DE2613242C3

DE2613242C3 - Funkenerosives Trennverfahren zur experimentellen Bestimmung von Eigenspannungen in Proben und Bauteilen aus elektrisch leitenden (metallischen) Werkstoffen

Info

Publication number: DE2613242C3
Application number: DE19762613242
Authority: DE
Inventors: Klaus Ing.(Grad.) 8011 Hofolding Pfister
Original assignee: INDUSTRIEANLAGEN-BETRIEBSGESELLSCHAFT MBH 8012 OTTOBRUNN DE
Current assignee: INDUSTRIEANLAGEN-BETRIEBSGESELLSCHAFT MBH 8012 OTTOBRUNN DE
Priority date: 1976-03-27
Filing date: 1976-03-27
Publication date: 1983-12-01
Also published as: DE2613242A1; DE2613242B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Versagen von Bauteilen durch plastische Verformung oder Bruch wird bedingt durch die jeweils vorliegende Verteilung mechanischer Spannungen bzw. die vorliegenden Spannungskonzentrationen und durch die vorhandenen Werkstoffeigenschaften. Die vorliegenden Spannungen ergeben sich aus einer Superposition von Last-, Montage- und herstellungs- und belastungsbedingten Eigenspannungen. Während die Lastspannungen rechnerisch oder experimentell in vergleichsweise einfacher Weise ermittelt werden können, ist die Ermittlung von Montage- und Eigenspannungen, beide im weiteren zusammenfassend als Eigenspannungen bezeichnet, ein noch nicht zufriedenstellend gelöstes, technisch wichtiges Problem. Die zentrale Problematik besteht dabei darin, daß sich diese Eigenspannungen einer hinreichend genauen, theoretischen Erfassung entziehen, weil diese Berechnungen nicht willkürfreie Modellannahmen erfordern und weil

ίο elastizitätstheoretisch zu konstanten äußeren Lasten unendlich viele unterschiedliche Eigenspannungsverteilungen auftreten können. Bei gemischt elastisch-plastischen Verformungen erhöht sich die Problematik noch erheblich [6,7}

Da ganz allgemein die Oberfläche von Bauteilen besonders anrißgefährdet ist, ist die Kenntnis der dort vorliegenden ebenen Eigenspannungsverteilung, vor allein in Richtung der Tiefe, besonders wichtig. Die geschilderte Problematik tritt vor allem auf bei Schwing- bzw. Betriebsbeanspruchungen, bei Spannungsrißkorrosion, bei quasi-statischer Beanspruchung spröder Werkstoffe und bei Thermo-Ermüdung.

Die zuvor erörterten Eigenspannungsverteilungen setzen sich zusammen aus Eigenspannungen 1, 2. und 3.

ArL Als Eigenspannungen 1. Art werden in der Literatur die räumlichen Mittelwerte von Eigenspannungen in Volumina bezeichnet, die groß gegen das Volumen der einzelnen Kristallite metallischer Werkstoffe sind. Eigenspannungen 2. Art erfassen die Schwankungen der Eigenspannungen innerhalb der einzelnen Kristallite und Eigenspannungen 3. Art kennzeichnen die mechanischen Spannungen zwischen unmittelbar benachbarten Atomen unterschiedlicher Art Von primärem technischem Interesse sind nur die Eigenspannungen 1. Art, die Messung der Eigenspannungen 2. und 3. Art kann nur röntgenografisch oder mit Hilfe der Kleinwinkelstreuung erfolgen.

Eigenspannungen 1. Art lassen sich durch experimentell-rechnerische Verfahren bestimmen, die darauf beruhen, daß am zu untersuchenden Körper durch zerstörende Bearbeitungsverfahren Eigenspannungen abgebaut werden. Der Eigenspannungsabbau verursacht elastische Rückfederungen und somit auch meßbare Dehnungsreaktionen, von denen auf die in der

♦5 zerstörten Stelle ursprünglich vorhandenen Eigenspannungen zurückgerechnet werden kann. Zur Beschreibung des Standes der Technik wird auf eine Zusammenfassung vieler gebräuchlicher Methoden von P e i t e r [1] verwiesen. Eine moderne Apparatur und ein Auswertschema zum sogenannten Bohrkernverfahren werden von Wolf und Böhm in [2] und [3] beschrieben.

Der größte Nachteil der bekannten Verfahren besteht im relativ hohen Grad der Zerstörung von zu untersuchenden Proben und Werkstücken, falls nur Eigenspannungen an der Oberfläche und in oberflächennahen Bereichen zu bestimmen sind, häufig aber auch in der erzielbaren Meßgenauigkeit und schließlich auch in der beschränkten Anwendbarkeit der bekanntgewordenen Eigenspannungs-Meßverfahren auf harte Werkstoffe.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Nachteile, die in der Hauptsache im hohen Zerstörungsgrad von Trennverfahren, der Meßunsicherheit und der nicht befriedigenden Wirtschaftlichkeit von röntgenographischen Verfahren begründet sind, zu mindern.

