การทดสอบแรงบิดคืออะไร?
การทดสอบแรงบิดคือการทดสอบทางกลประเภทหนึ่งที่ประเมินคุณสมบัติของวัสดุหรืออุปกรณ์ในขณะที่อยู่ภายใต้ความเค้นจากการกระจัดเชิงมุม ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือการบิดชิ้นงานทดสอบและวัดการตอบสนอง การรับภาระประเภทนี้เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในโลกแห่งความเป็นจริง ตั้งแต่เพลาขับที่ส่งกำลังในยานพาหนะไปจนถึงฝาขวดที่ถูกบิดเปิด ซึ่งทำให้การทดสอบแรงบิดเป็นเครื่องมือสำคัญในการทำความเข้าใจว่าวัสดุและผลิตภัณฑ์จะทำงานอย่างไรในการใช้งานจริง
การทดสอบแรงบิดสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ การทดสอบวัตถุดิบ เช่น ลวดโลหะหรือท่อพลาสติก เพื่อกำหนดคุณสมบัติพื้นฐาน เช่น ความต้านทานแรงเฉือนและมอดุลัส หรือการทดสอบการทำงานของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปที่ต้องรับแรงบิด เช่น สกรู ขวดบรรจุยา และสายเคเบิลที่มีปลอกหุ้ม วิธีแรกช่วยให้ซัพพลายเออร์วัสดุและวิศวกรสามารถระบุลักษณะของวัสดุก่อนที่จะนำไปสร้างเป็นผลิตภัณฑ์ ในขณะที่วิธีที่สองจะตรวจสอบว่าชิ้นส่วนหรือชุดประกอบที่เสร็จสมบูรณ์สามารถทนต่อแรงบิดที่จะเกิดขึ้นตลอดอายุการใช้งานได้หรือไม่
คุณสมบัติทางกลที่พบบ่อยที่สุดที่วัดโดยการทดสอบแรงบิดคือ มอดุลัสความยืดหยุ่นของแรงเฉือน ความต้านทานแรงเฉือนที่จุดคราก ความต้านทานแรงเฉือนสูงสุด มอดุลัสของการแตกหักเนื่องจากแรงเฉือน และความเหนียว เมื่อรวมกันแล้ว คุณสมบัติเหล่านี้จะช่วยให้วิศวกรเห็นภาพรวมว่าวัสดุหรือส่วนประกอบจะตอบสนองอย่างไรภายใต้ภาระแรงบิด ตั้งแต่การตอบสนองแบบยืดหยุ่นในช่วงเริ่มต้น ไปจนถึงจุดที่เกิดการเสียรูปถาวร และท้ายที่สุดคือการแตกหัก
ใช้ลิงก์ด้านล่างเพื่อข้ามไปยังส่วนที่คุณสนใจโดยตรง:
ทำไมต้องทำการทดสอบแรงบิด? | ประเภทของการทดสอบแรงบิด | อุปกรณ์ทดสอบแรงบิด | การคำนวณผลลัพธ์ | มาตรฐานการทดสอบแรงบิดทั่วไป
ทำไมต้องทำการทดสอบแรงบิด?
ผลิตภัณฑ์และส่วนประกอบจำนวนมากต้องเผชิญกับแรงบิดระหว่างการทำงาน การทดสอบแรงบิดมีความจำเป็นเมื่อวิศวกรต้องการเปลี่ยนหรืออัปเดตวัสดุที่ใช้ในผลิตภัณฑ์เหล่านี้ ตัวอย่างเช่น โลหะที่ใช้ในระบบส่งกำลังของยานพาหนะจะได้รับภาระผสมที่ซับซ้อนในการใช้งาน โดยมีแรงบิดเป็นส่วนประกอบหลัก วิศวกรที่พยายามออกแบบยานพาหนะที่ประหยัดน้ำมันมากขึ้นอาจจำเป็นต้องเปลี่ยนวัสดุของเพลาขับเพื่อลดน้ำหนักของยานพาหนะ การทดสอบแรงบิดสามารถช่วยวิศวกรระบุวัสดุที่เหมาะสมซึ่งมีความต้านทานแรงบิดตามที่ต้องการ ในขณะเดียวกันก็ช่วยบรรลุเป้าหมายในการลดน้ำหนักของโครงสร้างด้วย
ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปจำนวนมากยังต้องเผชิญกับแรงบิดระหว่างการทำงาน ผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น ท่อทางชีวการแพทย์ สวิตช์ และตัวยึด เป็นเพียงตัวอย่างบางส่วนของอุปกรณ์ที่ต้องเผชิญกับความเค้นจากแรงบิดในการใช้งานประจำวัน การทดสอบผลิตภัณฑ์ด้วยแรงบิดช่วยให้ผู้ผลิตสามารถจำลองสภาวะการใช้งานจริง ตรวจสอบคุณภาพของผลิตภัณฑ์ ตรวจสอบการออกแบบ และรับรองเทคนิคการผลิตที่เหมาะสม
ประเภทของการทดสอบแรงบิด
