CH656006A5 - Einspannvorrichtung fuer werkstoffpruefmaschinen zur durchfuehrung von wechselspannungs- und wechseldehnversuchen bei hohen temperaturen. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspannvorrichtung für Werkstoffprüfmaschinen zur Durchführung von Wechselspannungs- und Wechseldehnversuchen bei hohen Temperaturen, mit an der Prüfmaschine anzuordnen bestimmten Einspanneinheiten mit Einspannelementen für eine Materialprobe, je einem auf die eingespannten Enden der Materialprobe wirkenden Belastungsstempel zur Verspannung dieser Enden gegenüber den Einspannelementen, wobei die für die Verspannung erforderliche Vorbelastung des Belastungsstempels an die Temperatur der Probe bzw. der Einspannelemente anpassbar ist.

Bei solchen Einspannvorrichtungen muss die Materialprobe in den Einspannelementen so aufgenommen werden, dass bei allen vorkommenden Prüfbedingungen kein Spiel in der Einspannung auftritt. Dazu werden die Einspannköpfe der Probe in den Einspannelementen verspannt oder vorgespannt. Die Vorspannung wird so gewählt, dass bei wechselnder Kraftrichtung und bei unterschiedlichen Temperaturen Spielfreiheit während der Prüfung gewährleistet ist.

Die mit der Probe unmittelbar verbundenen Einspannelemente bestehen aus hochwertigem, hochwarmfestem Material. Ihre Festigkeit ist, wie die Festigkeit anderer metallischer Werkstoffe, bei hohen Temperaturen stark temperaturabhängig. Die Vorspannkraft bzw. die Verspannkraft zwischen Einspannkopf der Probe und Einspannelement muss daher bei hohen Temperaturen an die geänderten, d.h. verringerten Festigkeiten angepasst und entsprechend herabgesetzt werden.

Zur Aufbringung der Vorspannung wird jeder Einspannkopf der Probe durch einen Belastungsstempel beaufschlagt. Der Belastungsstempel, der durch das Einspannelement hindurchgeführt ist und auf die Stirnfläche des Einspannkopfes s wirkt, verspannt den Einspannkopf gegen das Einspannelement. Die Probe kann z.B. Gewindeeinspannköpfe aufweisen und in hülsenförmige Einspannelemente eingeschraubt sein. Es kann auch eine Schulterkopfeinspannung oder eine andere geeignete Einspannung für die Probe vorgesehen io werden.

Der Belastungsstempel wird bei den bekannten Vorrichtungen mechanisch oder hydraulisch vorgespannt. Für die mechanische Vorspannung werden geeignete Federanordnungen verwendet, die von Hand einstellbar sind, so dass 15 unterschiedliche Vorspannkräfte bzw. Verspannkräfte zwischen Einspannkopf der Probe und Einspannelement aufgebracht werden können. Bei hydraulischen Anordnungen wird zur Erzeugung der Vorspannung der Belastungsstempel mit einem Betätigungszylinder bzw. Betätigungskolben ver-20 bunden, der von einem Druckmittel beaufschlagt wird.

Durch Steuerung oder Regelung des Drucks im Betätigungszylinder kann die Vorspannung des Belastungsstempels eingestellt werden. Bei mechanischen Vorspanneinrichtungen ist die Einstellung der Vorspannung von Hand umständlich. 25 Hydraulische Vorspannanordnungen erfordern einen nicht unerheblichen Aufwand.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannte Einspannvorrichtung zu verbessern und zu vereinfachen. Dabei soll eine selbsttätige Einstellung der auf die Einspannköpfe der Probe wirkenden Vorspannung in Abhängigkeit von der Temperatur möglich sein. Die Vorspannung soll der Festigkeit des Materials der Einspannelemente bei unterschiedlichen Temperaturen, insbesondere dem Festigkeitsab-3S fall bei hohen Temperaturen anpassbar sein, so dass eine. Einstellung von Hand oder eine entsprechende Steuer- oder Regeleinrichtung entfallen kann. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten Ausgestaltungen der Erfin-

40 dunS"

Die Vorteile der Erfindung ergeben sich im wesentlichen aus der Aufgabenstellung. Durch Verwendung einer Feder mit degressiver Kennlinie in Verbindung mit einem Belastungsstempel, dessen Material einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material der Einspannelemente, wird es möglich, die Vorspannung an der Einspannstelle der Probe dem Festigkeitsabfall der Einspannelemente automatisch anzupassen. Der degressive Teil der Federkennlinie wird hierbei so festgelegt, dass sich die Federkraft mit dem Federweg möglichst wenig ändert. Durch Abstimmung der Federkennlinie mit dem Ausdehnungsverhalten des Belastungsstempels und des Einspannelements wird erreicht, dass auch bei hoher Temperatur die Vorspannung an der Einspannstelle der Probe immer unter dem zulässigen Festigkeitswert für das Einspannelement liegt.