Erfindungsgemäß werden diese Nachteile durch im Kennzeichen des Anspruchs 1 dargelegte Merkmale

behoben. Weitere Ausbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen dargelegt

Diese Nachteile werden auf diese W<?ise durch praktisch rückwirkungsfreies Heraustrennen von kleinen Volumenelementen auf elektrcerosiver Basis verringert Das heißt

a) Im Gegensatz zur üblichen spanabhebenden Bearbeitung werden an der Trennfläche, weder durch Plastifizieren, noch durch Erhitzen neue meßwertverfälschende Eigenspannungszustände aufgebaut

b) Es ist deshalb — bei gleichem relativem Meßfehler

— möglich, erheblich kleinere Elementgrößen als bei spanabhebenden Trennverfahren zu verwenden.

c) Mit speziellen Vorrichtungen von der Art des in Skizze A b b. 1 gezeigten Beispiels ist es möglich, Elemente mit einer Dicke von kleiner als 1 mm auszutrennen. (Die Schnittbreite beträgt dabei maximal ca. 0,15 mm.) Die Elemente können beliebige Umrisse aufweisen; einfachster Fall: Rechteck. Abmaße von ca. 5 χ 7 mm entsprechen kleinsten handelsüblichen Dehnungsmeßstreifen-(DMS-)Rosetten, die es gestatten, den Eigenspannungszustand nach Hauptspannungen und Hauptachsen zu bestimmen.

d) Die kleinen Elementdicken machen Messungen bei nur geringer und häufig vernachlässigbarer Verletzung der Bauteilstruktur möglich. Das ist ein Vorteil der Erfindung und ein Unterscheidungsmerkmal gegenüber bekannten Verfahren. Die Messungen können in vielen Anwendungsfällen deshalb als quasi zerstörungsfrei angesehen werden. Weiter ermöglicht die geringe Elementdicke eine extrem hohe Empfindlichkeit nach der unter h) beschriebenen Methode und damit eine hohe Meßgenauigkeit und Auflösung von Eigenspannungsverläufen senkrecht zur Oberfläche in unmittelbarer Nähe der Bauteiloberfläche.

e) Das Verfahren eignet sich zu Messungen sowohl an weichen, als auch an extrem harten, elektrisch leitenden Werkstoffen, die nicht oder nur schwer spanabhebend oder nur durch Schleifen zu bearbeiten sind.

f) Bei Verwendung von Doppel-DMS ist die genaue Bestimmung der Gradienten in Richtung der Oberflächenncrmale des Werkstückes möglich.

g) Durch wiederholtes Anwenden der Prozedur an der gleichen Meßstelle kann — unter Anwendung der Finite-Elemente-Methode bei der Auswertung

— die Eigenspannungsverteilung au, 022, φ in dicken Bauteilen über die z-Richtung bestimmt werden.

h) Die genaue Eigenspannungsverteilung (ebenfalls zweiachsig) in unmittelbarer Nähe der Bauteiloberfläche kann durch schichtweises Abtragen des herausgetrennten Elements von der Oberfläche her mit Messen der Verkrümmung des Elements von der Rückseite her (mittels DMS-Rosetten) bestimmt werden. Die theoretischen Grundlagen zur Auswertung dieser Messung sind von S c h i m ö 1 1 e r in [4] beschrieben. Es ist durchaus möglich, die Eigenspannungsveränderungen in z-Richtung in Abständen von 10~² mm zu erfassen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen näher erläutert.

Es handelt sich um funkenerosive Trennverfahren zum Heraustrennen auch kleinster Volumenelemente aus der Oberfläche elektrisch leitender (metallischer) Bauteile und Proben, und zwar im 1. Ausführungsbeispiel mit parallel zu einfach gekrümmten oder ebenen Oberflächen verlaufender Schnittführung und dessen Kombination mit Dehnungsmessungen an diesen Oberflächeiaelementen (vorteilhaft mit DMS), die es ermöglichem, mit Hilfe grundsätzlich bekannter Auswerteverfahren Eigenspannungen in Proben und Bauteilen zu bestimmen. In abgewandelter Form lassen sich mit ίο diesem funkenerosiven Trennverfahren auch kleine Elemente aus Bauteilen mit beliebig geformten Oberflächen herausarbeiten, deren Schnittflächen z. B. einen Kegel- oder einen Kugelabschnitt umschließen. Weiter ist das funkenerosive Trennverfahren in hervorragenis der Weise geeignet, Ringnuten zur Anwendung des an sich bekannten Bohrkernverfahrens, insbesondere in harten und extrem weichen Werkstoffen einzubringen, bei denen die Anwendung spanabhebender Bearbeitungsverfahren versagt Letzteres stellt einen erheblichen technischen Fortschritt für die Anwendbarkeit des speziellen Verfahrens dar.

