力测定工序同样的方法，再沿厚度方向打 孔0. 2mm。通过该打孔从树脂成形品释放的应力是-5. 2MPa。<第七残余应力计算工序>-5. 2MPa-(-6. 9MPa) = 1. 7MPa得到厚度方向上1. 3mm的位置的残余应力。〈第九应力测定工序〉接着第四应力测定工序，通过与第二应力测定工序同样的方法，再沿厚度方向打 孔0. 2mm。通过该打孔从树脂成形品释放的应力是-3. 5MPa。<第八残余应力计算工序>-3. 5MPa-(-5. 2MPa) = 1. 7MPa得到厚度方向上1. 5mm的位置的残余应力。〈第十应力测定工序〉接着第四应力测定工序，通过与第二应力测定工序同样的方法，再沿厚度方向打 孔0. 2mm。通过该打孔从树脂成形品被释放的应力是-1. 7MPa。<第九残余应力计算工序>-1. 7MPa-(-3. 5MPa) = 1. 8MPa得到厚度方向上1. 7mm的位置的残余应力。
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〈第十一应力测定工序〉接着第四应力测定工序，通过与第二应力测定工序同样的方法，再沿厚度方向打 孔0. 2mm。通过该打孔从树脂成形品被释放的应力是-4. 8MPa。<第十残余应力计算工序>-4. 8MPa-(-l. 7MPa) = -3. IMPa得到厚度方向上1. 9謹的位置的残余应力。将通过以上的开孔法得到的残余应力、通过打孔从树脂成形品释放的应力的结果 表示在图7中。方形表示残余应力，菱形表示通过打孔从树脂成形品释放的应力。另外，为了对图7所示的残余应力分布是否是适当的残余应力分布进行评估，使 用与上述残余应力分布的推导时所使用的树脂成形品相同的树脂成形品，测定盐酸开裂法 的残余应力。在底面上沿长边中心方向距成形品的内侧角部大致2mm的位置(图6中(a) 的A部)注入裂纹，裂纹位置的残余应力被判定为大致12MPa。该结果是与此前通过其他方 法求出的值相比较，本发明的值是与在上述残余应力分布的厚度方向上0. 1mm位置的残余 应力较接近的值。因此，可以确认通过使用本发明，得到与已有残余应力计算法的整合性， 并且在本发明中，能够容易地推导树脂成形品内部的残余应力的分布。〔实施例2〕除了将模具温度变更成50°C以外，其他条件与实施例1相同(成形品形状、测定位 置、成形方式相同)，推导出厚度方向上直到1mm的残余应力分布。测定个数(次数)为3 求出平均值，推导结果如图8所示(图8中的实线)。〔实施例3〕以与实施例1同样的条件(模具温度、成形品形状、测定位置、成形方式相同)推 导了残余应力分布。求出测定个数为3的平均值，推导结果如图8所示(图8中的虚线)。〔实施例4〕除了将模具温度变更成120°C以外，其他条件与实施例2相同(成形品形状、测定 位置、方法相同)，推导了残余应力分布。测定个数(次数)为3求出平均值，推导结果如图 8所示(图8中的双点划线)。从实施例2 4的结果可知，针对每种模具温度的条件，都可得到残余应力分布。 可以确定，使用本发明如上所述通过对成形条件不同而引起的残余应力分布的不同进行评 估，能够容易地决定适当的成形条件。〔实施例5〕除了将测定的树脂成形品变更成平板(纵80mm、横80mm、厚度2mm)的中央部(纵 40mm、横40mm的地点)以外，以与实施例1同样的方法，推导了厚度方向上直到1mm的残余 应力分布。推导结果如图9所示(图9中的实线)。从实施例1的结果(图9中的虚线)和实施例5的结果(图9中的实线)的比较 可知，如果使用本发明，本发明也适用于对成形品的打孔位置不同而引起的残余应力分布 的不同进行评估〔实施例6〕除了将实施例5中使用的平板形状的树脂成形品以120°C的条件实施退火处理之 后再进行打孔以外，通过与实施例5同样的方法推导了残余应力分布。推导结果如图10所 示(图10中的虚线)。此外，图10是作为参考表示了实施例7的结果(图10中的实线)。
从这些结果可知，可以确认，根据本发明，通过在退火处理的前后推导残余应力分 布能够定量地评估退火处理的效果。〔实施例7〕除了将实施例5中使用的平板形状的树脂成形品变更成聚苯硫醚树脂以外，通过 与实施例5同样的方法推导出残余应力分布。推导结果如图11所示。此外，由于残余应力 具有各方异性，所以最大主应力(图11中的实线)和最小主应力(图11中的虚线)如图 11所示。〔实施例8〕除了将实施例5中使用的平板形状的树脂成形品变更成环烯共聚物树脂以外，通 过与实施例5同样的方法推导了除残余应力分布。推导结果如图12所示。〔实施例9〕使用聚缩醛树脂2，嵌入金属制棱销进行注塑成形，制作图13所示的树脂成形品。 在图13中的阴影线部分设置有图6(c)所示的应力计。成形品的形状是纵20mm、横20mm、 高度25mm。除了变更成形品形状、改变成形品的材料以外，通过与实施例1同样的方法推导 出残余应力分布。推导结果如图14所示。图14中的方形的图示表示最大主应力，菱形的 图示表示最小主应力。从实施例7 9的结果可知，本发明中，与玻璃纤维等的强化材料、无机填充剂、其 他各种添加剂的有无以及材料树脂无关，能够以任意的残余应力分布的样式定量地评估具 有各方异性的残余应力分布。
