DE102011002244A1 - Hochgeschwindigkeits-Druck-Prüfvorrichtung mit integrierter Kraftmessung - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Hochgeschwindigkeits-Druck-Prüfvorrichtung mit integrierter Kraftmessung zur Durchführung von Stauchversuchen mit zwei auf eine Stauchprobe wirkenden, jeweils mit einer Druckplatte versehenen Stauchstempeln sowie einem der Stauchstempel zugeordneter Kraftmesseinrichtung.
- Hochgeschwindigkeitsstauchversuche dienen insbesondere dem Zweck, das Verhalten eines Werkstoffs bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten unter Druckbelastung zu untersuchen. Aufgrund der mit hohen Stauchgeschwindigkeiten verbundenen Wirkung von Masenträgheitskräften, der Phasenverschiebung des Kraftsignals zwischen Stauchprobe und Kraftsensor, einer unter Umständen unsymmetrischen Belastung der Stauchprobe sowie äußerer Störsignaleinflüsse kann es zu einer fehlerhaften bzw. ungenauen Kraftmessung kommen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochgeschwindigkeits-Druck-Prüfvorrichtung mit in einen der Stauchstempel integrierter Kraftmesseinrichtung 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.
- Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Bei einer Hochgeschwindigkeits-Druck-Prüfvorrichtung der eingangs erwähnten Art besteht der Grundgedanke der Erfindung darin, dass die in einen der Stauchstempel integrierte Kraftmesseinrichtung einen zwischen einem Grundkörper des Stauchstempels und der an diesem ausgebildeten Druckplatte angeordneten, direkt über die Druckplatte mit der von der Stauchprobe ausgeübten Kraft vollflächig beaufschlagten Kraftmessfoliensensor sowie einen mit diesem verbundenen, in den Stauchstempel nahe dem Kraftmessfoliensensor integrierten Messverstärker umfasst, und der die Kraftmesseinrichtung einschließlich der zugehörigen Mess- und Speiseleitungen aufnehmende Stauchstempel als Faradayscher Käfig zur Reduzierung von äußeren Störeinflüssen ausgebildet ist. Mit der so ausgebildeten Prüfvorrichtung können beim Hochgeschwindigkeitsdruckversuch Messfehler minimiert und die Messgenauigkeit erhöht werden.
- In weiterer Ausbildung der Erfindung befindet sich der Kraftmessfoliensensor zwischen einem Grundkörper und der Druckplatte des Stauchstempels und ist mit der Druckplatte und dem Grundkörper fest verbunden. Der Kraftmessfoliensensor liegt vollflächig und in inniger Verbindung an der Druckplatte des die Kraftmesseinrichtung aufnehmenden Stauchstempels an.
- Die Druckplatte ist zur Erzielung einer möglichst geringen Dicke und eines entsprechend geringen Massenträgheitseinflusses sowie zur gleichmäßigen Verteilung der von der Stauchprobe ausgeübten Kraft konisch ausgebildet und besteht aus einem hochfesten Werkstoff.
- Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist an dem betreffenden Stauchstempel zur Vermeidung einer Querbewegung der Druckplatte und einer Querbelastung des mit dieser verbundenen Kraftmessfoliensensors in Höhe des Kraftmessfoliensensors ein mit dem Grundkörper an dessen Außenumfang fest verbundener, jedoch gegenüber der Druckplatte mit Spiel angeordneter Sicherungsring gehalten.
- 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 aus einem elektrisch leitfähigen Material und der Bereich des über Ausnehmungen im Stauchstempel angeordneten Messverstärkers ist mit einer elektrisch leitfähigen Folie abgedeckt, während das zwischen dem Sicherungsring und der Druckplatte bestehende Spiel mit einer elektrisch leitfähigen Paste überbrückt ist.
- Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Kraftmesssystems für eine Hochgeschwindigkeits-Druck-Prüfvorrichtung ergibt sich aus der Ausbildung des Kraftmessfoliensensors aus separaten, identischen, zentrisch um eine Mittelachse angeordneten Sensorsegmenten zur Erzeugung separater Kraftmesssignalkurven und damit zur Durchführung einer richtungssensitiven Kraftmessung während des Stauchvorgangs. Dadurch kann eine unsymmetrische Belastung der Stauchprobe exakt erfasst werden.
- In Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Kraftmessfoliensensor drei separate, identische Kreissegmente.
