WO2012143527A1 - High-speed compression test device with integrated force measurement - Google Patents

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WO2012143527A1
WO2012143527A1 PCT/EP2012/057310 EP2012057310W WO2012143527A1 WO 2012143527 A1 WO2012143527 A1 WO 2012143527A1 EP 2012057310 W EP2012057310 W EP 2012057310W WO 2012143527 A1 WO2012143527 A1 WO 2012143527A1
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force
pressure plate
compression
sensor
testing device
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PCT/EP2012/057310
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Andreas HAMANN
Peter LÖWE
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BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
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    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/30—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying a single impulsive force, e.g. by falling weight

Definitions

  • the invention relates to a high-speed pressure testing device with integrated force measurement for performing compression tests according to the preamble of claim 1 and a method for performing compression tests.
  • Such a high-speed pressure testing device comprises two compression punches acting on an upsetting sample, each provided with a pressure plate, and a force measuring device associated with one of the compression punches.
  • High-speed compression tests serve in particular the purpose of investigating the behavior of a material at high deformation rates under pressure.
  • force measuring devices in particular force-detecting force sensors generating a measuring signal
  • force measuring devices are arranged at a distance from an upsetting sample on an upsetting die.
  • This is unproblematic in static or quasi-static compression tests.
  • compression tests which are carried out at high compression speeds, however, it may - due to the high compression speeds effect of inertia forces, the phase shift of the force signal between compression sample and force sensor, a possibly asymmetrical loading of the compression sample and external interference influences - to a faulty or inaccurate Force measurement come.
  • a force measuring device for measuring a force in the case of solid-state actuators which comprises an amorphous carbon layer having piezoelectric properties arranged on a solid-state actuator.
  • the object of the invention is to design a high-speed pressure testing device with a force measuring device integrated into one of the compression punches and a method for performing compression tests in such a way that a high measuring accuracy is ensured.
  • the object is achieved with a trained according to the features of claim 1 high-speed pressure tester.
  • the idea of the present invention is to arrange a force sensor of the force measuring device between a base body of the associated compression punch and the pressure plate.
  • the pressure plate which is preferably formed of a high-strength material, the upsetting punch acts on a compression test when performing a compression test.
  • the force sensor is arranged directly on the pressure plate and thus in spatial proximity to the compression test, so that a phase shift of a force signal on the transmission path between the compression sample and the force sensor is low.
  • the force sensor is thus applied directly via the pressure plate with the force exerted by the compression test (transmitted) force - preferably the entire surface -.
  • the force measuring device further advantageously comprises a measuring amplifier connected to the force sensor and integrated in the compression punch near the force sensor.
  • the force sensor is located between a base body and the pressure plate of the compression punch and is firmly connected to the pressure plate and the base body.
  • the force sensor is advantageously full surface and in intimate connection to the pressure plate of the force measuring device receiving compression punch.
  • the pressure plate is at least partially conical to achieve the smallest possible thickness and a correspondingly low moment of inertia and for uniform distribution of the force exerted by the compression sample and is advantageously made of a high-strength material, e.g. a hard metal or hardened steel.
  • At the respective upsetting die can be held in order to avoid a transverse movement of the pressure plate and a transverse load of the connected thereto force sensor in height of the force sensor with the main body on the Au tour fixed, but held against the pressure plate with play circlip.
  • About the locking ring acting on the pressure plate transverse forces can be supported, so that the force sensor is protected against shear stress.
  • the compression measuring device including the associated measuring and feed lines receiving compression punches is preferably designed as a Faraday cage for reducing externa ßeren interference. With the test device formed in this way, measurement errors can be minimized and the measurement accuracy can be increased during the high-speed printing test.
  • the stamping punch is designed as a Faraday cage.
  • the stamping punch is surrounded by an electrically conductive sleeve or cage, at least in those regions in which a disruption of electrical signals due to external influences is to be avoided Electromagnetic interference can not penetrate into the interior of the compression punch and reach the force measuring device arranged therein.
  • the compression punch as a Faraday cage for the force measuring device, including the measuring and feed lines laid in the compression punch, the pressure plate, the base body and the retaining ring are preferably formed from an electrically conductive material.
  • the area of the measuring amplifier arranged above recesses in the upsetting die can be covered with an electrically conductive foil, while the clearance existing between the securing ring and the pressure plate is bridged with an electrically conductive paste.
  • the force sensor may be separate, e.g. identical, arranged centrally about a central axis sensor segments for generating separate force measuring signals and thus to carry out a direction-sensitive force measurement during a compression process.
  • the different sensor segments generating independent measuring signals, an asymmetrical loading of the compression sample can be detected exactly.
  • the force sensor may e.g. as sensor segments comprise three separate, identical circular segments.
  • the force sensor is preferably formed by a force measuring foil, for example a polyvinylidene fluoride foil (PVDF foil) with piezoelectric properties.
  • the film is fastened between the pressure plate and the compression punch and is subjected to a compression test on the pressure plate with force, which is converted to the film in an electrical measurement signal and delivered to a measuring amplifier.
  • the object is also achieved by methods for performing compression tests by means of a high-speed pressure tester with integrated force measurement, in which two upsetting punches each provided with a pressure plate act on a compression test and a force measuring device assigned to one of the two compression punches measures a force.
