DE102018101938A1

DE102018101938A1 - Querdehnungsausgleich im Einspannbereich zug- oder druckbeanspruchter Werkstücke mittels Federelementen

Info

Publication number: DE102018101938A1
Application number: DE102018101938.6A
Authority: DE
Inventors: Volker Trappe; Stefan Hickmann
Original assignee: Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Current assignee: Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Priority date: 2018-01-29
Filing date: 2018-01-29
Publication date: 2019-08-01

Abstract

Es wird ein Spannzeug zum Einspannen eines Werkstückes für einen Zugversuch oder Druckversuch vorgeschlagen. Das Spannzeug weist folgendes auf: eine erste Backe mit einer ersten Oberfläche zum Herstellen einer kraftschlüssigen Verbindung mit einem Werkstück; eine zweite Backe mit einer zweiten Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche der ersten Backe zum Herstellen einer kraftschlüssigen Verbindung mit einem Werkstück; ein Spannelement, das eine Spannkraft so auf die erste Backe und/oder die zweite Backe wirken kann, dass die erste Backe und die zweite Backe sich aufeinander zu bewegen und ein Werkstück mit einer Dicke kraftschlüssig zwischen ihren Oberflächen gespannt werden kann; eine Federvorrichtung, wobei die Federvorrichtung durch die Spannkraft um einen Federweg komprimiert wird, wenn ein Werkstücke zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberflächen eingespannt wird, und wobei eine Dickenänderung der Dicke des Werkstückes, insbesondere durch eine Querkontraktion bei einem Zugversuch oder Druckversuch, derart durch eine Expansion oder Kompression eines Teils des Federweges der Federvorrichtung ausgeglichen wird, dass das Werkstück eingespannt bleibt. Weiterhin wird ein Verfahren zum Durchführen eines Zugversuches oder Druckversuches mit einem Werkstück und einem Spannzeug vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Spannzeuge zum Einspannen eines Werkstückes, insbesondere während eines Zugversuchs oder Druckversuchs.
Spannzeuge werden beispielsweise bei einem Zugversuch oder Druckversuch zum Einspannen eines elastischen Werkstückes benötigt. Dabei wird das Werkstück vor dem Versuch eingespannt. Während des Versuches wird das Wekstück auf Grund von den wirkenden Zug-, Druck-, oder Schubkräften verformt. An dem eingespannten Bereich des Werkstückes kann es zu Querverformungen, insbesondere zu Dickenabnahme, kommen. Dies führt zu einer Veringerung der Spannkraft und kann zu einem ungewollten Lösen des Werkstückes aus dem Spannzeug während des Versuches führen.
Beim Einspannen einer Probe in ein Spannzeug bei herkömmlichen Zugversuchen wird die Probe im unbelasteten Zustand mit einer sehr hohen Querdruckbeanspruchung gespannt, um einen Dickenverlust während des Zugversuches auszugleichen. Dies kann zu einem komplexen Spannungszustand im Einspannbereich und häufig zum Versagen in diesem Bereich führt.
Die vorbekannten Lösungen sind nur teilweise zufriedenstellend.
Vor diesem Hintergrund werden ein Spannzeug zum Einspannen eines Werkstückes sowie ein Verfahren zum Durchführen eines Zugversuchs oder Druckversuchs vorgeschlagen.
Es wird ein Spannzeug zum Einspannen eines Werkstückes für einen Zugversuch oder Druckversuch vorgeschlagen. Das Spannzeug weist folgendes auf: eine erste Backe mit einer ersten Oberfläche zum Herstellen einer kraftschlüssigen Verbindung mit einem Werkstück; eine zweite Backe mit einer zweiten Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche der ersten Backe zum Herstellen einer kraftschlüssigen Verbindung mit einem Werkstück; ein Spannelement, das eine Spannkraft so auf die erste Backe und/oder die zweite Backe wirken kann, dass die erste Backe und die zweite Backe sich aufeinander zu bewegen und ein Werkstück mit einer Dicke kraftschlüssig zwischen ihren Oberflächen gespannt werden kann; eine Federvorrichtung, wobei die Federvorrichtung durch die Spannkraft um einen Federweg komprimiert wird, wenn ein Werkstücke zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberflächen eingespannt wird, und wobei eine Dickenänderung der Dicke des Werkstückes, derart durch eine Expansion oder Kompression eines Teils des Federweges der Federvorrichtung ausgeglichen wird, dass das Werkstück eingespannt bleibt.
Werkstücke allgemein erfahren bei einer gerichteten Beanspruchung orthogonal dazu eine Querdehnung bzw. eine Querkontraktion. Insbesondere bei Kunststoffen bei denen die Bruchdehnungen vergleichsweise groß sind, nimmt somit die Dicke des Werkstückes während der Einspannung im Spannzeug ab. Bei vorherigen Lösungen drohte somit das Rutschen des Werkstückes aus dem Spannzeug, wenn das Spannzeug nicht aktiv nachgeführt wird. Gemäß einer Ausführungsform ist mit dem vorgeschlagenen Spannzeug eine passive Nachführung zum Dickenausgleich des Werkstückes während eines Versuches möglich.
Das Spannzeug weist eine erste Backe mit einer ersten Oberfläche und eine zweite Backe mit einer zweiten Oberfläche auf. Zwischen der ersten Backe und der zweiten Backe, bzw. der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, kann ein Werkstück eingespannt werden. Das Spannzeug kann verwendet werden für Zugversuche oder Druckversuche bei denen ein Werkstück eingespannt und gehalten werden muss. Die erste und die zweite Backe, bzw. die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche, sind ausgestaltet, das Werkstück kraftschlüssig zwischen sich zu halten.