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Der Belastungsstempel wird zweckmässigerweise aus einem keramischen Material hergestellt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich durch die Verwendung von Tellerfedern, die es auf einfache Weise ermög-60 liehen," eine degressive Federkennlinie zu erzeugen. Der maximale Federweg der Feder kann einstellbar und die Feder selbst auswechselbar ausgeführt werden.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel in der Zeichnung dargestellt und in der Beschreibung 65 näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 schematisch die erfindungsgemässe Einspannvorrichtung mit einem federbelasteten, auf einen Einspannkopf einer Probe wirkenden Belastungsstempel. In Fig. 2 ist schematisch eine degressive

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Federkennlinie und in Fig. 3 der Festigkeitsverlauf eines degressiver Kennlinie verwendet. Bei diesen Federn steigt die hochwarmfesten Werkstoffes dargestellt. Federkraft zu Beginn des Federweges zunächst etwa linear

Die Einspanneinheiten 1,1' der Einspannvorrichtung sind an. Mit zunehmendem Federweg wird der Kraftanstieg in geeigneter Weise an der nur andeutungsweise dargestellten geringer bis die Federkraft schliesslich konstant bleibt oder

Prüfmaschine 2,2' befestigt. Die Einheit 1 ' kann dabei bei- s gegen Ende des Federweges sogar wieder abnimmt. Der qua-

spielsweise an einem festen Teil der Maschine 2', z.B. einem litative Verlauf der Federkraft F über dem Federweg s ist für

Querhaupt, die Einspanneinheit 1 an der beweglichen Kol- eine solche Feder mit degressiver Kennlinie in Fig. 2 darge-

benstange 2 der Belastungseinrichtung der Prüfmaschine stellt. Für den vorliegenden Anwendungsfall werden die Tel-

angebaut sein. Die beiden Einheiten 1 und 1 ' sind im wesent- lerfedern so ausgewählt, dass die Federkraft im Endbereich liehen gleich ausgebildet. In der Zeichnung ist daher nur die io des Federweges (A bis B in Fig. 2) möglichst konstant bleibt

Einspanneinheit 1 in Einzelheiten dargestellt. und im Anfangsbereich (B bis C) etwa gleichmässig ansteigt.

Zwischen den beiden Einspanneinheiten 1,1 ' ist die Probe Die Festigkeit des Einspannelements 6 bleibt bis zu einer

3 angeordnet. Die Probe ist mit Gewindeeinspannköpfen 3 ' gewissen Temperatur im Bereich von etwa 500 bis 600 °C

versehen und mit den Einspanneinheiten 1,1' verbunden. ungefähr gleich. Danach fällt sie etwa linear mit der Tempe-

Zur Durchführung von Temperaturversuchen ist ein Ofen is ratur ab. Ein typischer Festigkeitsverlauf bzw. Verlauf der oder eine Heizeinrichtung 4 vorgesehen, die die Probe 3 und zulässigen Beanspruchung az über der Temperatur t für ein die Enden der Einspanneinheiten umgibt. warmfestes Material, aus dem die Einspannelemente

Die Einspanneinheit 1 besteht aus einem Grundkörper 5 bestehen, ist in Fig. 3 dargestellt.