  • the force measuring device has a force sensor which is arranged between a base body of the associated compression punch and the pressure plate and is acted upon via the pressure plate with a force introduced via the compression test force.
  • Fig. 1 is a partially sectioned side view of the two upsets of a high-speed pressure tester
  • Fig. 2 is an enlarged view of the equipped with the force measuring device
  • Fig. 3 is a section along the line A-A in Fig. 2nd
  • the high-speed compression testing device shown in FIG. 1 in the region of the two upsetting punches comprises a stationary upper punch 1 with a force measuring device integrated in it and a driven lower drive connected to the drive of a high-speed testing machine (not shown) 2.
  • An upsetting punch 2 On a first pressure plate 3, which is arranged on the upper end face of the driven upset punch 2, there is an upsetting sample 4 which is placed manually as centrally as possible.
  • the formed with a second pressure plate 5 stationary compression punch 1 with integrated force measuring device has a directly on the back of the pressure plate 5 - that is, between the pressure plate 5 and the base 6 of the compression punch 1 - fixed force measuring film sensor 7.
  • the consisting of a PVDF film (polyvinylidene film with piezoelectric properties) force measuring film sensor 7 is fixed, for example by gluing, connected to the pressure plate 5 and the base body 6 and thus is in intimate contact with the associated pressure plate.
  • the at least partially conical second pressure plate 5 consists of an electrically conductive and also high-strength material, such as carbide.
  • Their thickness can be so low due to the formation of a high-strength material, that the distance between the force application surface on the free side of the pressure plate 5 and the force measuring film sensor 7 is low, evenly distributed on the pressure plate 5 force and transferred completely to the force measuring film sensor 7 In addition, the mass inertia influence on the measuring process, which has already been reduced by the use of a PVDF film sensor, is further minimized.
  • the pressure plate 5 is adapted to the force flow course of the compression test 4 during the compression test, and furthermore the mass of the pressure plate 5 is further reduced and the optical accessibility for a camera observation of the compression test 4 during the compression test is improved.
  • the conical design of the pressure plate 5 also allows a better centric alignment of the compression sample 4 to force measuring foil sensor. 7
  • a measuring amplifier 9 is provided, which is integrated in the collapse stamp 1 to minimize external interference signal influences close to the force measuring foil sensor 7.
  • the mounted in recesses 10 of the compression punch 1 measuring amplifier 9 is outsourced Shen with an electrically conductive film (not shown) covered.
  • the compression punch 1 thus forms due to the electrical conductivity of the pressure plate 5, the locking ring 8 and the base 6 and the cover and the conductive paste a Faraday cage, the force measuring foil sensor 7, the measuring amplifier 9 and the measuring amplifier 9 outgoing, in a cavity 1 1 inside the upsetting die 1 extending measuring and feed lines 12 and a measuring cable 13 protects against externa ßeren interference.
  • the circular force-measuring foil sensor 7 consists of three circular segment-shaped, mutually independent, each with a measuring amplifier 9 and a measuring cable 13 connected sensor segments 7a, 7b and 7c.
  • the force measuring film sensor 7 is made of a PVDF film.
  • the three-part design of the force-measuring film sensor 7 enables a direction-sensitive force measurement in the compression test by generating independent signals or signal curves with the three sensor segments 7a, 7b and 7c in order to be able to recognize and evaluate an uneven loading of the compression sample during the evaluation of the compression test. From the signal curve progression or the type of deviation of the signal curves from each other, conclusions about the material properties can then be drawn in conjunction with a camera observation of the compression test 4 during the compression test. On the other hand, a very different signal curve indicates an uneven, asymmetrical loading of the compression test 4 and a compression test that may not be meaningful, which can then be repeated.
  • test device described above is in the implementation of high-speed compression tests a very accurate, afflicted with only low inertial forces and largely free from external interference influences force measurement possible.

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Abstract

The invention relates to a test device with integrated force measurement for carrying out high-speed compression tests with two compression dies (1, 2) acting upon a compression sample (4), each of the compression dies being provided with a pressure plate (3, 5). The test device comprises a force measurement device which is assigned to one of the two compression dies (1) and a force sensor arranged between a base body (6) of the compression die (1) and the pressure plate (5) and is subjected to the force exerted by the compression sample via the pressure plate (5). A test device of this design allows to reduce measurement errors and increase measurement accuracy.

Description

Hochgeschwindigkeits-Druck-Prüfvorrichtung mit integrierter Kraftmessung  High-speed pressure tester with integrated force measurement
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft eine Hochgeschwindigkeits-Druck-Prüfvorrichtung mit integrierter Kraftmessung zur Durchführung von Stauchversuchen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Durchführen von Stauchversuchen. The invention relates to a high-speed pressure testing device with integrated force measurement for performing compression tests according to the preamble of claim 1 and a method for performing compression tests.
Eine derartige Hochgeschwindigkeits-Druck-Prüfvorrichtung umfasst zwei auf eine Stauchprobe wirkende, jeweils mit einer Druckplatte versehene Stauchstempel sowie eine einem der Stauchstempel zugeordnete Kraftmesseinrichtung. Such a high-speed pressure testing device comprises two compression punches acting on an upsetting sample, each provided with a pressure plate, and a force measuring device associated with one of the compression punches.
Hochgeschwindigkeitsstauchversuche dienen insbesondere dem Zweck, das Verhalten eines Werkstoffs bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten unter Druckbelastung zu untersuchen. High-speed compression tests serve in particular the purpose of investigating the behavior of a material at high deformation rates under pressure.