Das Spannzeug weist weiterhin eine Federvorrichtung auf, wobei die Federvorrichtung durch die Spannkraft um einen Federweg komprimiert wird, wenn ein Werkstücke zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberflächen eingespannt wird, und wobei eine Dickenänderung der Dicke des Werkstückes, insbesondere durch eine Querkontraktion bei einem Zugversuch oder Druckversuch, derart durch eine Expansion oder Kompression eines Teils des Federweges der Federvorrichtung ausgeglichen wird, dass das Werkstück eingespannt bleibt. Die Expansion der Federvorrichtung kann die Abnahme der Dicke des Werkstückes ausgleichen, indem die Federvorrichtung eine entsprechende Vorkomprimierung erfährt. Dabei geht wesentlich weniger Spannkraft verloren als bei einer stärkeren Vorkomprimierung des Werkstücks. Die Dickenabnahme des Werkstückes wird beispielsweise durch die Querkontraktionszahl des Werkstückes charakterisiert. In einem Druckversuch kann die Dickenabnahme einer Dickenzunahme entsprechen. Wenn das Werkstück bei einem Druckversuch eine Dickenzunahme erfährt, wird die Dickenzunahme derart durch eine Kompression eines Teils des Federweges der Federvorrichtung ausgeglichen, dass das Werkstück eingespannt bleibt.
Vorteilhaft ist die Expansion oder Kompression der Federvorrichtung bei einem Dickenverlust oder einer Dickenzunahme des Werkstückes passiv und inhärent, das heißt, dass keine aktive Regelung, beispielsweise einer hydraulischen Spannvorrichtung, während des Zugversuches erfolgen muss. Dadurch wird eine Regel-Hysterese der Spannkraft vermieden.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Spannzeug für Messungen nach dem Standard ISO 527-1 (2012) und/oder dem Standard ASTM D 638 (2014) geeignet.
Ein Werkstück kann zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberflächen eingespannt werden. Auf das Werkstück wirkt dann eine Spannkraft. Die gleichgroße Gegenkraft wirkt ebenso auf die erste Oberfläche der ersten Backe und die zweite Oberfläche der zweiten Backe. Das Spannzeug weist weiterhin ein Spannelement auf, das eine Spannkraft so auf die erste Backe und/oder die zweite Backe wirken kann, dass die erste Backe und die zweite Backe sich aufeinander zu bewegen und ein Werkstück mit einer Dicke kraftschlüssig zwischen ihren Oberflächen gespannt werden kann. Das Spannelement kann unterschiedlich ausgestaltet sein. Mit unterschiedlichen Spannelementen können unterschiedlich starke Spannkräfte auf die Backen bzw. auf das Werkstück aufgebracht werden. Das Spannelement kann beispielsweise manuell betätigt werden oder zusätzlich maschinell gespannt werden.
Das Spannelement ist mit der ersten Backe und/oder mit der zweiten Backe wirkend verbunden, sodass die erste Backe und die zweite Backe sich bei Betätigung des Spannelementes aufeinander zu bewegen. Beispielsweise weist das Spannelement eine Schraube und ein Gewinde auf, wobei die erste Backe oder die zweite Backe durch das Drehen der Schraube bewegt werden und so eine Spannkraft erzeugt wird. Das erzeugen der Spannkraft entspricht dann beispielsweise dem Hereinschrauben eines Schraubgewindes.
Durch die Spannkraft wird einerseits das Werkstück zwischen der ersten Backe und der zweiten Backe gehalten. Anderseits wirkt die Spannkraft ebenso auf das Federelement. Durch die Spannkraft kann das Federelement komprimiert werden. Das Federelement weist eine Federkonstante auf und die Federkonstante bestimmt durch das Hookesche Gesetz die Dickenabnahme des Federelementes.
Beim Einspannen des Werkstücks zwischen der ersten Backe und der zweiten Backe wird daher nicht nur das Werkstück eingespannt, sondern ebenso das Federelement komprimiert. Je nach dem Verhältnis der Federkonstanten des Federelementes und des Werkstückes, bezogen auf die Richtung der Spannkraft, werden das Werkstück und das Federelement komprimiert.
Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Backe und die zweite Backe im Vergleich zur Federvorrichtung quasi nicht komprimierbar. Insbesondere ist die Federkonstante der ersten und der zweiten Backe mindestens eine, vorzugsweise mindestens zwei, Größenordnungen größer als die der Federvorrichtung. Beispielsweise weist die erste Backe und/oder die zweite Backe dazu ein Metall oder einen harten Kunststoff auf.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Spannkraft in einem Zugversuch oder Druckversuch mindestens 1 kN.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Spannkraft in einem Zugversuch oder Druckversuch höchstens 10 kN. Dies entspricht in etwa der Kraft, die manuell durch Personen Kraft mit einem Spannelement erzeugt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Spannelement mit einer hydraulischen oder pneumatischen Spannvorrichtung wirkend verbindbar, wobei die Spannvorrichtung eingerichtet ist, eine Spannkraft von mindestens 10kN, insbesondere mindestens 20kN, zu erzeugen. Mit hydraulischen oder pneumatischen Spannvorrichtung sind beispielsweise auch Spannkräfte von 100 kN erreichbar.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Spannzeug weiterhin eine Haltevorrichtung auf, die eingerichtet ist, eine durch das Spannelement erzeugte Spannkraft von mindestens 10 kN, insbesondere von mindestens 20 kN, aufrecht zu halten. Eine Spannkraft von mindestens 10 kN kann beispielsweise durch eine hydraulische oder pneumatische Spannvorrichtung erzeugt werden. Zum Halten der Spannkraft weist das Spannzeug dann eine Haltevorrichtung auf. Die Haltevorrichtung kann auch in das Spannelement integriert sein und ist ausgebildet eine Spannkraft von mindestens 10 kN, insbesondere von mindestens 20 kN, aufrecht zu erhalten. Beispielsweise umfasst die Haltevorrichtung einen Rahmen.