und einem Einspannelement 6. Der Grundkörper 5 ist bügel- Das unterschiedliche Ausdehnungsverhalten des Einspanoder zylinderförmig ausgebildet und mit seinem offenen 20 nelements 6 und des Belastungsstempels 7 haben zur Folge, Ende an der Prüfmaschine bzw. der Kolbenstange 2 befestigt. dass sich mit steigender Temperatur an der Einspannvorrich-Das Einspannelement 6 ist am Steg oder Deckel des Grund- tung das Einspannelement 6 und der Belastungsstempel 7 körpers 5 in geeigneter Weise, z.B. durch eine Schraubverbin- ungleich stark ausdehnen, wobei sich das Einspannelement dung, mit diesem verbunden. Das Einspannelement ist hül- wegen des höheren Ausdehnungskoeffizienten stärker dehnt senförmig ausgebildet und am probenseitigen Ende mit 2s als der Belastungsstempel. Die Differenz der Längenände-einem Innengewinde für die Aufnahme des Gewindeein- rungen kann bei gegebener Länge der beiden Teile für eine spannkopfes 3 ' der Probe 3 versehen. Anstelle der Gewinde- gegebene Temperaturdifferenz ermittelt werden. Die Längeneinspannung kann auch eine andere Art der Einspannung, änderungsdifferenz des Belastungsstempels 7 gegenüber z.B. eine Schulterkopfeinspannung, für die Probe vorgesehen dem Einspannelement 6 wird zur Festlegung der Federkennwerden. Das Einspannelement 6 besteht aus hochwarmfe- 30 linie der Tellerfedern herangezogen. Der Federweg und die stem Material, während für den Grundkörper 5 herkömm- Federkraft der Tellerfedern 9, d.h. die Kennlinie der Tellerfe-liche Materialien verwendet werden können, da sich der dem, wird dabei so auf das Ausdehnungsverhalten des Bela-Grundkörper bei der Prüfung praktisch nicht erwärmt bzw. stungsstempels 7 und des Einspannelements 6 über der Tem-ggf. gekühlt werden kann. peratur abgestimmt, dass sich die Vorspannung Fv an der

Im Einspannelement 6 ist ein Belastungsstempel 7 aus 35 Einspannstelle der Probe automatisch an die Festigkeitsände-

einem geeigneten druckfesten keramischen Material rang des Einspannelements 6 anpasst.

angeordnet. Das Material des Stempels weist einen niedri- Hierzu wird die Vorspannung der Tellerfedern bei Umge-

geren Ausdehnungskoffizienten auf als das Material des Ein- bungstemperatur entsprechend der gewünschten Vorspan-

spannelements 6. Der Belastungsstempel 7 ist mit einem nung an der Einspannstelle gewählt. Bei dieser Vorspannung

Teller 8 verbunden, der durch Tellerfedern 9 beaufschlagt 40 sind die Tellerfedern im eingebauten Zustand zusammenge-

wird. Die Tellerfedern können an der Belastungseinrichtung drückt und üben über den Belastungsstempel 7 die

2 oder am Grundkörper 5 abgestützt werden, wenn dieser gewünschte Vorspannkraft Fv an der Einspannstelle der entsprechend ausgebildet ist. Durch die Tellerfedern 9 wird Probe aus. Dieser Zustand entspricht Punkt A in den Figuren

über den Teller 8 und den Belastungsstempel 7 eine Vor- 2 und 3.

Spannkraft Fv auf den Gewindeeinspannkopf 3 ' der Probe 3 45 Wenn sich das Einspannelement 6 und der Belastungsaufgebracht, mit der der Einspannkopf gegen das Einspann- Stempel 7 erwärmen, muss der Belastungsstempel wegen element 6 verspannt wird. Dadurch ist Spielfreiheit der Ein- seiner geringeren Längendehnung im Einspannelement 6 Spannung bei Wechselspannungs- und Wechseldehnver- nachgeführt werden. Dies geschieht durch die Ausdehnung suchen gewährleistet. Die Prüfkraft an der Probe darf dabei der Tellerfedern. Diese arbeiten zunächst im konstanten die Vorspannkraft der Tellerfedern nicht überschreiten. so Bereich der Federkennlinie, d.h. Änderungen des Federweges

Zur Erzeugung der Vorspannung können anstelle der Tel- ergeben nur geringe oder keine Änderungen der Federkraft,

lerfedern auch andere Federn oder Federanordnungen mit Dieser Zustand entspricht dem Bereich A bis B in den degressiver Kennlinie verwendet werden. Der Grundkörper 5 Figuren 2 und 3.

kann so ausgebildet werden, dass die Tellerfedern leicht aus- Der Punkt B der Federkennlinie (Fig. 2), an dem die wechselbar sind und dass ihre maximale Vorspannkraft bei ss Abnahme der Federkraft mit abnehmendem Federweg

Umgebungstemperatur einstellbar ist. beginnt, wird so gelegt, dass er mit Punkt B des Festigkeits-

Da die Festigkeit des Einspannelements 6 bei hohen Tem- Verlaufs des Einspannelements 6 (Fig. 3) zusammenfällt, von peraturen stark abfällt, kann eine bei Umgebungstemperatur dem an die Festigkeit des Einspannelements mit zuneh-

unschädliche Vorspannkraft das Einspannelement bei hoher mender Temperatur abnimmt.

