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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spanneinrichtung zum Spannen einer flachen Materialprüfprobe während der Durchführung eines Werkstoffprüfversuchs sowie eine Werkstoffprüfmaschine mit zwei solchen Spanneinrichtungen.
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Zur Ermittlung von Werkstoffkennwerten, die das Verhalten von Werkstoffen unter dem Einfluss äußerer Kräfte repräsentieren, ist es allgemein bekannt, aus dem entsprechenden Werkstoff hergestellte Materialprüfproben genormten Werkstoffprüfversuchen zu unterziehen. Ein Beispiel eines solchen Werkstoffprüfversuchs stellt der so genannte Zugversuch dar, mit dem die Zugfestigkeit und weitere Werkstoffkennwerte eines Werkstoffes ermittelt werden können. Bei derartigen Werkstoffprüfversuchen wird eine flache Materialprüfprobe mit rechteckigem Prüfverschnitt und flachem Probenkopf beidseitig jeweils unter Verwendung einer Spanneinrichtung in einer Werkstoffprüfmaschine eingespannt, woraufhin über die Spanneinrichtungen auf die Materialprüfprobe eine Last ausgeübt wird. Derzeit bekannte Spanneinrichtungen arbeiten dabei normalerweise nach einem Zangenprinzip, bei dem das Ende der Materialprüfprobe von der Spanneinrichtung zangenartig gegriffen bzw. gespannt wird. Derartige Spanneinrichtungen haben sich insbesondere bei der Abbildung einsinniger Zugverformungen bewährt, wie sie insbesondere beim Zugversuch auftreten. Sie stoßen allerdings an physikalische Grenzen, wenn eine symmetrische Zug-Druck-Wechselbelastung erfolgen soll, also R = –1 ist, wobei gilt: R = Fmin/Fmax = σmin/σmax mit Fmin als Druckkraft mit negativem Vorzeichen und Fmax als Zugkraft mit positivem Vorzeichen. Bei einer solchen Zug-Druck-Wechselbelastung kommt es beim Übergang von der Zugbelastung zur Druckbelastung häufig zu einer Sprungfunktion, weil die Materialprüfprobe zu rutschen beginnt, da die Klemmwirkung der nach dem Zangenprinzip arbeitenden Spanneinrichtungen nicht ausreichend ist.
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Derzeit löst man dieses Problem, indem auf eine symmetrische Belastung verzichtet wird. Der Materialprüfversuch wird also im so genannten Zugschwellbereich mit R = 0 gefahren. Das bedeutet, dass die Zugkraft schwankt, wobei die Unterspannung gleich 0 ist. Entsprechend wird die Materialprüfprobe keiner Druckkraft ausgesetzt, so dass ein Rutschen der Materialprüfprobe verhindert wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spanneinrichtung und eine Werkstoffprüfmaschine der eingangs genannten Art mit alternativem Aufbau zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung einer Spanneinrichtung der eingangs genannten Art, umfassend ein im Wesentlichen zylindrisches Spannteil, von dessen einem freien Ende sich ein Aufnahmeschlitz zur Aufnahme der Materialprüfprobe erstreckt, einen das Spannteil im Bereich des Aufnahmeschlitzes umgebenden Druckring und eine zwischen dem Spannteil und dem Druckring vorgesehene Druckhülse, die derart ausgebildet und betätigbar ist, dass sie unter radialer Ausdehnung das Spannteil und den Druckring miteinander verbindet und die in dem Aufnahmeschlitz gehaltene Materialprüfprobe kraftschlüssig spannt. Die erfindungsgemäße Spanneinrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie auf die zu spannende Materialprüfprobe eine gleichmäßig hohe Flächenpressung ausübt, die ein Rutschen der Materialprüfprobe selbst im Falle einer Wechselbelastung sicher verhindert. Darüber hinaus folgt beim Spannen automatisch eine Zentrierung der Materialprüfprobe, wodurch konstante Prüfbedingungen garantiert werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Aufnahmeschlitz am Schlitzgrund aufgeweitet, wobei die Aufweitung bevorzugt einen kreisrunden Querschnitt aufweist.
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Eine solche Aufweitung ist dahingehend von Vorteil, dass sich der Aufnahmeschlitz des Spannteils bei Betätigung der Druckhülse einfacher verjüngen lässt, wodurch ein Spannen der im Aufnahmeschlitz aufgenommenen Materialprüfprobe erleichtert wird.
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Bevorzugt weist der Außendurchmesser des Spannteils im Bereich des Schlitzgrundes des Aufnahmeschlitzes zumindest eine Nut auf, insbesondere zwei einander gegenüber liegende Nuten, die im gleichen Abstand zum Aufnahmeschlitz angeordnet sind. Durch diese Nuten wird der Querschnitt des Spannteils punktuell geschwächt, wodurch ebenfalls ein Verjüngen des Aufnahmeschlitzes bei Betätigung der Spannhülse und somit ein Spannen der im Aufnahmeschlitz aufgenommenen Materialprüfprobe erleichtert wird.
