DE102011002244A1

DE102011002244A1 - Hochgeschwindigkeits-Druck-Prüfvorrichtung mit integrierter Kraftmessung

Info

Publication number: DE102011002244A1
Application number: DE201110002244
Authority: DE
Inventors: Andreas Hamann; Peter Löwe
Original assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2031-04-22
Also published as: DE102011002244B4; WO2012143527A1

Abstract

Bei einer Prüfvorrichtung mit integrierter Kraftmessung zur Durchführung von Hochgeschwindigkeits-Stauchversuchen mit zwei auf eine Stauchprobe (4) wirkenden, jeweils mit einer Druckplatte (3, 5) versehenen Stauchstempeln (1, 2) umfasst die einem der beiden Stauchstempel (1) zugeordnete Kraftmesseinrichtung einen zwischen einem Grundkörper (6) des Stauchstempels (1) und der Druckplatte (5) fest angeordneten, direkt über die Druckplatte mit der von der Stauchprobe ausgeübten Kraft vollflächig beaufschlagten, vorzugsweise aus drei kreisförmigen Sensorsegmenten bestehenden Kraftmessfoliensensor (7) sowie einen mit diesem verbundenen, nahe dem Kraftmessfoliensensor (7) in den Stauchstempel (1) integrierten Messverstärker (9), wobei der die Kraftmesseinrichtung einschließlich der zugehörigen Mess- und Speiseleitungen (12) aufnehmende Stauchstempel (1) als Faradayscher Käfig zur Reduzierung von äußeren Störeinflüssen ausgebildet ist. Mit der so ausgebildeten Prüfvorrichtung können Messfehler reduziert und die Messgenauigkeit erhöht werden.

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 in 2 zeigt, näher erläutert.
Die in 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.
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 zweiten Druckplatte 5.
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 Druckplatte 5 und dem Kraftmessfoliensensor 7 gering ist und die auf die Druckplatte 5 wirkende Kraft gleichmäßig verteilt und vollständig auf den Kraftmessfoliensensor 7 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 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.
Ein am Außenumfang 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 Kraftmessfoliensensor 7 beweglich ist. Über eine das Spiel überbrückende elektrisch leitfähige Paste (nicht dargestellt) ist jedoch eine leitfähige Verbindung zwischen der Druckplatte 5 und dem Sicherungsring 8 gewährleistet.
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 außen 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 11 im Innern des Stauchstempels 1 verlaufenden Mess- und Speiseleitungen 12 sowie ein Messkabel 13 vor äußeren Störeinflüssen schützt.
Aus 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. 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.
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

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.