Bei einer Dickenabnahme, insbesondere durch Querkontraktion, des Werkstückes, nimmt die Spannkraft ab. Die Abnahme der Spannkraft wird teilweise durch die Expansion eines Teils des Federweges der Federvorrichtung kompensiert. Die Federkonstante und der mögliche Federweg der Federvorrichtung kann auf das zu untersuchende Werkstück, insbesondere deren Dicke und Federkonstante, angepasst sein. Gemäß einer Ausführungsform wird die Spannkraft nach der Expansion eines Teils des Federweges der Federvorrichtung um eine Differenzspannkraft verringert und das Verhältnis aus Differenzspannkraft und ursprünglicher Spannkraft ist kleiner als 20%, insbesondere kleiner als 10%. Die Spannkraft nimmt also um weniger als 20 %, insbesondere weniger als 10 % ab.
Beispielsweise kann bei starker Dehnbarkeit eines Elastomers in einem Zugversuch eine Bruchdehnung von über 100% erreicht werden, das heißt, die bleibende Verlängerung des Werkstückes im Zugversuch nach dem Bruch bezogen auf die Anfangsmesslänge beträgt über 100%. Eine typische Querkontraktionszahl für Kunststoffe liegt beispielsweise zwischen 0,3 bis 0,4. Ein 5mm Dickes Werkstück aus einem solchen Elastomer wird dann etwa 2mm dünner. Hat die Federvorrichtung genügend Federweg und ist zum Erreichen der Vorspannkraft um 20mm vorgespannt worden, beträgt in diesem Beispiel der Spannkraftverlust 10%.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Dicke des Federwegs der Federvorrichtung mindestens ein Zehnfaches des zu erwartenden Dickenverlustes des Werkstücks.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Federvorrichtung eine oder mehrere Federelemente aufweisen. Die Federelemente können jeweils an oder mit der ersten Backe oder an oder mit der zweiten Backe wirksam verbunden sein, sodass die Federelemente durch die Spannkraft um einen Federweg komprimiert wird, wenn ein Werkstücke zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberflächen eingespannt wird. Die Federelemente weisen Federkonstanten auf. Die Federelemente können in Reihe oder parallel geschaltet sein und die Gesamtfederkonstanten der Federvorrichtung ergibt sich entsprechen der Additionsregeln daraus.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Federvorrichtung ein erstes Federelement und ein zweites Federelement auf, wobei das erste Federelement in oder an der ersten Backe festgelegt ist und das zweite Federelement in oder an der zweiten Backe festgelegt ist, und wobei jedes Federelement einen Federweg aufweist und die beiden Federwege der Federelemente ein Teil des Federwegs der Federvorrichtung sind.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Federvorrichtung passiv, das heißt, dass die Federkonstante der Federvorrichtung während eines Zugversuches konstant ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Federvorrichtung mindestens eine Tellerfeder, eine Dehnschraube, eine Blattfeder, oder einen Gas-Druckspeicher auf. Die Federvorrichtung kann auch mehrere dieser Federelemente aufweisen. Auch Kombinationen unterschiedlicher Federelemente sind möglich.
Vorteilhaft kann, gemäß einer Ausführungsform, kann das Spannzeug auch bei sehr hohen oder sehr niedrigen Temperaturen verwendet werden, wenn die Federvorrichtung keine hydraulischen oder pneumatischen Elemente aufweist. Herkömmliche Spannzeuge mit hydraulischer Nachregelung sind bei sehr hohen Temperaturen, beispielsweise über 100 °C oder über 200 °C, oder sehr niedrigen Temperaturen, beispielsweise unter -100 °C oder unter -200 °C, nicht mehr verwendbar.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Spannzeug für den Gebrauch in Ex-Bereichen verwendbar. Ebenso oder alternativ kann das Spannzeug für den Gebrauch im Vakuum oder Hochvakuum geeignet sein. Dazu kann beispielsweise die Federvorrichtung keine Schmiermittel oder Fette aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Spannzeug einen Rahmen auf. Der Rahmen kann die erste Backe und die zweite Backe mindestens teilweise umschließen. Der Rahmen kann die Gegenkraft zur Spannkraft, die über die Backen an das Spannelement übertragen werden, halten. Der Rahmen hält dann sowohl die Spannkraft in die eine Richtung, die auf die erste Oberfläche wirkt, als auch in die andere Richtung, die auf die zweite Oberfläche wirkt, zusammen.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Spannelement eine Spannschraube auf. Die Spannschraube kann am Rahmen durch ein Gewinde befestigt sein, sodass durch Drehung der Spannschraube eine Spannkraft auf die erste Backe und die zweite Backe erzeugt wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Spannzeug ein Parallelspannzeug. Insbesondere sind die von der ersten Backe und der zweiten Backe auf das Werkstück wirkende Kräfte auf der Kontaktfläche zwischen erster Oberfläche und Werkstück und zweiter Oberfläche und Werkstück im Wesentlich gleich verteilt.
Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Backe und/oder die zweite Backe keilförmig ausgebildet (Keilspannzeug). Dabei ist die erste Oberfläche im Wesentlichen parallel zur zweiten Oberfläche ausgerichtet. Die Form der ersten und/oder der zweiten Backe ist keilförmig. Beispielsweise sind die Backen an der der Probe zugewandten Seite parallel und mit einer die Reibung erhöhenden Aufrauhung versehen. An den der Probe abgewandten Seiten sind die Backen konisch zulaufend geformt und in einem entsprechenden konisch geformten Rahmen oder Gegenkonus geführt. Die Reibung zwischen Werkstück und rauher Backe ist größer als die polierten Oberflächen in der konischen Führung des Rahmens. Somit wird erreicht, dass mit zunehmender Belastung des Werkstückes die Backen immer stärker angepresst werden und die Spannkraft kontinuierlich erhöht wird. Der Federweg und damit die vom der Federvorrichtung erzeugte Kraft wirkt in Zugrichtung und die keilförmigen Backen lenken die Kraft in die Querrichtung um.
Die Federvorrichtung kann in einem Keilspannzeug einen Federweg aufweisen, der im Wesentlichen senkrecht zur ersten und zweiten Oberfläche der Backen ausgerichtet ist. Die auf die Federvorrichtung wirkende Spannkraft presst die keilförmigen Backen in der konischen Form in eine Richtung senkrecht zu den Oberflächen. Dies entspricht insbesondere der Zugrichtung bei einem Zugversuch. Durch die Keilform der Backen und den konisch geformten Rahmen werden die Backen durch eine Spannkraft zusammen gepresst, wenn eine Kraft in Zugrichtung wirkt.
Vorteilhaft kann die Federvorrichtung in einem Keilspannzeug das Lösen des Werkstückes bei einem Druckversuch verhindern. Keilspannzeuge ohne Federvorrichtung weisen den Nachteil auf, dass bei einer Umkehrung der Lastrichtung (z.B. Druck statt Zug) das Spannzeug öffnet oder umgekehrt. Folglich können Zug- und Drucklast-Wechselversuche nicht durchgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Spannzeug sowohl für Druckversuche, für Zugversuche, als auch für Zug- und Drucklast-Wechselversuche geeignet. Wenn das Werkstück bei einem Zug- und Drucklast-Wechselversuche nacheinander eine Dickenzunahme und eine Dickenzunahme oder andersherum erfährt, wird die Dickenzunahme derart durch eine Kompression eines Teils des Federweges der Federvorrichtung ausgeglichen und die Dickenabnahme derart durch eine Expansion eines Teils des Federweges der Federvorrichtung ausgeglichen, dass das Werkstück eingespannt bleibt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die erste Backe und/oder die zweite Backe derart ausgebildet, dass sie zusätzlich einen Formschluss mit dem Werkstück bilden.
Es wird weiterhin ein Verfahren zum Durchführen eines Zugversuches oder Druckversuches mit einem Werkstück und mit einem Spannzeug nach einer der Ausführungsformen oben vorgeschlagen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Einspannen des Werkstückes zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche durch das Spannelement mit einer Spannkraft an einem Punkt A des Werkstückes mit einer Dicke, wobei die Federvorrichtung durch die Spannkraft um einen Federweg komprimiert wird; Befestigen eines Punktes B des Werkstückes, der vom Punkt A verschieden ist; Wirken einer Zugkraft oder Druckkraft, die die Punkte A und B des Werkstückes auseinander zieht oder aufeinander zu bewegt und eine Dickenänderung der Dicke (d) am Punkt A des eingespannten Werkstückes erzeugt, die derart durch eine Expansion oder Kompression eines Teils des Federweges der Federvorrichtung ausgeglichen wird, dass das Werkstück eingespannt bleibt.
Gemäß einer Ausführungsform wird für das Verfahren ein weiteres Spannzeug nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt. Die Spannzeuge können identische oder unterschiedliche Ausführungsformen sein. Das Verfahren kann mit dem zweiten Spannzeug erweitert werden, wobei das Befestigen des Punktes B des Werkstückes umfasst: Einspannen des Werkstückes zwischen der ersten Oberfläche des zweiten Spannzeugs und der zweiten Oberfläche des zweiten Spannzeugs durch das Spannelement mit einer Spannkraft an einem Punkt B des Werkstückes mit einer Dicke, wobei die Federvorrichtung durch die Spannkraft um einen Federweg komprimiert wird; und wobei bei dem Wirken der Zugkraft oder Druckkraft eine Dickenänderung der Dicke am Punkt B des eingespannten Werkstückes, derart durch eine Expansion oder Kompression eines Teils des Federweges der Federvorrichtung ausgeglichen wird, dass das Werkstück eingespannt bleibt.
Weitere Verfahrensschritte können sich aus den Ausführungsformen des Spannzeuges, wie oben beschrieben, analog ergeben.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin: Verbinden des Spannelementes mit einer hydraulischen oder pneumatischen Spannvorrichtung; Entfernen der hydraulischen oder pneumatischen Spannvorrichtung und Aufrechterhalten der Spannkraft durch eine Haltevorrichtung, wobei die Spannkraft beim Einspannen mindestens 10 kN, insbesondere mindestens 20 kN, beträgt und durch die hydraulische oder pneumatische Spannvorrichtung erzeugt wird.
Gemäß einer Ausführungsform entspricht das Verfahren einem der Standards ISO 527-1 (2012) oder ASTM D 638 (2014) oder beiden Standards.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Spannzeug ebenso für einen Schubversuch geeignet. Weiterhin wird ein Verfahren zum Durchführen eines Schubversuches mit einem Werkstück vorgeschlagen.
Bei einem Zug- oder Druckversuch bewegen sich die Punkte A und B im Wesentlichen entlang der wirkenden Kraft aufeinander zu oder voneinander weg (longitudinal). Die Bewegung des Punktes A zu Punkt B bei einem Schubversuch ist im Gegensatz dazu mindestens teilweise senkrecht zu der direkten Verbindung der Punkte A und B zueinander (transversal). Die Bewegung kann einer Translation und/oder einer Rotation entsprechen.