Herkömmlich sind Kraftmesseinrichtungen, insbesondere Kraft detektierende und ein Messsignal erzeugende Kraftsensoren, mit Abstand von einer Stauchprobe an einem Stauchstempel angeordnet. Dies ist bei statischen oder quasistatischen Stauchversuchen unproblematisch. Bei Stauchversuchen, die mit großen Stauchgeschwindigkeiten durchgeführt werden, kann es jedoch - aufgrund der mit hohen Stauchgeschwindigkeiten verbundenen Wirkung von Massenträgheitskräften, der Phasenverschiebung des Kraftsignals zwischen Stauchprobe und Kraftsensor, einer unter Umständen unsymmetrischen Belastung der Stauchprobe sowie äu ßerer Störsignaleinflüsse - zu einer fehlerhaften oder ungenauen Kraftmessung kommen. Conventionally, force measuring devices, in particular force-detecting force sensors generating a measuring signal, are arranged at a distance from an upsetting sample on an upsetting die. This is unproblematic in static or quasi-static compression tests. In compression tests, which are carried out at high compression speeds, however, it may - due to the high compression speeds effect of inertia forces, the phase shift of the force signal between compression sample and force sensor, a possibly asymmetrical loading of the compression sample and external interference influences - to a faulty or inaccurate Force measurement come.
Aus der DE 692 16 592 T2 ist eine Hochgeschwindigkeits-Druck-Prüfvorrichtung zur Durchführung von Stauchversuchen an Werkstoffproben bekannt, die zwei auf eine Stauchprobe wirkende Stauchstempel aufweist. From DE 692 16 592 T2 a high-speed pressure testing device for performing compression tests on material samples is known, which has two upsetting punches acting on a compression sample.
Aus der DE 10 1006 019 942 A1 ist eine Kraftmesseinrichtung zur Messung einer Kraft bei Festkörperaktoren bekannt, die eine auf einem Festkörperaktor angeordnete, amorphe Kohlenstoffschicht mit piezoelektrischen Eigenschaften umfasst. From DE 10 1006 019 942 A1, a force measuring device for measuring a force in the case of solid-state actuators is known, which comprises an amorphous carbon layer having piezoelectric properties arranged on a solid-state actuator.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochgeschwindigkeits-Druck-Prüfvorrichtung mit in einen der Stauchstempel integrierter Kraftmesseinrichtung und ein Verfahren zum Durchführen von Stauchversuchen so auszubilden, dass eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Hochgeschwindigkeits-Druck-Prüfvorrichtung gelöst. The object of the invention is to design a high-speed pressure testing device with a force measuring device integrated into one of the compression punches and a method for performing compression tests in such a way that a high measuring accuracy is ensured. According to the invention the object is achieved with a trained according to the features of claim 1 high-speed pressure tester.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Gedanke der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kraftsensor der Kraftmesseinrichtung zwischen einem Grundkörper des zugeordneten Stauchstempels und der Druckplatte anzuordnen. Über die Druckplatte, die vorzugsweise aus einem hochfesten Material ausgebildet ist, wirkt der Stauchstempel bei Durchführung eines Stauchversuchs auf eine Stauchprobe ein. Der Kraftsensor ist unmittelbar an der Druckplatte und somit in räumlicher Nähe zur Stauchprobe angeordnet, so dass eine Phasenverschiebung eines Kraftsignals auf der Übertragungsstrecke zwischen der Stauchprobe und dem Kraftsensor gering ist. The idea of the present invention is to arrange a force sensor of the force measuring device between a base body of the associated compression punch and the pressure plate. About the pressure plate, which is preferably formed of a high-strength material, the upsetting punch acts on a compression test when performing a compression test. The force sensor is arranged directly on the pressure plate and thus in spatial proximity to the compression test, so that a phase shift of a force signal on the transmission path between the compression sample and the force sensor is low.
Der Kraftsensor wird somit direkt über die Druckplatte mit der von der Stauchprobe ausgeübten (übertragenen) Kraft - vorzugsweise vollflächig - beaufschlagt. The force sensor is thus applied directly via the pressure plate with the force exerted by the compression test (transmitted) force - preferably the entire surface -.
Die Kraftmesseinrichtung umfasst weiter vorteilhafterweise einen mit dem Kraftsensor verbundenen, in den Stauchstempel nahe dem Kraftsensor integrierten Messverstärker. The force measuring device further advantageously comprises a measuring amplifier connected to the force sensor and integrated in the compression punch near the force sensor.
Vorzugsweise befindet sich der Kraftsensor zwischen einem Grundkörper und der Druckplatte des Stauchstempels und ist mit der Druckplatte und dem Grundkörper fest verbunden. Der Kraftsensor liegt vorteilhafterweise vollflächig und in inniger Verbindung an der Druckplatte des die Kraftmesseinrichtung aufnehmenden Stauchstempels an. Preferably, the force sensor is located between a base body and the pressure plate of the compression punch and is firmly connected to the pressure plate and the base body. The force sensor is advantageously full surface and in intimate connection to the pressure plate of the force measuring device receiving compression punch.