Temperatur schädigen. Dies wurde bisher durch Einstellung 60 Wenn die Temperatur an der Einspannvorrichtung über der Vorspannkraft von Hand oder durch hydraulische Rege- den Punkt B weiter in Richtung C ansteigt (Fig. 3), wird der

Iung der Vorspannkraft für den jeweiligen Prüffall ver- Belastungsstempel 7 wegen seiner geringeren Wärmedeh-

mieden. Durch die erfindungsgemässe Anordnung erfolgt nung durch die Tellerfedern 9 im Einspannelement 6 ständig eine automatische Anpassung der Vorspannkraft Fv an die an nachgeführt. Die dadurch bedingte weitere Ausdehnung der der Probe bzw. der Einspannstelle der Probe herrschende 65 Tellerfedern führt jetzt aber dazu, dass die Federkraft etwa Temperatur und damit an die Warmfestigkeit des Einspanne- linear mit dem Federweg abnimmt, entsprechend dem lements 6. Bereich B bis C in Fig. 2. Dem durch die Temperaturerhö-

Zur Erzeugung der Vorspannung werden Tellerfedern mit hung verursachten Festigkeitsabfall des Einspannelements

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im Bereich B bis C in Fig. 3 entspricht auf diese Weise eine Herabsetzung der Vorspannkraft der Tellerfedern entsprechend dem Bereich B bis C in Fig. 2.

Die Federkennlinie der Tellerfedern 9 und das unterschiedliche Längenausdehnungsverhalten des Einspannelements 6 und des Belastungselements 7 werden also so aufeinander abgestimmt, dass mit zunehmender Temperatur und beginnender Abnahme der Festigkeit des Einspannelements 6 auch die Vorspannkraft der Tellerfedern abnimmt. Dadurch ergibt sich die automatische Anpassung der Vorspannkraft an die jeweilige Festigkeit des Einspannelements 6. Die Vorspannung der Tellerfedern wird hierbei so gewählt, dass die zulässige Beanspruchung der Einspannelemente im gesamten Temperaturbereich der Einrichtung nicht überschritten wird. Durch entsprechende Abstimmung kann eine weitgehende Annäherung der Festigkeitskennlinie der Einspannelemente s und der Kennlinie der Tellerfedern erreicht werden.

Bei abnehmender Temperatur kehren sich die Verhältnisse um: mit von C nach B bzw. A abnehmender Temperatur nimmt die Festigkeit des Einspannelements 6 wieder zu (Fig. 3), gleichzeitig nimmt die Längsdehnung des Einspanneie-lo ments 6 und des Belastungsstempels 7 unterschiedlich stark ab. Dadurch erhöht sich die Vorspannkraft der Federn wieder vom Wert C auf den Wert B bzw. A (Fig. 2).

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

656006 PATENTANSPRÜCHE

1. Einspannvorrichtung für Werkstoffprüfmaschinen zur Durchführung von Wechselspannungs- und Wechseldehnversuchen bei hohen Temperaturen, mit an der Prüfmaschine anzuordnen bestimmten Einspanneinheiten mit Einspannelementen für eine Materialprobe, je einem auf die eingespannten Enden der Materialprobe wirkenden Belastungsstempel zur Verspannung dieser Enden gegenüber den Einspannelementen, wobei die für die Verspannung erforderliche Vorbelastung des Belastungsstempels an die Temperatur der Probe bzw. der Einspannelemente anpassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Belastungsstempel (7) aus einem Material besteht, das einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material der Einspannelemente (6) für die Probe (3) und das über den vorgegebenen Temperaturbereich druckfest ist, und dass der Belastungsstempel (7) zur Erzeugung der Vorbelastung durch eine Feder (9) mit degressiver Kennlinie beaufschlagt ist.

2. Einspannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie der Feder (9) und das Ausdehnungsverhalten des Belastungsstempels (7) und des Einspannelements (6) so aufeinander abgestimmt sind, dass sich die Verspannung der Festigkeitsänderung des Einspannelements (6) bei Temperaturänderung, insbesondere dem Festigkeitsabfall bei Temperaturzunahme, anpasst.

3. Einspannvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Belastungsstempel (7) aus einem keramischen Material besteht.

4. Einspannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (9) als Tellerfeder ausgebildet ist.

5. Einspannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Federweg der Feder (9) einstellbar ist.

6. Einspannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (9) auswechselbar ist.