Es wird ein Verfahren zum Durchführen eines Schubversuches mit einem Werkstück vorgeschlagen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Einspannen des Werkstückes zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche durch das Spannelement mit einer Spannkraft an einem Punkt A des Werkstückes mit einer Dicke, wobei die Federvorrichtung durch die Spannkraft um einen Federweg komprimiert wird; Befestigen eines Punktes B des Werkstückes, der vom Punkt A verschieden ist; Wirken einer Schubkraft mindestens teilweise senkrecht zur Verbindungslinie der Punkte A und B, die eine Dickenänderung der Dicke (d) am Punkt A des eingespannten Werkstückes erzeugt, die derart durch eine Expansion oder Kompression eines Teils des Federweges der Federvorrichtung ausgeglichen wird, dass das Werkstück eingespannt bleibt.
Das Verfahren zum Durchführen eines Schubversuches ist mit einer beliebigen Ausführungsform des Spannzeuges, wie oben erläutert, durchführbar. Weitere Ausführungsformen des Verfahrens können sich daher aus der jeweiligen Ausführungsform des Spannzeuges ergeben. Beispielsweise ist das Spannen durch eine hydraulische oder pneumatische Spannvorrichtung möglich.
Eine Dickenänderung des Werkstückes während eines Schubversuches hängt von einer Vielzahl von Materialeigenschaften des Werkstückes ab. Anders als bei der Querausdehnung durch die Querkontraktionszahl ist die Bestimmung der nötigen Spannkraft und des Federweges komplex. Die Auswahl geeigneter Dimensionierung der Federvorrichtung kann daher durch Erfahrungswerte erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform wird für das Verfahren zum Durchführen eines Schubversuches ein weiteres Spannzeug nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt. Die Spannzeuge können identische oder unterschiedliche Ausführungsformen sein. Das Verfahren kann mit dem zweiten Spannzeug erweitert werden, wobei das Befestigen des Punktes B des Werkstückes umfasst: Einspannen des Werkstückes zwischen der ersten Oberfläche des zweiten Spannzeugs und der zweiten Oberfläche des zweiten Spannzeugs durch das Spannelement mit einer Spannkraft an einem Punkt B des Werkstückes mit einer Dicke, wobei die Federvorrichtung durch die Spannkraft um einen Federweg komprimiert wird; und wobei bei dem Wirken der Schubkraft eine Dickenänderung der Dicke am Punkt B des eingespannten Werkstückes, derart durch eine Expansion oder Kompression eines Teils des Federweges der Federvorrichtung ausgeglichen wird, dass das Werkstück eingespannt bleibt.
Figurenliste
Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; stattdessen wird Wert auf die Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung gelegt. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile. In den Zeichnungen ist Folgendes zu sehen:

1A und 1B zeigen eine Ausführungsform des Spannzeuges.
2 zeigt eine andere Ausführungsform des Spannzeuges in einem Zugversuch.
3A und 3B zeigen eine Ausführungsform des Spannzeuges.

1A zeigt eine Ausführungsform eines Spannzeug 1 zum Einspannen eines Werkstückes 100 für einen Zugversuch oder Druckversuch. Das Spannzeug 1 weist auf: eine erste Backe 2 mit einer ersten Oberfläche 3 zum Herstellen einer kraftschlüssigen Verbindung mit einem Werkstück 100, eine zweite Backe 4 mit einer zweiten Oberfläche 5 gegenüber der ersten Oberfläche 3 der ersten Backe 2 zum Herstellen einer kraftschlüssigen Verbindung mit einem Werkstück 100, ein Spannelement 6, das eine Spannkraft Fs so auf die erste Backe 2 und/oder die zweite Backe 4 wirken kann, dass die erste Backe 2 und die zweite Backe 4 sich aufeinander zu bewegen und ein Werkstück 100 mit einer Dicke d kraftschlüssig zwischen ihren Oberflächen 3, 5 gespannt werden kann, eine Federvorrichtung 7, wobei die Federvorrichtung 7 durch die Spannkraft Fs um einen Federweg komprimiert wird, wenn ein Werkstücke 100 zwischen der ersten Oberfläche 3 und der zweiten Oberfläche 5 eingespannt wird, und wobei eine Dickenänderung der Dicke d des Werkstückes 100, insbesondere durch eine Querkontraktion bei einem Zugversuch, derart durch eine Expansion oder Kompression eines Teils des Federweges der Federvorrichtung 7 ausgeglichen wird, dass das Werkstück 100 eingespannt bleibt.
In der Ausführungsform der 1A und 1B weist die Federvorrichtung 7 ein erstes Federelement 7a und ein zweites Federelement 7b auf, wobei das erste Federelement 7a in oder an der ersten Backe 2 festgelegt ist und das zweite Federelement 7b in oder an der zweiten Backe 4 festgelegt ist, und wobei jedes Federelement 7a, 7b einen Federweg aufweist und die beiden Federwege der Federelemente 7a, 7b einen Teil des Federwegs der Federvorrichtung 7 sind. Alternativ kann das Spannzeug 1 auch nur eines der Federelemente 7a, 7b aufweisen, das dann den alleinigen Federweg definiert.
Das Werkstück 100 ist in 1A in das Spannzeug mit der Spannkraft Fs eingespannt. Es ist zwischen der ersten Backe 2 und der zweiten Backe 4 eingespannt. Das Werkstück bildet eine kraftschlüssige Verbindung mit der ersten Oberfläche 3 und der zweiten Oberfläche 5.