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Vorteilhaft weist das Spannteil an seinem anderen freien Ende einen Befestigungsabschnitt zum Anordnen des Spannteils an einer Werkstoffprüfmaschine auf. Entsprechend lässt sich das Spannteil in einfacher Art und Weise an einer Werkstoffprüfmaschine befestigen bzw. an einem Prüfrahmen einer solchen Werkstoffprüfmaschine.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Befestigungsabschnitt des Spannteils mit einem Gewinde versehen, das mit einem korrespondierend ausgebildeten Gegengewinde der Werkstoffprüfmaschine in Eingriff gebracht werden kann. Entsprechend kann das Spannteil in einfacher Weise mit der Werkstoffprüfmaschine verschraubt werden.
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Bevorzugt ist der Druckring als massives Bauteil ausgebildet. Der ringförmige Aufbau des Druckrings weist also bei dieser Variante keine Hohlräume auf, die den Querschnitt des Druckrings schwächen. Entsprechend nimmt der Druckring die beim Spannvorgang von dem Spannteil auf diesen ausgeübten Kräfte bei minimaler Verformung auf.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine von einem Kühlfluid durchströmbare Kühlmanschette vorgesehen, die bevorzugt den Druckring umgibt. Eine derartige Kühlmanschette soll nachteilige Einflüsse hoher Temperaturen auf die Spanneinrichtung verhindern, insbesondere ein Verlust oder Abfall der Klemmkraft bzw. Klemmspannung.
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Vorteilhaft ist an einer Stirnseite der Spanneinrichtung zumindest eine Wärmeisolierung vorgesehen, die bevorzugt plattenförmig ausgebildet und/oder aus Keramikmaterial hergestellt ist. Eine solche Wärmeisolierung isoliert die Spanneinrichtung einerseits vor den Einflüssen hoher Außentemperaturen. Andererseits wird die Wirkung der Kühlmanschette, wenn eine solche vorgesehen ist, unterstützt.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ferner eine Werkstoffprüfmaschine mit zwei Spanneinrichtungen der zuvor beschriebenen Art, die derart einander gegenüber angeordnet sind, dass die freien Enden einer flachen Materialprüfprobe in deren Aufnahmeschlitzen aufnehmbar sind und die Materialprüfprobe entsprechend gespannt werden kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spanneinrichtung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
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1 eine perspektivische Ansicht von zwei einander gegenüber angeordneter Spanneinrichtungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die einen Teil einer erfindungsgemäßen Werkstoffprüfmaschine bilden und zwischen denen eine flache Materialprüfprobe gespannt ist;
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2 eine seitliche Querschnittansicht der in 1 dargestellten Anordnung;
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3 eine Draufsicht der Materialprüfprobe der in den 1 und 2 dargestellten Anordnung;
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4 eine Seitenansicht der Materialprüfprobe;
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5 eine Querschnittansicht der Materialprüfprobe entlang der Linie V-V in 3;
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6 eine erste Seitenansicht eines Spannteils der in den 1 und 2 dargestellten Anordnung;
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7 eine zweite Seitenansicht des Spannteils, die gegenüber der Seitenansicht gemäß 6 um 90° gedreht ist;
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8 eine Seitenansicht eines Druckrings der in den 1 und 2 dargestellten Anordnung;
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9 eine Vorderansicht des Druckrings;
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10 eine Vorderansicht einer Kühlmanschette der in den 1 und 2 dargestellten Anordnung;
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11 eine erste Seitenansicht der Kühlmanschette;
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12 eine zweite Seitenansicht der Kühlmanschette, die gegenüber der in 12 dargestellten Seitenansicht um 90° gedreht ist;
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13 eine Seitenansicht eines inneren Kühlmanschettenhalbrings der in den 10 bis 12 dargestellten Kühlmanschette;
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14 eine Querschnittansicht des inneren Kühlmanschettenhalbrings entlang der Linie XIV-XIV in 13;
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15 eine Unteransicht des inneren Kühlmanschettenhalbrings;
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16 eine Querschnittansicht des inneren Kühlmanschettenhalbrings entlang der Linie XVI-XVI in 13;
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17 eine Querschnittansicht des inneren Kühlmanschettenhalbrings entlang der Linie XVII-XVII in 15;
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18 eine Seitenansicht eines äußeren Kühlmanschettenhalbrings der in den 10 bis 12 dargestellten Kühlmanschette;
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19 eine Querschnittansicht der äußeren Kühlmanschettenhalbrings entlang der Linie XIX-XIX in 18;
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20 eine Querschnittansicht der äußeren Kühlmanschettenhalbrings entlang der Linie XX-XX in 18;
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21 eine Ansicht eines Ausschnitts aus 2, die schematisch eine dargestellte Spannhülse der Anordnung im nicht gespannten Zustand zeigt; und
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22 eine Ansicht des Ausschnitts aus 2, die schematisch die Spannhülse im gespannten Zustand zeigt.