การทดสอบแรงบิดสามารถทำได้โดยการใช้การเคลื่อนที่แบบหมุนเพียงอย่างเดียว หรือโดยการใช้ทั้งแรงในแนวแกน (แรงดึงหรือแรงอัด) และแรงบิดร่วมกัน ประเภทของการทดสอบแรงบิดจะแตกต่างกันไปตามผลิตภัณฑ์ แต่โดยปกติจะจำแนกได้เป็นการทดสอบการแตกหัก การทดสอบเพื่อการรับรอง หรือการทดสอบการทำงานของผลิตภัณฑ์
- แรงบิดเพียงอย่างเดียว: การใช้เฉพาะภาระแรงบิดกับชิ้นงานทดสอบ
- แรงในแนวแกนและแรงบิด: การใช้ทั้งแรงในแนวแกน (แรงดึงหรือแรงอัด) และแรงบิดกับชิ้นงานทดสอบ
- การทดสอบการแตกหัก: การบิดผลิตภัณฑ์ ส่วนประกอบ หรือชิ้นงานทดสอบจนกว่าจะเกิดการแตกหัก การแตกหักสามารถจำแนกได้เป็นการหักทางกายภาพ หรือการบิดงอ/ข้อบกพร่องในชิ้นงานทดสอบ
- การทดสอบเพื่อการรับรอง: การใช้ภาระแรงบิดและคงภาระแรงบิดนี้ไว้ตามระยะเวลาที่กำหนด
- การทดสอบการทำงาน: การทดสอบชุดประกอบหรือผลิตภัณฑ์ที่สมบูรณ์ เช่น ฝาขวด สวิตช์ ปากกาแบบหมุน หรือแกนพวงมาลัย เพื่อตรวจสอบว่าผลิตภัณฑ์ทำงานได้ตามที่คาดไว้ภายใต้ภาระแรงบิด
อุปกรณ์ทดสอบแรงบิด
การทดสอบแรงบิดสามารถทำได้บนระบบทดสอบที่แตกต่างกันสองสามระบบ ขึ้นอยู่กับการใช้งานเฉพาะ ระบบทดสอบอเนกประสงค์ เช่น 6800 Series สามารถกำหนดค่าด้วย Torsion Add-On ที่ช่วยให้ระบบสามารถทำการทดสอบแบบสองแกนได้ (การให้ภาระในแนวแกนและแรงบิดพร้อมกันและเป็นอิสระต่อกัน) การทดสอบการทำงานของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปมักทำบนระบบทดสอบความล้าแบบไดนามิก เช่น ElectroPuls® ของ Instron
นอกจากนี้ การทดสอบแรงบิดยังขึ้นอยู่กับอุปกรณ์จับยึดและฟิกซ์เจอร์เฉพาะทาง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชิ้นงานทดสอบ เช่น อุปกรณ์จับยึดแรงบิดสำหรับลวดกลม หรือฟิกซ์เจอร์สั่งทำพิเศษที่ออกแบบมาเพื่อยึดผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป เช่น ฝาขวดหรือตัวยึด ให้แน่นหนาโดยไม่ลื่นไถลภายใต้ภาระเชิงมุม
การคำนวณผลลัพธ์
กราฟความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดกับการหมุนที่ได้จากการทดสอบวัตถุดิบด้วยแรงบิดนั้น มีความคล้ายคลึงกับกราฟความสัมพันธ์ระหว่างแรงกับการกระจัดที่บันทึกได้ระหว่าง การทดสอบในแนวแกน ในหลายๆ ด้าน วัสดุส่วนใหญ่จะแสดงช่วงเชิงเส้นที่คล้ายกัน ซึ่งแสดงถึงมอดุลัสของแรงเฉือน ตามด้วยการครากและการแตกหักสูงสุด
เช่นเดียวกับการทดสอบในแนวแกน รูปทรงของชิ้นงานทดสอบมีบทบาทสำคัญในผลการทดสอบแรงบิด ปัจจัยต่างๆ เช่น ความยาวเกจและรูปร่างหน้าตัดสามารถส่งผลต่อค่ามอดุลัสของแรงเฉือนและความแข็งแรงที่คำนวณได้ ดังนั้นการเตรียมชิ้นงานทดสอบที่สม่ำเสมอจึงเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ทำซ้ำได้
มาตรฐานการทดสอบแรงบิดทั่วไป
การทดสอบแรงบิดถูกควบคุมโดยมาตรฐานอุตสาหกรรมที่หลากหลาย ขึ้นอยู่กับวัสดุหรือผลิตภัณฑ์ที่กำลังประเมิน ตารางด้านล่างแสดงมาตรฐานทั่วไปบางส่วนที่ Instron รองรับ ซึ่งครอบคลุมตั้งแต่อุปกรณ์การแพทย์ ลวดโลหะ ไปจนถึงข้อต่อของเหลว
| มาตรฐาน | คำอธิบาย |
|---|---|
| ASTM F543 | การทดสอบในแนวแกนและแรงบิดของสกรูยึดกระดูก |
| ASTM A938 / ISO 7800 | การทดสอบแรงบิดของลวดโลหะ |
| ISO 594 / ISO 80369 | การทดสอบข้อต่อ Luer แบบทรงกรวย |
| ISO 7206 | การทดสอบความทนทานและความล้าของข้อสะโพกเทียม |