Die Spannkraft Fs wird durch das Spannelement 6 erzeugt. In der Ausführungsform der 1A und 1B umfasst das Spannelement ein Gewinde, beispielsweise einer Schraube, durch dessen Drehung sich die erste Backe 2 und die zweite Backe 4 aufeinander zu bewegen. Die Spannkraft Fs wirkt ebenso auf die Federvorrichtung 7. Die Federvorrichtung 7 kann durch Erhöhung der Spannkraft Fs um einen Federweg komprimiert werden.
Die 1B illustriert das Komprimieren der Federvorrichtung 7 durch die Erhöhung der Spannkraft Fs. Im Vergleich der 1A und 1B ist die Komprimierung der beiden Federelemente 7a, 7b zu erkennen. Die Figuren sollen die schematische Funktionsweise des Spannzeuges erklären. Der Federweg entspricht nicht zwangsweise einer maßstabsgetreuen Darstellung.
Durch die Vorkomprimierung des Federweges kann bei einem Dickenverlust des Werkstückes 100, die erste Backe 2 und/oder die zweite Backe 4 durch eine Expansion des Federweges nachgeführt werden. Der entstehende Verlust der Spannkraft Fs kann dadurch teilweise kompensiert werden.
Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Spannzeuges 1 und einen Zugversuch. Das Spannzeug 1 unterscheidet sich zu der Ausführungsform der 1A und 1B dadurch, dass die Federvorrichtung nur an der ersten Backe 2 angeordnet ist anstatt an der ersten Backe 2 und der zweiten Backe 4. Die Bezugszeichen sind zu besseren Übersicht nur an einem Spannzeug 1 eingezeichnet. Die Merkmale der anderen sind analog.
Die 2 zeigt zwei Spannzeuge 1, 1'. Der Zustand I) oben zeigt das eingespannte Werkstück 100 vor einem Zugversuch und der Zustand II) unten zeigt das eingespannte Werkstück während des Zugversuches.
Im Zustand I) ist das Werkstückes 100 am ersten Spannzeug 1' zwischen der ersten Oberfläche 3 und der zweiten Oberfläche 5 durch das Spannelement 6 mit einer Spannkraft Fs an einem Punkt A des Werkstückes 100 mit der Dicke d eingespannt, wobei die Federvorrichtung 7 durch die Spannkraft Fs um einen Federweg komprimiert wird. Weiterhin ist das Werkstück 100 am zweiten Spannzeug 1 befestigt. Dabei ist das Werkstück 100 zwischen der ersten Oberfläche 3' des zweiten Spannzeugs 1' und der zweiten Oberfläche 5' des zweiten Spannzeugs 1' durch das Spannelement 6' mit einer Spannkraft Fs' an einem Punkt B des Werkstückes 100 mit einer Dicke d' eingespannt, wobei die Federvorrichtung 7' durch die Spannkraft Fs' um einen Federweg komprimiert wird.
Alternativ kann das Werkstück auch am Punkt A mit einem Spannzeug 1 und am Punkt B auf beliebig andere Weise befestigt sein, um den Zugversuch durchzuführen.
Das Verfahren ist analog für einen Druckversuch anwendbar, wobei sich der Punkt A auf den Punkt B zu bewegt anstatt voneinander weg.
Das Werkstück 100 ist mit der Dicke d am Punkt A mit der Spannkraft Fs eingespannt. Ebenso ist durch die Spannkraft die Federvorrichtung 7 komprimiert und weist eine Dicke x auf. Dies gilt analog für das zweite Spannzeug 1'.
Im Zustand II) wirkt eine Zugkraft, die die Punkte A und B des Werkstückes 100 auseinander zieht und eine Dehnung des Werkstückes 100 bewirkt, wobei die Dicke d am Punkt A des eingespannten Werkstückes 100 durch eine Querkontraktion reduziert wird und derart durch eine Expansion eines Teils des Federweges der Federvorrichtung 7 ausgeglichen wird, dass das Werkstück 100 eingespannt bleibt. Die Dicke d im Zustand I) wurde auf eine geringere Dicke d* durch Querkontraktion verringert. Die Dicke der Federvorrichtung x* hat sich vergrößert. Das entspricht der Expansion des Federweges. Ohne eine Verschiebung der ersten Backe 2 und der zweiten Backe 4 auf einander zu, wäre das Werkstück 100 nicht mehr eingespannt. Die Expansion der Federvorrichtung bewegt die erste Backe 2 und die zweite Backe 4 aufeinander zu und gleicht einen Teil des Dickenverlustes aus.
Durch die Dickenabnahme des Werkstückes 100 verringert sich die Spannkraft Fs*. Ein Teil davon wird durch die Expansion der Federvorrichtung 7 ausgeglichen. Die verringerte Spannkraft Fs* ist groß genug, um das Werkstück 100 im Spannzeug 1 zu halten. Das Werkstück 100 verhält sich analog am Punkt B im zweiten Spannzeug 1'.
Die 3A und 3B zeigen eine Ausführungsform des Spannzeuges1 in einer detaillierten Darstellung aus zwei Richtungen. Zusätzlich zu den in der schematischen Darstellung der 1A und 1B gezeigten Merkmalen weist das Spannzeug 1 einen Rahmen 8 auf. Das Spannzeug 1 ist ebenso ein Parallelspannzeug, wie die Ausführungsformen der 1A/1B und 2. Der Rahmen 8 hat eine Öffnung zum Einführen eines Werkstückes zwischen die erste Oberfläche 3 und die zweite Oberfläche 5.
Gemäß dieser Ausführungsform weist die Federvorrichtung 7 Tellerfederpakete auf. Die Tellerfedern können an der ersten Backe 2 und/oder der zweiten Backe 4 angebracht. Die Federvorrichtung kann beispielsweise auch ein oder mehrere Tellerfedern, Dehnschrauben, eine Blattfedern, oder Gas-Druckspeicher umfassen. In den 3A und 3B umfasst die Federvorrichtung 7 zwei Tellerfedern. Beide Tellerfedern sind an der ersten Backe angebracht.