- In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht der Kraftmessfoliensensor aus einer Polyvinylidenfluoridfolie (PVDF-Folie) mit piezoelektrischen Eigenschaften.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der
-
1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht der beiden Stauchstempel einer Hochgeschwindigkeits-Druck-Prüfvorrichtung; -
2 eine vergrößerte Darstellung des mit der Kraftmesseinrichtung ausgerüsteten Stauchstempels; und -
3 einen Schnitt längs der Linie AA in2 zeigt, näher erläutert. - Die in
1 im Bereich der beiden Stauchstempel dargestellte Hochgeschwindigkeits-Druck-Prüfvorrichtung umfasst in der vorliegenden Ausführungsform einen stationären – oberen – Stauchstempel1 mit einer in diesen integrierten Kraftmesseinrichtung und einen an den Antrieb einer Hochgeschwindigkeitsprüfmaschine (nicht dargestellt) angeschlossenen, angetriebenen – unteren – Stauchstempel2 . Auf einer an der oberen Stirnseite des angetriebenen Stauchstempels2 angeordneten ersten Druckplatte3 befindet sich eine manuell möglichst zentrisch aufgesetzte Stauchprobe4 . - Der mit einer zweiten Druckplatte
5 ausgebildete stationäre Stauchstempel1 mit integrierter Kraftmesseinrichtung weist einen unmittelbar an der Rückseite der Druckplatte5 , das heißt zwischen der Druckplatte5 und dem Grundkörper6 des Stauchstempels1 fest angeordneten Kraftmessfoliensensor7 auf. Der aus einer PVDF-Folie (Polyvinylidenfolie mit piezoelektrischen Eigenschaften) bestehende Kraftmessfoliensensor7 ist fest, beispielsweise durch Verkleben, mit der Druckplatte5 und dem Grundkörper6 verbunden und befindet sich somit in einem innigen Kontakt mit der zweiten Druckplatte5 . - Die konisch ausgebildete zweite Druckplatte
5 besteht aus einem elektrisch leitfähigen und zudem hochfesten Werkstoff. Ihre Dicke kann aufgrund der Ausbildung aus einem hochfesten Werkstoff so gering sein, dass der Abstand zwischen der Kraftangriffsfläche an der freien Seite der Druckplatte5 und dem Kraftmessfoliensensor7 gering ist und die auf die Druckplatte5 wirkende Kraft gleichmäßig verteilt und vollständig auf den Kraftmessfoliensensor7 übertragen wird und gleichzeitig der bereits durch die Verwendung eines PVDF-Foliensensors verringerte Massenträgheitseinfluss auf den Messvorgang weiter minimiert wird. Durch ihre konische Ausbildung ist die Druckplatte5 an den von der Stauchprobe4 ausgehenden Kraftflussverlauf während des Stauchversuchs angepasst und darüber hinaus wird die Masse der Druckplatte5 weiter verringert und die optische Zugänglichkeit für eine Kamerabeobachtung der Stauchprobe4 während des Stauchversuchs verbessert. Die konische Ausbildung der Druckplatte5 ermöglicht zudem eine bessere zentrische Ausrichtung der Stauchprobe4 zum Kraftmessfoliensensor7 . - Ein am Außenumfang der Druckplatte
5 gehaltener Sicherungsring8 verhindert eine Querbewegung der Druckplatte5 und damit eine Beschädigung des Kraftmessfoliensensors7 . Während der Sicherungsring8 durch eine Presspassung fest am Grundkörper6 fixiert ist, ist zwischen dem Sicherungsring8 und der Druckplatte5 ein Spiel vorhanden, so dass die Druckplatte5 beim Stauchvorgang frei in Richtung Kraftmessfoliensensor7 beweglich ist. Über eine das Spiel überbrückende elektrisch leitfähige Paste (nicht dargestellt) ist jedoch eine leitfähige Verbindung zwischen der Druckplatte5 und dem Sicherungsring8 gewährleistet. - Zur Konditionierung des beim Druckversuch vom Kraftmessfoliensensor
7 erzeugten Signals ist ein Messverstärker9 vorgesehen, der zur Minimierung äußerer Störsignaleinflüsse nahe am Kraftmessfoliensensor7 in den Stauchstempel1 integriert ist. Der in Ausnehmungen10 des Stauchstempels1 montierte Messverstärker9 ist nach außen mit einer elektrisch leitfähigen Folie (nicht dargestellt) abgedeckt. Der Stauchstempel1 bildet somit aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der Druckplatte5 , des Sicherungsrings8 und des Grundkörpers6 sowie der Abdeckfolie und der Leitpaste einen Faradayschen Käfig, der den Kraftmessfoliensensor7 , den Messverstärker9 und die vom Messverstärker9 ausgehenden, in einem Hohlraum11 im Innern des Stauchstempels1 verlaufenden Mess- und Speiseleitungen12 sowie ein Messkabel13 vor äußeren Störeinflüssen schützt. - Aus