Die Druckplatte ist zur Erzielung einer möglichst geringen Dicke und eines entsprechend geringen Massenträgheitseinflusses sowie zur gleichmäßigen Verteilung der von der Stauchprobe ausgeübten Kraft zumindest abschnittsweise konisch ausgebildet und besteht vorteilhafterweise aus einem hochfesten Werkstoff, z.B. einem Hartmetall oder gehärtetem Stahl. The pressure plate is at least partially conical to achieve the smallest possible thickness and a correspondingly low moment of inertia and for uniform distribution of the force exerted by the compression sample and is advantageously made of a high-strength material, e.g. a hard metal or hardened steel.
An dem betreffenden Stauchstempel kann zur Vermeidung einer Querbewegung der Druckplatte und einer Querbelastung des mit dieser verbundenen Kraftsensors in Höhe des Kraftsensors ein mit dem Grundkörper an dessen Au ßenumfang fest verbundener, jedoch gegenüber der Druckplatte mit Spiel angeordneter Sicherungsring gehalten sein. Über den Sicherungsring können auf die Druckplatte wirkende Querkräfte abgestützt werden, so dass der Kraftsensor vor einer Scherbeanspruchung geschützt ist. Aufgrund des Spiels zwischen dem Sicherungsring und der Druckplatte ist eine axiale Bewegung der Druckplatte relativ zu dem Grundkörper bei einem Stauchversuch möglich, so dass die axial gerichtete, bei einem Stauchversuch auf die Druckplatte wirkende Kraft nicht über den Sicherungsring abgeleitet Der die Kraftmesseinrichtung einschließlich der zugehörigen Mess- und Speiseleitungen aufnehmende Stauchstempel ist vorzugsweise als Faradayscher Käfig zur Reduzierung von äu ßeren Störeinflüssen ausgebildet. Mit der so ausgebildeten Prüfvorrichtung können beim Hochgeschwindigkeitsdruckversuch Messfehler minimiert und die Messgenauigkeit erhöht werden. At the respective upsetting die can be held in order to avoid a transverse movement of the pressure plate and a transverse load of the connected thereto force sensor in height of the force sensor with the main body on the Au ßenumfang fixed, but held against the pressure plate with play circlip. About the locking ring acting on the pressure plate transverse forces can be supported, so that the force sensor is protected against shear stress. Due to the play between the locking ring and the pressure plate, an axial movement of the pressure plate relative to the base body in a compression test is possible, so that the axially directed, acting in a compression test on the pressure plate force is not derived via the retaining ring The compression measuring device including the associated measuring and feed lines receiving compression punches is preferably designed as a Faraday cage for reducing externa ßeren interference. With the test device formed in this way, measurement errors can be minimized and the measurement accuracy can be increased during the high-speed printing test.
Darunter, dass der Stauchstempel als Faradayscher Käfig ausgebildet ist, ist vorliegend zu verstehen, dass der Stauchstempel zumindest in solchen Bereichen, in denen eine Störung elektrischer Signale durch äußere Einflüsse vermieden werden soll, durch eine elektrisch leitfähige Hülle oder einen Käfig umgeben ist, so dass elektromagnetische Störsignale nicht in das Innere des Stauchstempels eindringen und zu der darin angeordneten Kraftmesseinrichtung gelangen können. In this case, the stamping punch is designed as a Faraday cage. In this case, the stamping punch is surrounded by an electrically conductive sleeve or cage, at least in those regions in which a disruption of electrical signals due to external influences is to be avoided Electromagnetic interference can not penetrate into the interior of the compression punch and reach the force measuring device arranged therein.
Zur Ausbildung des Stauchstempels als Faradayscher Käfig für die Kraftmesseinrichtung einschließlich der im Stauchstempel verlegten Mess- und Speiseleitungen sind die Druckplatte, der Grundkörper und der Sicherungsring vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet. Zusätzlich kann der Bereich des über Ausnehmungen im Stauchstempel angeordneten Messverstärkers mit einer elektrisch leitfähigen Folie abgedeckt sein, während das zwischen dem Sicherungsring und der Druckplatte bestehende Spiel mit einer elektrisch leitfähigen Paste überbrückt ist. To form the compression punch as a Faraday cage for the force measuring device, including the measuring and feed lines laid in the compression punch, the pressure plate, the base body and the retaining ring are preferably formed from an electrically conductive material. In addition, the area of the measuring amplifier arranged above recesses in the upsetting die can be covered with an electrically conductive foil, while the clearance existing between the securing ring and the pressure plate is bridged with an electrically conductive paste.
In vorteilhafter Ausgestaltung kann der Kraftsensor separate, z.B. identische, zentrisch um eine Mittelachse angeordnete Sensorsegmente zur Erzeugung separater Kraftmesssignale und damit zur Durchführung einer richtungssensitiven Kraftmessung während eines Stauchvorgangs aufweisen. Mittels der unterschiedlichen, unabhängige Messsignale erzeugenden Sensorsegmente kann eine unsymmetrische Belastung der Stauchprobe exakt erfasst werden. In an advantageous embodiment, the force sensor may be separate, e.g. identical, arranged centrally about a central axis sensor segments for generating separate force measuring signals and thus to carry out a direction-sensitive force measurement during a compression process. By means of the different sensor segments generating independent measuring signals, an asymmetrical loading of the compression sample can be detected exactly.
Der Kraftsensor kann z.B. als Sensorsegmente drei separate, identische Kreissegmente umfassen. The force sensor may e.g. as sensor segments comprise three separate, identical circular segments.