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Die 1 und 2 zeigen zwei gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildete und einander gegenüber angeordnete Spanneinrichtungen 10, die eine flache Materialprüfprobe 12 zwischen sich spannen. Die beiden Spanneinrichtungen bilden einen Teil einer erfindungsgemäßen Werkstoffprüfmaschine, die zur Ermittlung von Werkstoffkennwerten dient. Genauer gesagt ist die Werkstoffprüfmaschine dazu ausgelegt, die zwischen den Spanneinrichtungen 10 gehaltene Materialprüfprobe unterschiedlichen Belastungen auszusetzen, insbesondere statischen Zug- und/oder Druckbelastungen, schwellenden Belastungen (R = 0 oder R = ∞) und Wechselbelastungen (R = –1). Derartige Werkstoffprüfmaschinen sind an sich bekannt, weshalb nachfolgend nur der erfindungsgemäße Spanneinrichtungsaufbau näher erläutert wird.
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Die Spanneinrichtungen 10 sind baugleich ausgeführt und umfassen als Hauptkomponenten jeweils ein im Wesentlichen zylindrisches Spannteil 14, von dessen einem freien Ende sich ein Aufnahmeschlitz 16 zur Aufnahme der Materialprüfprobe 12 erstreckt, einen das Spannteil 14 im Bereich des Aufnahmeschlitzes 16 umgebenden Druckring 18, eine zwischen dem Spannteil 14 und dem Druckring 18 vorgesehene Druckhülse 20, eine den Druckring 18 umgebende und von einem Kühlfluid durchströmbare Kühlmanschette 22 sowie eine an der inneren Stirnseite jeder Spanneinrichtung 10 vorgesehene, plattenförmig ausgebildete Wärmeisolierung 24.
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Bei der Materialprüfprobe 12, die im Detail in den 3 bis 5 dargestellt ist, handelt es sich um ein flaches, im Wesentlichen rechteckig ausgebildetes Bauteil, das aus einem Werkstoff hergestellt ist, dessen Werkstoffkennwerte ermittelt werden sollen. Entlang ihrer einander gegenüberliegenden Längskanten ist die Materialprüfprobe 12 mit zwei mittig und einander gegenüber angeordneten, gerundet ausgebildeten Aussparungen 26 versehen, die einen rechteckigen Prüfquerschnitt 28 definieren. An den Querkanten der Materialprobe 12 sind mittig einander gegenüber liegenden Schlitze 30 angeordnet, die in ihrem Schlitzgrund gerundet ausgebildet sind und zum Führen der Materialprüfprobe 12 während des Einspannvorgangs sowie zum Zentrieren der Materialprüfprobe 12 im eingespannten Zustand dienen.
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Das in den 6 und 7 im Detail dargestellte Spannteil 14 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Von dem einen freien Ende bzw. von der Stirnseite des Spannteils 14 erstreckt sich der Aufnahmeschlitz 16, der zur Aufnahme der Materialprüfprobe 12 dient. Der Aufnahmeschlitz 16 ist an seinem Schlitzgrund 32 durch eine Bohrung aufgeweitet. Der Außendurchmesser des Spannteils 14 ist im Bereich des Schlitzgrundes 32 des Aufnahmeschlitzes 16 mit zwei einander gegenüber angeordneten Nuten 34 versehen, die im gleichen Abstand zum Aufnahmeschlitz 16 angeordnet sind und einen im Querschnitt halbkreisförmigen Nutgrund aufweisen. An seinem anderen freien Ende bzw. im Bereich der anderen Stirnseite weist das Spannteil 14 einen Befestigungsabschnitt 36 zum Befestigen des Spannteils 14 an der Werkstoffprüfmaschine auf. Der Befestigungsabschnitt 36 ist mit einem Gewinde 38 versehen, das mit einem korrespondierend ausgebildeten Gegengewinde der Werkstoffprüfmaschine in Eingriff gebracht werden kann. Senkrecht zum Aufnahmeschlitz 16 erstreckt sich eine Querbohrung 39, die zur Aufnahme eines mit dem Schlitz 30 der Materialprüfprobe 12 zwecks Erzielung einer Zentrierung zusammenwirkenden, nicht näher dargestellten Indexstiftes dient.