Die erste Backe 2 ist am Spannelement 6 wirksam befestigt. Das Spannelement 6 wird am Rahmen 8 befestigt. In dieser Ausführungsform umfasst das Spannelement 6 eine Spannschraube. Durch Drehung der Spannschraube bewegen sich die erste Backe 2 und die die zweite Backe 4 im Rahmen 8 aufeinander zu. Der Rahmen 8 hält die Gegenkraft zum Spannelement 6.
In dieser Ausführungsform sind die erste Backe 2 und die zweite Backe 4 als Druckstempel ausgebildet. Die Federvorrichtung 7 ist zwischen dem Druckstempel, also an der ersten Backe 2, und dem Spannelement 6 angeordnet. Die zweite Backe wird rückseitig mit einer Zentrierschraube 9 im Rahmen 8 gehalten. Die Druckstempel in der ersten Backe 2 und in der zweiten Backe 4 sind im Vergleich zu der Federvorrichtung 7 quasi nicht komprimierbar. Die Federkonstante der ersten Backe 2 und in der zweiten Backe 4 sind eine oder insbesondere mehrere Größenordnungen größer als die der Federvorrichtung 7. Beispielsweise weisen die Druckstempel ein Metall auf.
Die Zentrierschraube 9 und das Spannelement 6 können genutzt werden, um das Spannzeug 1 in einer hydraulischen oder pneumatischen Spannvorrichtung zu spannen. Der Rahmen 8 hält die erzeugt Spannkraft Fs aufrecht, wenn die Spannvorrichtung entfernt wird, um einen Zugversuch oder Druckversuch mit einem Werkstück 100 durchzuführen. Die Zentrierschraube 9 kann als einstellbares Widerlager dienen.
In einem Beispiel eines Zugversuches wird ein Epoxidharz als Werkstück nach ISO 577/2 (2012) vermessen. Das Epoxidharz hat ein Elastizitätsmodul von E = 3000MPa, eine Zugfestigkeit von σ_B = 70 MPa, eine Bruchdehnung von ε_B = 0,1 und eine Querkontraktionszahl von ν_xy = ν_yx = 0,35. Der Messquerschnitt der Probe beträgt AM = 2mm * 5mm = 10mm². In der Einspannung ist nach Norm die Probe doppelt so breit wie die unbelastete Probe. Die Querdehnung beträgt dann beispielsweise ε_zp = ε_B * ν_xy / 2 = 0,0175. Die Dickenabnahme beim Versuch der Probe beträgt Δd = d * ε_zp = 2 mm * 0,0175 = 0,035 mm.
Die erforderliche minimale Prüfkraft beträgt F_p = σ_B * AM = 70 MPa * 10mm² = 700N. In das Spannzeug der 3A/3B wird über die Spannschraube auf den Druckstempel eine Spannkraft Fs aufgebracht. Über den Druckstempel und die Zentrierschraube, die als einstellbares Widerlager dient, wird die Spannkraft auf die Probe kraftschlüssig übertragen. Die Reibwerte betragen beispielsweise µ = 0,4. Unter Berücksichtigung des Prinzips Actio gleich Re-Actio gilt: 2* µ*F_s > F_P zum Halten des Werkstückes, also F_s > 875N. Beispielsweise wird eine Kraft von etwa 1000 N verwendet.
Das Spannzeug weist vier Tellerfedern nach DIN 2093 mit einer Dicke von 2,04 mm auf, die sich bei einer Kraft von 1040N um jeweils 0,55 mm Federweg komprimieren. Der Gesamte Federweg beträgt 2,2 mm.
Die Expansion eines Teils des Federweges der Tellerfedern um diesen Wert Δd = 0,035 mm erhält die Spannkraft, sodass das Werkstück eingespannt bleibt. Die Spannkraft nimmt um das Verhältnis des Expansionsweges zum Gesamtfederweg der Federvorrichtung ab. In diesem Fall um etwa 2% von 1040 N auf 1019 N.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 527-1 [0011, 0041]
ISO 577/2 [0068]

Claims

Spannzeug (1) zum Einspannen eines Werkstückes (100) für einen Zugversuch oder Druckversuch, aufweisend - eine erste Backe (2) mit einer ersten Oberfläche (3) zum Herstellen einer kraftschlüssigen Verbindung mit einem Werkstück (100), - eine zweite Backe (4) mit einer zweiten Oberfläche (5) gegenüber der ersten Oberfläche (3) der ersten Backe (2) zum Herstellen einer kraftschlüssigen Verbindung mit einem Werkstück (100), - ein Spannelement (6), das eine Spannkraft (Fs) so auf die erste Backe (2) und/oder die zweite Backe (4) wirken kann, dass die erste Backe (2) und die zweite Backe (4) sich aufeinander zu bewegen und ein Werkstück (100) mit einer Dicke (d) kraftschlüssig zwischen ihren Oberflächen (3, 5) gespannt werden kann, - eine Federvorrichtung (7), wobei die Federvorrichtung (7) durch die Spannkraft (Fs) um einen Federweg komprimiert wird, wenn ein Werkstücke (100) zwischen der ersten Oberfläche (3) und der zweiten Oberfläche (5) eingespannt wird, und wobei eine Dickenänderung der Dicke (d) des Werkstückes (100), derart durch eine Expansion oder Kompression eines Teils des Federweges der Federvorrichtung (7) ausgeglichen wird, dass das Werkstück (100) eingespannt bleibt.
Spannzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Spannzeug (1) für Messungen nach dem Standard ISO 527-1 (2012) und/oder ASTM D 638 (2014) geeignet ist.
Spannzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Spannkraft (Fs) in einem Zugversuch oder Druckversuch mindestens 1 kN betragen kann.
Spannzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Spannkraft (Fs*) nach der Expansion eines Teils des Federweges der Federvorrichtung (7) um eine Differenzspannkraft verringert wird und das Verhältnis aus Differenzspannkraft und ursprünglicher Spannkraft (Fs) kleiner als 20%, insbesondere kleiner als 10% ist.
Spannzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Federvorrichtung (7) ein erstes Federelement (7) und ein zweites Federelement (7') aufweist, das erste Federelement (7) in oder an der ersten Backe (2) festgelegt ist und das zweite Federelement (7') in oder an der zweiten Backe (4) festgelegt ist, und wobei jedes Federelement (7, 7') einen Federweg aufweist und die beiden Federwege der Federelemente einen Teil des Federwegs der Federvorrichtung (7) sind.
Spannzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Federvorrichtung (7) mindestens eine Tellerfeder, eine Dehnschraube, eine Blattfeder, oder einen Gas-Druckspeicher umfasst.
Spannzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Spannelement (6) einen Rahmen (8) und eine Spannschraube umfasst und die erste Backe (2) und die zweite Backe (4) am Rahmen (8) befestigt sind.
Spannzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Backe (2) und die zweite Backe (4) keilförmig ausgebildet sind und die erste Oberfläche (3) im Wesentlichen parallel zur zweiten Oberfläche (5) ausgerichtet ist.
Spannzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Spannelement (6) mit einer hydraulischen oder pneumatischen Spannvorrichtung wirkend verbindbar ist, wobei die Spannvorrichtung eingerichtet ist, eine Spannkraft von mindestens 10kN, insbesondere mindestens 20kN, zu erzeugen.
Spannzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Spannzeug (1) weiterhin eine Haltevorrichtung aufweist, die eingerichtet ist, eine durch das Spannelement (6) erzeugte Spannkraft von mindestens 10 kN, insbesondere von mindestens 20 kN, aufrecht zu halten.
Spannzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Spannkraft (Fs) in einem Zugversuch oder Druckversuch höchstens 10 kN, betragen kann und die Spannkraft mit dem Spannelement (6) manuell erzeugt wird.
Verfahren zum Durchführen eines Zugversuches oder Druckversuches mit einem Werkstück (100) und einem Spannzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Einspannen des Werkstückes (100) zwischen der ersten Oberfläche (3) und der zweiten Oberfläche (5) durch das Spannelement (6) mit einer Spannkraft (Fs) an einem Punkt A des Werkstückes (100) mit der Dicke (d), wobei die Federvorrichtung (7) durch die Spannkraft (Fs) um einen Federweg komprimiert wird; - Befestigen eines Punktes B des Werkstückes (100), der vom Punkt A verschieden ist, - Wirken einer Zugkraft oder Druckkraft, die die Punkte A und B des Werkstückes (100) auseinander zieht oder aufeinander zu bewegt und eine Dickenänderung der Dicke (d) am Punkt A des eingespannten Werkstückes (100) erzeugt, die derart durch eine Expansion oder Kompression eines Teils des Federweges der Federvorrichtung (7) ausgeglichen wird, dass das Werkstück (100) eingespannt bleibt.
Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin aufweisend ein zweites Spannzeug (1') nach einem der Ansprüche 1-11, wobei - das Befestigen des Punktes B des Werkstückes (100) umfasst: Einspannen des Werkstückes (100) zwischen der ersten Oberfläche (3') des zweiten Spannzeugs (1') und der zweiten Oberfläche (5') des zweiten Spannzeugs (1') durch das Spannelement (6') mit einer Spannkraft (Fs') an einem Punkt B des Werkstückes (100) mit einer Dicke (d'), wobei die Federvorrichtung (7') durch die Spannkraft (Fs') um einen Federweg komprimiert wird; - bei dem Wirken der Zugkraft oder Druckkraft eine Dickenänderung der Dicke (d') am Punkt B des eingespannten Werkstückes (100), derart durch eine Expansion oder Kompression eines Teils des Federweges der Federvorrichtung (7') ausgeglichen wird, dass das Werkstück (100) eingespannt bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei das Verfahren einem der Standards ISO 527-1 (2012) oder ASTM D 638 (2014) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, zusätzlich aufweisend: - Verbinden des Spannelementes (6) mit einer hydraulischen oder pneumatischen Spannvorrichtung; - Entfernen der hydraulischen oder pneumatischen Spannvorrichtung und Aufrechterhalten der Spannkraft durch eine Haltevorrichtung, wobei die Spannkraft (Fs) beim Einspannen mindestens 10 kN, insbesondere mindestens 20 kN, beträgt und durch die hydraulische oder pneumatische Spannvorrichtung erzeugt wird.
Verfahren zum Durchführen eines Schubversuches mit einem Werkstück (100) und einem Spannzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Einspannen des Werkstückes zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche durch das Spannelement mit einer Spannkraft an einem Punkt A des Werkstückes mit einer Dicke, wobei die Federvorrichtung durch die Spannkraft um einen Federweg komprimiert wird; - Befestigen eines Punktes B des Werkstückes, der vom Punkt A verschieden ist; - Wirken einer Schubkraft mindestens teilweise senkrecht zur Verbindungslinie der Punkte A und B, die eine Dickenänderung der Dicke (d) am Punkt A des eingespannten Werkstückes erzeugt, die derart durch eine Expansion oder Kompression eines Teils des Federweges der Federvorrichtung ausgeglichen wird, dass das Werkstück eingespannt bleibt.