Der Kraftsensor ist vorzugsweise durch eine Kraftmessfolie ausgebildet, z.B. eine Polyvinylidenfluoridfolie (PVDF-Folie) mit piezoelektrischen Eigenschaften. Die Folie ist zwischen der Druckplatte und dem Stauchstempel befestigt und wird bei einem Stauchversuch über die Druckplatte mit Kraft beaufschlagt, die an der Folie in ein elektrisches Messsignal umgesetzt und an einen Messverstärker abgeben wird. Die Aufgabe wird auch durch Verfahren zur Durchführung von Stauchversuchen mittels einer Hochgeschwindigkeits-Druck-Prüfvorrichtung mit integrierter Kraftmessung gelöst, bei dem zwei jeweils mit einer Druckplatte versehene Stauchstempel auf eine Stauchprobe wirken und eine einem der beiden Stauchstempel zugeordnete Kraftmesseinrichtung eine Kraft misst. Dabei ist vorgesehen, dass die Kraftmesseinrichtung einen Kraftsensor aufweist, der zwischen einem Grundkörper des zugeordneten Stauchstempels und der Druckplatte angeordnet ist und über die Druckplatte mit einer über die Stauchprobe eingeleiteten Kraft beaufschlagt wird. The force sensor is preferably formed by a force measuring foil, for example a polyvinylidene fluoride foil (PVDF foil) with piezoelectric properties. The film is fastened between the pressure plate and the compression punch and is subjected to a compression test on the pressure plate with force, which is converted to the film in an electrical measurement signal and delivered to a measuring amplifier. The object is also achieved by methods for performing compression tests by means of a high-speed pressure tester with integrated force measurement, in which two upsetting punches each provided with a pressure plate act on a compression test and a force measuring device assigned to one of the two compression punches measures a force. It is provided that the force measuring device has a force sensor which is arranged between a base body of the associated compression punch and the pressure plate and is acted upon via the pressure plate with a force introduced via the compression test force.
Die vorangehend für die Vorrichtung beschriebenen Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen finden analog auch auf das Verfahren Anwendung. The advantages and advantageous embodiments described above for the device are analogously also applied to the method.
Der der Erfindung zugrunde liegend Gedanke soll nachfolgend anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen: The idea underlying the invention will be explained below with reference to the embodiment shown in the figures. Show it:
Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht der beiden Stauchstempel einer Hochgeschwindigkeits-Druck-Prüfvorrichtung; Fig. 1 is a partially sectioned side view of the two upsets of a high-speed pressure tester;
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des mit der Kraftmesseinrichtung ausgerüsteten Fig. 2 is an enlarged view of the equipped with the force measuring device
Stauchstempels ; und  Upsetting stamp; and
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 2. Fig. 3 is a section along the line A-A in Fig. 2nd
Die in Fig. 1 im Bereich der beiden Stauchstempel dargestellte Hochgeschwindigkeits-Druck- Prüfvorrichtung umfasst in der vorliegenden Ausführungsform einen stationären - oberen - Stauchstempel 1 mit einer in diesen integrierten Kraftmesseinrichtung und einen an den Antrieb einer Hochgeschwindigkeitsprüfmaschine (nicht dargestellt) angeschlossenen, angetriebenen - unteren - Stauchstempel 2. Auf einer an der oberen Stirnseite des angetriebenen Stauchstempels 2 angeordneten ersten Druckplatte 3 befindet sich eine manuell möglichst zentrisch aufgesetzte Stauchprobe 4. In the present embodiment, the high-speed compression testing device shown in FIG. 1 in the region of the two upsetting punches comprises a stationary upper punch 1 with a force measuring device integrated in it and a driven lower drive connected to the drive of a high-speed testing machine (not shown) 2. An upsetting punch 2. On a first pressure plate 3, which is arranged on the upper end face of the driven upset punch 2, there is an upsetting sample 4 which is placed manually as centrally as possible.
Der mit einer zweiten Druckplatte 5 ausgebildete stationäre Stauchstempel 1 mit integrierter Kraftmesseinrichtung weist einen unmittelbar an der Rückseite der Druckplatte 5 - das heißt zwischen der Druckplatte 5 und dem Grundkörper 6 des Stauchstempels 1 - fest angeordneten Kraftmessfoliensensor 7 auf. Der aus einer PVDF-Folie (Polyvinylidenfolie mit piezoelektrischen Eigenschaften) bestehende Kraftmessfoliensensor 7 ist fest, beispielsweise durch Verkleben, mit der Druckplatte 5 und dem Grundkörper 6 verbunden und befindet sich somit in einem innigen Kontakt mit der zugeordneten Druckplatte 5. Die zumindest abschnittsweise konisch ausgebildete zweite Druckplatte 5 besteht aus einem elektrisch leitfähigen und zudem hochfesten Werkstoff, z.B. Hartmetall. Ihre Dicke kann aufgrund der Ausbildung aus einem hochfesten Werkstoff so gering sein, dass der Abstand zwischen der Kraftangriffsfläche an der freien Seite der Druckplatte 5 und dem Kraftmessfoliensensor 7 gering ist, die auf die Druckplatte 5 wirkende Kraft gleichmäßig verteilt und vollständig auf den Kraftmessfoliensensor 7 übertragen wird und zudem der bereits durch die Verwendung eines PVDF-Foliensensors verringerte Massen- trägheitseinfluss auf den Messvorgang weiter minimiert wird. The formed with a second pressure plate 5 stationary compression punch 1 with integrated force measuring device has a directly on the back of the pressure plate 5 - that is, between the pressure plate 5 and the base 6 of the compression punch 1 - fixed force measuring film sensor 7. The consisting of a PVDF film (polyvinylidene film with piezoelectric properties) force measuring film sensor 7 is fixed, for example by gluing, connected to the pressure plate 5 and the base body 6 and thus is in intimate contact with the associated pressure plate. 5 The at least partially conical second pressure plate 5 consists of an electrically conductive and also high-strength material, such as carbide. Their thickness can be so low due to the formation of a high-strength material, that the distance between the force application surface on the free side of the pressure plate 5 and the force measuring film sensor 7 is low, evenly distributed on the pressure plate 5 force and transferred completely to the force measuring film sensor 7 In addition, the mass inertia influence on the measuring process, which has already been reduced by the use of a PVDF film sensor, is further minimized.