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Der Druckring 18, der im Detail in den 8 und 9 dargestellt ist, ist als massives Bauteil aus einem Material hoher Festigkeit ausgebildet, so dass er Kräfte, die über die Druckhülse 20 auf diesen wirken, ohne nennenswerte Eigenverformung aufnehmen kann.
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Die Kühlmanschette 22 ist im Detail in den 10 bis 20 dargestellt. Die Kühlmanschette 22 umfasst einen inneren Kühlmanschettenring 40 und einen äußeren Kühlmanschettenring 42, die über Schrauben 44 miteinander verbunden sind. Der innere Kühlmanschettenring 40 weist zwei baugleich ausgeführte innere Kühlmanschettenhalbringe 40a und 40b auf, die jeweils mit einem nutförmigen, an beiden freien Enden geschlossenen Kühlfluidkanal 46 versehen sind. Im Bereich seiner freien Enden ist der Kühlfluidkanal 46 einerseits mit einer Kühlfluideinlassgewindebohrung 48 und andererseits mit einer Kühlfluidauslassgewindebohrung 50 versehen, an die Kühlfluidleitungen angeschlossen werden können. Entsprechend kann durch den Kühlfluidkanal 46 von der Kühlfluideinlassgewindebohrung 48 zur Kühlfluidauslassgewindebohrung 50 ein Kühlmittel geleitet werden. Im inneren Kühlmanschettenhalbring 40a, 40b sind Gewindesacklöcher 52 ausgebildet, in denen die Schrauben 44 bei der Montage der Kühlmanschette 22 aufgenommen werden. Auch der äußere Kühlmanschettenring 42 umfasst zwei baugleich ausgebildete äußere Kühlmanschettenhalbringe 42a, 42b, von denen einer im Detail in den 18 bis 20 dargestellt ist. Analog zu den inneren Kühlmanschettenhalbringen 40a und 40b sind auch die äußeren Kühlmanschettenhalbringe 42a, 42b mit einem nutförmigen und an seinen freien Enden geschlossen ausgebildeten Kühlfluidkanal 54 versehen, dessen Abmessungen im Querschnitt betrachtet im Wesentlichen den Abmessungen des Kühlfluidkanals 46 der inneren Kühlmanschettenhalbringe 40a, 40b entspricht, siehe hierzu insbesondere 19. Ferner weisen die äußeren Kühlmanschettenhalbringe 42a, 42b Durchgangsbohrungen 56 zur Aufnahme der Schrauben 44 auf, die deckungsgleich mit den Gewindesacklöchern 52 der inneren Kühlmanschettenhalbringe 40a, 40b angeordnet sind.
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Bei der Druckhülse 20 handelt es sich um ein im Handel erhältliches Bauteil, das beispielsweise von der Firma Spieth-Maschinenelemente GmbH & Co. KG, Esslingen, Deutschland als Wellen-Narben-Verbindungselement (Baureihe DSK-DSL) bezogen werden kann. Die Druckhülse 20 ist derart ausgebildet und betätigbar, dass sie unter radialer Ausdehnung das Spannteil 14 und den Druckring 18 miteinander verbindet und die in dem Aufnahmeschlitz 16 gehaltene Materialprüfprobe 12 spannt. Genauer gesagt umfasst die Druckhülse 20, wie es in den 21 und 22 schematisch dargestellt ist, mehrere ringförmige Spannelemente 58, die durch Festziehen bzw. Lösen von Spannschrauben 60 unter radialer Ausdehnung gespannt oder gelöst werden können. Werden die Spannschrauben 60 festgezogen, wie es in 22 dargestellt ist, so wird über die Spannelemente 58 radial eine gleichmäßige Flächenpressung sowohl auf das Spannteil 14 als auch auf den Druckring 18 bewirkt.
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Entsprechend werden das Spannteil 14 und der Druckring 18 fest miteinander verbunden. Gleichzeitig werden die den Aufnahmeschlitz 16 von oben und unten begrenzenden Spannteilabschnitte unter Verjüngung des Aufnahmeschlitzes 16 aufeinander zu bewegt, was durch die Aufweitung des Schlitzgrundes ebenso wie durch die Nuten 34 begünstigt wird. Entsprechend wird die in dem Aufnahmeschlitz 16 aufgenommene Materialprobe 12 gleichmäßig gespannt und zentriert. In diesem Zustand ist die Materialprobe 12 optimal für jedwede Belastung gehalten, insbesondere für eine symmetrische Zug-Druck-Wechsel-Belastung. Werden die Spannschrauben 60 nach durchgeführtem Materialprüfversuch wieder gelöst, so weitet sich der Aufnahmeschlitz 16 wieder auf, wie es in 21 gezeigt ist, so dass die Materialprüfprobe 12 problemlos wieder entnommen werden kann. Anschließend kann eine neue Materialprüfprobe 12 in den Spanneinrichtungen 10 aufgenommen werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