权利要求
一种树脂成形品的残余应力计算方法，其特征在于，通过对树脂成形品的表面的在将所述树脂成形品沿规定方向打孔时的应变量的变化进行测定，计算所述树脂成形品的内部的在所述规定方向上的规定位置的残余应力。
2.一种残余应力计算方法，用于计算树脂成形品的内部的在所述树脂成形品厚度方向 上的规定位置的残余应力，其特征在于，在所述树脂成形品中设置有打孔部，其在垂直于所述厚度方向的面上，用于将所述树 脂成形品沿厚度方向打孔；应变测定部，用于在进行所述打孔时，对所述的与所述厚度方向 垂直的面上产生的应变进行测定，该残余应力计算方法具有以下工序第一应力测定工序，通过所述应变测定部对所述树脂成形品的在将所述打孔部沿所述 厚度方向打孔到规定的第一打孔深度时的应变量进行测定，根据所得到的应变量测定因所 述打孔在所述树脂成形品上产生的第一应力；第二应力测定工序，通过所述应变测定部对所述树脂成形品的在将所述打孔部沿所述 厚度方向打孔到规定的第二打孔深度时的应变量进行测定，根据所得到的应变量测定因所 述打孔在所述树脂成形品上产生的第二应力；残余应力计算工序，将从所述第二应力减去所述第一应力计算得到的差值，作为第一 打孔深度和第二打孔深度之间的中间深度处的残余应力。
3.如权利要求2所述的残余应力计算方法，其特征在于，所述树脂成形品的所述规定 厚度小于或等于1. 2X打孔直径。
4.如权利要求2或3所述的残余应力计算方法，其特征在于，所述树脂成形品是在所述 厚度方向上对称的形状。
5.如权利要求2 4任一项所述的残余应力计算方法，其特征在于，根据从所述树脂成 形品的表面的变形得到的图像解析进行所述应变量的测定。
6.如权利要求2 5任一项所述的残余应力计算方法，其特征在于，所述树脂成形品是 对所述应变量进行测定的位置不平坦的树脂成形品，通过三维图像解析进行所述应变量的 测定。
7.如权利要求2 6任一项所述的残余应力计算方法，其特征在于，所述树脂成形品是 打孔困难的形状，所述的残余应力计算方法还具有加工工序，对所述树脂成形品打孔前，将该树脂成形 品加工成能够打孔的状态，所述的残余应力计算方法对处于所述加工工序中的树脂成形品的表面的应变量进行 测定，将向对所述树脂成形品进行打孔时测定的应变量加上所述加工工序时的应变量后得 到的值，用在对所述树脂成形品的内部的规定位置的在所述规定方向上的残余应力的计算 中。
8.一种残余应力分布推导方法，用于对具有规定厚度的树脂成形品的内部的在该树脂 成形品的厚度方向上的残余应力分布进行推导，其特征在于，在通过权利要求2 7任一项 所述的方法计算出残余应力之后，具有以下工序第三应力测定工序，从所述第二打孔深度继续打孔到规定的第三打孔深度，与所述第一应力测定工序同样地，对在所述树脂成形品上产生的第三应力进行测定；第二残余应力计算工序，将从所述第三应力中减去所述第二应力所计算得到的差值， 作为所述第二打孔深度和所述第三打孔深度之间的中间深度处的第二残余应力。
9.一种残余应力分布推导方法，是在进行过权利要求8所述的残余应力分布推导方法 之后进行的残余应力分布推导方法，其特征在于，对于第三残余应力及其之后的残余应力， 具有如下工序第n应力测定工序，使符号n为4以上的自然数，从第(n-1)打孔深度进一步打孔到规 定的第n打孔深度，与所述第一应力测定工序同样地，对在所述树脂成形品上产生的第n应 力进行测定；第(n-1)残余应力计算工序，将从所述第n应力减去第(n-1)应力计算得到的差值，作 为所述第(n-1)打孔深度和所述第n打孔深度之间的中间深度处的第(n-1)残余应力，从第一残余应力计算工序起依次进行到第(n-1)残余应力计算工序。
10.如权利要求8或9所述的残余应力分布推导方法，其特征在于，从第一残余应力推 导工序到第n残余应力计算工序期间，各第n应力测定工序(符号n是1到n的自然数) 中的在进行所述打孔时的在所述厚度方向上的打孔长度是相等的。
11.一种树脂成形品设计方法，其特征在于，以通过权利要求1 7所述的残余应力计 算方法计算出的残余应力为所期望的值以下的方式进行制品设计。
12.—种故障解析法，其特征在于，根据通过权利要求1 7所述的残余应力计算方法 计算得到的残余应力进行短期或长期破坏解析。
全文摘要
本发明提供残余应力计算方法及残余应力分布推导方法。与所使用的树脂材料的种类无关地简便地进行的、计算树脂成形品内部的残余应力分布及规定位置的残余应力的方法。对因对树脂成形品打孔产生的、成形品表面的应变变化进行测定。例如，求出在树脂成形品的厚度方向上打孔到规定的第一打孔深度时的、上述树脂成形品上产生的第一应力，在上述打孔之前，树脂成形品上产生的应力为0，从上述第一应力减去0，从而得到上述打孔部和上述第一打孔深度之间的中间位置的大致的残余应力的值。
文档编号G01N19/00GK101858851SQ201010141808
公开日2010年10月13日 申请日期2010年3月31日 优先权日2009年4月6日
发明者加田雅博, 大井和树 申请人:宝理塑料株式会社