3 ist ersichtlich, dass der kreisrunde Kraftmessfoliensensor7 aus drei kreissegmentförmigen, voneinander unabhängigen, jeweils mit einem Messverstärker9 und einem Messkabel13 verbundenen Sensorsegmenten7a ,7b und7c besteht. In der vorliegenden Ausführungsform besteht der Kraftmessfoliensensor7 aus einer PVDF-Folie. Die dreiteilige Ausbildung des Kraftmessfoliensensors7 ermöglicht eine richtungssensitive Kraftmessung im Stauchversuch, indem mit den drei Sensorsegmenten7a ,7b und7c 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 Stauchprobe4 während des Stauchversuchs Rückschlüsse auf die Werkstoffeigenschaften gezogen werden. Andererseits weist ein stark unterschiedlicher Signalverlauf auf eine ungleichmäßige, unsymmetrische Belastung der Stauchprobe4 und auf einen unter Umständen nicht aussagekräftigen Stauchversuch hin, der dann wiederholt werden kann. - 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.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- stationärer – oberer – Stauchstempel
- 2
- angetriebener – unterer – Stauchstempel
- 3
- erste Druckplatte
- 4
- Stauchprobe
- 5
- zweite Druckplatte
- 6
- Grundkörper von
1 - 7
- Kraftmessfoliensensor
- 8
- Sicherungsring
- 9
- Messverstärker
- 10
- Ausnehmungen in
1 - 11
- Hohlraum von
1 - 12
- Mess- und Speiseleitung
- 13
- Messkabel
- 7a, 7b, 7c
- Sensorsegmente von
7
Claims (9)
- Hochgeschwindigkeits-Druck-Prüfvorrichtung mit integrierter Kraftmessung zur Durchführung von Stauchversuchen mit zwei auf eine Stauchprobe (
4 ) wirkenden, jeweils mit einer Druckplatte (3 ,5 ) versehenen Stauchstempeln (1 ,2 ) sowie einem der beiden Stauchstempel (1 ) zugeordneter Kraftmesseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung einen zwischen einem Grundkörper (6 ) des Stauchstempels (1 ) und der Druckplatte (5 ) angeordneten, direkt über die Druckplatte mit der von der Stauchprobe ausgeübten Kraft vollflächig beaufschlagten Kraftmessfoliensensor (7 ) sowie einen mit diesem verbundenen, nahe dem Kraftmessfoliensensor (7 ) in den Stauchstempel integrierten Messverstärker (9 ) umfasst, und der die Kraftmesseinrichtung aufnehmende Stauchstempel (1 ) als Faradayscher Käfig zur Reduzierung von äußeren Störeinflüssen ausgebildet ist. - Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftmessfoliensensor (
7 ) vollflächig an der Druckplatte (5 ) anliegt. - Prüfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftmessfoliensensor (
7 ) mit der Druckplatte (5 ) und dem Grundkörper (6 ) fest verbunden ist. - Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckplatte (
5 ) zur Erzielung einer geringen Dicke und eines geringen Massenträgheitseinflusses sowie zur gleichmäßigen Verteilung der von der Stauchprobe (4 ) ausgeübten Kraft konisch ausgebildet ist und aus einem hochfesten Werkstoff besteht. - Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Stauchstempel (
5 ) zur Vermeidung einer Querbewegung der Druckplatte (5 ) und einer Querbelastung des mit dieser verbundenen Kraftmessfoliensensors (7 ) in Höhe des Kraftmessfoliensensors (7 ) ein mit dem Grundkörper (6 ) fest verbundener und gegenüber der Druckplatte (5 ) mit Spiel angeordneter Sicherungsring (8 ) gehalten ist. - Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Stauchstempels (
5 ) als Faradayscher Käfig für die Kraftmesseinrichtung einschließlich der im Stauchstempel verlegten Mess- und Speiseleitungen die Druckplatte (5 ), der Grundkörper (6 ) und der Sicherungsring (8 ) aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen und der Bereich des über Ausnehmungen (10 ) im Stauchstempel (1 ) angeordneten Messverstärkers (9 ) mit einer elektrisch leitfähigen Folie und das zwischen dem Sicherungsring (8 ) und der Druckplatte (5 ) bestehende Spiel mit einer elektrisch leitfähigen Paste überbrückt ist. - Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftmessfoliensensor (
7 ) zur Durchführung einer richtungssensitiven Kraftmessung während des Stauchvorgangs aus separaten, identischen, zentrisch um eine Mittelachse angeordneten Sensorsegmenten (7a ,7b ,7c ) zur Erzeugung separater Kraftmesssignale besteht. - Prüfvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsegmente (
7a ,7b ,7c ) drei Kreissegmente umfassen. - Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftmessfoliensensor (
7 ;7a ,7b ,7c ) aus einer piezoelektrische Eigenschaften aufweisenden PVDF-Folie besteht.
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