Durch ihre zumindest abschnittsweise konische Ausbildung ist die Druckplatte 5 an den von der Stauchprobe 4 ausgehenden Kraftflussverlauf während des Stauchversuchs angepasst, und darüber hinaus wird die Masse der Druckplatte 5 weiter verringert und die optische Zugänglichkeit für eine Kamerabeobachtung der Stauchprobe 4 während des Stauchversuchs verbessert. Die konische Ausbildung der Druckplatte 5 ermöglicht zudem eine bessere zentrische Ausrichtung der Stauchprobe 4 zum Kraftmessfoliensensor 7. By virtue of its at least partially conical design, the pressure plate 5 is adapted to the force flow course of the compression test 4 during the compression test, and furthermore the mass of the pressure plate 5 is further reduced and the optical accessibility for a camera observation of the compression test 4 during the compression test is improved. The conical design of the pressure plate 5 also allows a better centric alignment of the compression sample 4 to force measuring foil sensor. 7
Ein am Au ßenumfang der Druckplatte 5 gehaltener Sicherungsring 8 verhindert eine Querbewegung der Druckplatte 5 und damit eine Beschädigung des Kraftmessfoliensensors 7. Während der Sicherungsring 8 durch eine Presspassung fest am Grundkörper 6 fixiert ist, ist zwischen dem Sicherungsring 8 und der Druckplatte 5 ein Spiel vorhanden, so dass die Druckplatte 5 beim Stauchvorgang frei in Richtung des Grundkörpers 6 beweglich ist. A held on Au ßenumfang the pressure plate 5 retaining ring 8 prevents transverse movement of the pressure plate 5 and thus damage the Kraftmessfoliensensors 7. While the retaining ring 8 fixed by an interference fit on the base body 6, between the locking ring 8 and the pressure plate 5 a game exists , so that the pressure plate 5 is freely movable in the compression process in the direction of the base body 6.
Über eine das Spiel überbrückende elektrisch leitfähige Paste (nicht dargestellt) ist eine leitfähige Verbindung zwischen der Druckplatte 5 und dem Sicherungsring 8 gewährleistet. About a game bridging electrically conductive paste (not shown), a conductive connection between the pressure plate 5 and the retaining ring 8 is ensured.
Zur Konditionierung des beim Druckversuch vom Kraftmessfoliensensor 7 erzeugten Signals ist ein Messverstärker 9 vorgesehen, der zur Minimierung äußerer Störsignaleinflüsse nahe am Kraftmessfoliensensor 7 in den Stauchstempel 1 integriert ist. Der in Ausnehmungen 10 des Stauchstempels 1 montierte Messverstärker 9 ist nach au ßen mit einer elektrisch leitfähigen Folie (nicht dargestellt) abgedeckt. Der Stauchstempel 1 bildet somit aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der Druckplatte 5, des Sicherungsrings 8 und des Grundkörpers 6 sowie der Abdeckfolie und der Leitpaste einen Faradayschen Käfig, der den Kraftmessfoliensensor 7, den Messverstärker 9 und die vom Messverstärker 9 ausgehenden, in einem Hohlraum 1 1 im Innern des Stauchstempels 1 verlaufenden Mess- und Speiseleitungen 12 sowie ein Messkabel 13 vor äu ßeren Störeinflüssen schützt. For conditioning the signal generated during the pressure test by the force measuring foil sensor 7, a measuring amplifier 9 is provided, which is integrated in the collapse stamp 1 to minimize external interference signal influences close to the force measuring foil sensor 7. The mounted in recesses 10 of the compression punch 1 measuring amplifier 9 is outsourced Shen with an electrically conductive film (not shown) covered. The compression punch 1 thus forms due to the electrical conductivity of the pressure plate 5, the locking ring 8 and the base 6 and the cover and the conductive paste a Faraday cage, the force measuring foil sensor 7, the measuring amplifier 9 and the measuring amplifier 9 outgoing, in a cavity 1 1 inside the upsetting die 1 extending measuring and feed lines 12 and a measuring cable 13 protects against externa ßeren interference.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass der kreisrunde Kraftmessfoliensensor 7 aus drei kreissegmentförmigen, voneinander unabhängigen, jeweils mit einem Messverstärker 9 und einem Messkabel 13 verbundenen Sensorsegmenten 7a, 7b und 7c besteht. In der vorliegenden Ausführungsform besteht der Kraftmessfoliensensor 7 aus einer PVDF-Folie. From FIG. 3 it can be seen that the circular force-measuring foil sensor 7 consists of three circular segment-shaped, mutually independent, each with a measuring amplifier 9 and a measuring cable 13 connected sensor segments 7a, 7b and 7c. In the In the present embodiment, the force measuring film sensor 7 is made of a PVDF film.
Die dreiteilige Ausbildung des Kraftmessfoliensensors 7 ermöglicht eine richtungssensitive Kraftmessung im Stauchversuch, indem mit den drei Sensorsegmenten 7a, 7b und 7c voneinander unabhängige Signale bzw. Signalkurven erzeugt werden, um eine ungleichmäßige Belastung der Stauchprobe bei der Auswertung des Stauchversuchs erkennen und auswerten zu können. Aus dem Signalkurvenverlauf bzw. der Art der Abweichung der Signalkurven voneinander können dann in Verbindung mit einer Kamerabeobachtung der Stauchprobe 4 während des Stauchversuchs Rückschlüsse auf die Werkstoffeigenschaften gezogen werden. Andererseits weist ein stark unterschiedlicher Signalverlauf auf eine ungleichmäßige, unsymmetrische Belastung der Stauchprobe 4 und auf einen unter Umständen nicht aussagekräftigen Stauchversuch hin, der dann wiederholt werden kann. The three-part design of the force-measuring film sensor 7 enables a direction-sensitive force measurement in the compression test by generating independent signals or signal curves with the three sensor segments 7a, 7b and 7c in order to be able to recognize and evaluate an uneven loading of the compression sample during the evaluation of the compression test. From the signal curve progression or the type of deviation of the signal curves from each other, conclusions about the material properties can then be drawn in conjunction with a camera observation of the compression test 4 during the compression test. On the other hand, a very different signal curve indicates an uneven, asymmetrical loading of the compression test 4 and a compression test that may not be meaningful, which can then be repeated.
Mit der zuvor beschriebenen Prüfvorrichtung ist bei der Durchführung von Hochgeschwindigkeitsstauchversuchen eine sehr genaue, mit nur geringen Massenträgheitskräften behaftete und von äußeren Störeinflüssen weitgehend freie Kraftmessung möglich. With the test device described above is in the implementation of high-speed compression tests a very accurate, afflicted with only low inertial forces and largely free from external interference influences force measurement possible.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Stationärer - oberer - Stauchstempel1 stationary - upper - upsetting punch
2 Angetriebener - unterer - Stauchstempel2 driven - lower - upsetting punches
3 erste Druckplatte 3 first printing plate
4 Stauchprobe  4 compression test
5 zweite Druckplatte  5 second printing plate
6 Grundkörper von 1  6 main body of 1
7 Kraftmessfoliensensor  7 force measuring foil sensor
7a, 7b, 7c Sensorsegmente von 7 7a, 7b, 7c sensor segments of 7
8 Sicherungsring  8 circlip
9 Messverstärker  9 measuring amplifiers
10 Ausnehmungen in 1  10 recesses in 1
1 1 Hohlraum von 1  1 1 cavity of 1
12 Mess- und Speiseleitung  12 measuring and feed line
13 Messkabel  13 measuring cables

Claims

Patentansprüche claims
1 . Hochgeschwindigkeits-Druck-Prüfvorrichtung mit integrierter Kraftmessung zur Durchführung von Stauchversuchen, mit 1 . High-speed pressure tester with integrated force measurement for performing compression tests, with
- zwei auf eine Stauchprobe (4) wirkenden, jeweils mit einer Druckplatte (3, 5) versehenen Stauchstempeln (1 , 2) und - two on a compression test (4) acting, each with a pressure plate (3, 5) provided compression punches (1, 2) and
- einer einem der beiden Stauchstempel (1 ) zugeordneten Kraftmesseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung einen Kraftsensor (7) aufweist, der zwischen einem Grundkörper (6) des zugeordneten Stauchstempels (1 ) und der Druckplatte (5) angeordnet ist und über die Druckplatte (5) mit einer von der Stauchprobe (4) ausgeübten Kraft beaufschlagt wird.  - One of the two upsets (1) associated force measuring device, characterized in that the force measuring device comprises a force sensor (7) which is arranged between a base body (6) of the associated compression punch (1) and the pressure plate (5) and the pressure plate (5) is acted upon by a force exerted by the compression test (4) force.
2. Prüfvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung einen mit dem Kraftsensor (7) verbundenen Messverstärker (9) umfasst. 2. Testing device according to claim 1, characterized in that the force-measuring device comprises a measuring amplifier (9) connected to the force sensor (7).
3. Prüfvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messverstärker (9) in den Stauchstempel (1 ) integriert ist. 3. Testing device according to claim 2, characterized in that the measuring amplifier (9) in the upsetting die (1) is integrated.
4. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (7) durch die Druckplatte (5) des zugeordneten Stauchstempels (1 ) vollflächig beaufschlagt wird. 4. Testing device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the force sensor (7) by the pressure plate (5) of the associated compression punch (1) is applied over the entire surface.
5. Prüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (7) vollflächig an der Druckplatte (5) anliegt. 5. Test device according to one of the preceding claims, characterized in that the force sensor (7) over its entire surface against the pressure plate (5).
6. Prüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (7) mit der Druckplatte (5) und dem Grundkörper (6) fest verbunden ist. 6. Testing device according to one of the preceding claims, characterized in that the force sensor (7) with the pressure plate (5) and the base body (6) is firmly connected.
7. Prüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckplatte (5) zumindest abschnittsweise konisch ausgebildet ist. 7. Testing device according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure plate (5) is at least partially conical.
8. Prüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem der Kraftmesseinrichtung zugeordneten Stauchstempel (5) zur Vermeidung einer Querbewegung der Druckplatte (5) und einer Querbelastung des mit dieser verbundenen Kraftsensors (7) in Höhe des Kraftsensors (7) ein mit dem Grundkörper (6) fest verbundener und gegenüber der Druckplatte (5) mit Spiel angeordneter Sicherungsring (8) gehalten ist. 8. Testing device according to one of the preceding claims, characterized in that at the force measuring device associated upset punch (5) to avoid a transverse movement of the pressure plate (5) and a transverse load of the associated force sensor (7) in the amount of the force sensor (7) with the main body (6) fixedly connected and opposite the pressure plate (5) arranged with play retaining ring (8) is held.
9. Prüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die Kraftmesseinrichtung aufnehmende Stauchstempel (1 ) als Faradayscher Käfig zur Reduzierung von äu ßeren Störeinflüssen ausgebildet ist. 9. Testing device according to one of the preceding claims, characterized in that the force measuring device receiving compression punch (1) is designed as a Faraday cage for reducing externa ßeren interference.
10. Prüfvorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Stauchstempels (5) als Faradayscher Käfig die Druckplatte (5), der Grundkörper (6) und der Sicherungsring (8) aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen. 10. Testing device according to claim 8 and 9, characterized in that for forming the compression punch (5) as a Faraday cage the pressure plate (5), the base body (6) and the retaining ring (8) consist of an electrically conductive material.
1 1 . Prüfvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausnehmung (10) am Stauchstempel (1 ), in der ein Messverstärker (9) angeordnet ist, mit einer elektrisch leitfähigen Folie abgedeckt ist. 1 1. Test device according to claim 9 or 10, characterized in that a recess (10) on the compression punch (1), in which a measuring amplifier (9) is arranged, is covered with an electrically conductive foil.
12. Prüfvorrichtung nach Anspruch 8 und einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen dem Sicherungsring (8) und der Druckplatte (5) bestehende Spiel mit einer elektrisch leitfähigen Paste überbrückt ist. 12. Test device according to claim 8 and one of claims 9 to 1 1, characterized in that between the locking ring (8) and the pressure plate (5) existing game is bridged with an electrically conductive paste.
13. Prüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (7) zur Durchführung einer richtungssensitiven Kraftmessung während des Stauchvorgangs separate Sensorsegmente (7a, 7b, 7c) zur Erzeugung separater Kraftmesssignale aufweist. 13. Testing device according to one of the preceding claims, characterized in that the force sensor (7) for performing a direction-sensitive force measurement during the compression process separate sensor segments (7a, 7b, 7c) for generating separate force measurement signals.
14. Prüfvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsegmente (7a, 7b, 7c) identisch geformt und um eine Mittelachse der Druckplatte (5) angeordnet sind. 14. Testing device according to claim 13, characterized in that the sensor segments (7a, 7b, 7c) are identically shaped and arranged about a central axis of the pressure plate (5).
15. Prüfvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (7) als Sensorsegmente (7a, 7b, 7c) drei Kreissegmente aufweist. 15. Testing device according to claim 13 or 14, characterized in that the force sensor (7) as sensor segments (7a, 7b, 7c) has three circle segments.
16. Prüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor als Kraftmessfoliensensor (7) ausgebildet ist. 16. Testing device according to one of the preceding claims, characterized in that the force sensor is designed as a force measuring foil sensor (7).
17. Prüfvorrichtung nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftmessfoliensensor (7; 7a, 7b, aus einer piezoelektrische Eigenschaften aufweisenden PVDF-Folie besteht. 17. A test device according to claim characterized in that the force measuring foil sensor (7; 7a, 7b, consists of a piezoelectric properties having PVDF film.
18. Verfahren zur Durchführung von Stauchversuchen mittels einer Hochgeschwindigkeits-Druck-Prüfvorrichtung mit integrierter Kraftmessung, bei dem 18. A method for performing compression tests by means of a high-speed pressure tester with integrated force measurement, wherein
- zwei jeweils mit einer Druckplatte (3, 5) versehene Stauchstempel (1 , 2) auf eine Stauchprobe (4) wirken und - Two each with a pressure plate (3, 5) provided upset stamp (1, 2) a compression test (4) act and
- eine einem der beiden Stauchstempel (1 ) zugeordnete Kraftmesseinrichtung eine Kraft misst, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung einen Kraftsensor (7) aufweist, der zwischen einem Grundkörper (6) des zugeordneten Stauchstempels (1 ) und der Druckplatte (5) angeordnet ist und über die Druckplatte (5) mit einer über die Stauchprobe (4) eingeleiteten Kraft beaufschlagt wird.  a force measuring device assigned to one of the two compression punches (1) measures a force, characterized in that the force measuring device has a force sensor (7) which is arranged between a base body (6) of the associated compression punch (1) and the pressure plate (5) and is acted upon via the pressure plate (5) with a force introduced via the compression test (4).
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