Ein Beispiel einer Trennvorrichtung für Oberflächenelemente mit rechteckigem Umriß enthält die Skizze in A b b. 1. Sie stellt im wesentlichen eine spezielle, bewegliche Drahtumlenkvorrichtung bzw. -führung dar und eine Anordnung zum Umspulen von Drahtelektroden, um parallel zur Bauteiloberfläche elektroerosiv schneiden zu können. Derartige Vorrichtungen lassen sich in Verbindung mit handelsüblichen Funkenerosionsmaschinen betreiben. Der Ablauf einer Messung gestaltet sich wie folgt:

a) Applizieren eines DMS, wahlweise einer DMS-Rosette am Meßort Durchführen einer Bezugsmessung. Falls der Gradient der Eigenspannungsvertei-' lung in Richtung der Oberflächennormalen des Werkstückes zu bestimmen ist und zwar integral über die Elementdicke, wird ein Doppel-DMS (s. A b b. 3) appliziert Die an sich bekannte Meßanordnung zum Erfassen des Biegeanteils an einer Bauteiloberfläche besteht aus dem DMS 12, der auf der Bauteiloberfläche 11 appliziert ist Darüber befindet sich fest mit diesem verbunden eine in Meßrichtung und möglichst nur in Meßrichtung hochelastische Zwischenschicht 13 (in Relation zum Ε-Modul des Bauteils). Auf der Zwischenschicht 13 und mit ihr fest verbunden befindet sich der DMS 14.

b) Einarbeiten von Führungsnuten in die Bauteiloberfläche, z. B. durch Erodieren oder durch Fräsen (vgl.

A b b. 2 unter a). Diese Vorarbeit ist erforderlich, um die unbehinderte Vorschubbewegung der Drahtführungen parallel zur Oberfläche zu ermöglichen. Abstand und Länge der Nuten richten sich nach der angestrebten Elementgröße. Die Tiefe ist geringfügig größer als die gewünschte Elementdikke (ca. 03 mm).

c) Funkenerosives Heraustrennen der gleichdicken Oberflächenelemente. Dazu wird die in A b b. 1 gezeigte Vorrichtung verwendet Die beiden Drahtführungen und -umlenkungen 1 sind so angeordnet, daß sie frei beweglich ohne anzustoßen in den beiden Nuten (A b b. 2 unter a) parallel zur Oberfläche geführt werden können. Diese Relativbewegung zum Werkstück wird von der Erodiermaschine ausgeführt, in der die Vorrichtung mit dem Einspannzapfen 5 fest verbunden ist. Über die beiden Drahtführungen und -umlenkungen 1 läuft die Drahtelektrode von der Spule 3 zur Spule

2. Spule 2 wird von einem Getriebemotor angetrieben; Spule 3 wird von einem Motor im Bremsbetrieb zur Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Drahtvorspannung abgebremst. Die Drahtelektrode 4 besteht z. B. aus Kupferdraht ca. 0,1 mm 0 oder Wolframdraht ca. 0,03 mm 0. Zum Vorrichten der Elektroden können an sich bekannte Heizeinrichtungen, vorzugsweise induktiv arbeitende Heizungen eingesetzt werden, die zwischen Spule 3 und den Drahtfühl ungen 1 anzubringen sind. Die Kontaktierung mit dem Strom zur funkenerosiven Bearbeitung erfolgt wahlweise an der Spule 2 und/oder an den Drahtführungen 1. Beim Heraustrennen eines Volumenelementes an der BauteiloberFläche wird zunächst senkrecht zur Oberfläche ein Schnitt geführt (A b b. 2 unter b). Die Vorschubbewegung erfolgt durch die Erodiermaschine. Kurz bevor die Drahtführungen 1 den Grund bei den Führungsnuten erreichen, erfolgt eine Umlenkung der Vorschubrichtung parallel zur Oberfläche (A b b. 2 unter c) längs der Führungsnuten. Nach Durchlaufen derselben ändert sich die Vorschubrichtung abermals. Die Drahtelektrode verläßt das Werkstück mit einer Vorschubbewegung senkrecht zur Oberfläche (Abb.2 unter d). Damit ist das Element vollständig herausgetrennt.

d) Dehnungsmessung. Die Umrechnung in Spannungen ergibt einen Integralwert über die im Element ausgelösten Eigenspannungen.

e) Entscheidung fällen, ob die Spannungsverteilung über die Elementdicke weiter zu untersuchen ist

ja -<■ Punkt f); nein -* Punkt h).

f) Oberflächenelement auf der Rückseite mit DMS instrumentieren und Bezugsmessung durchführen.

g) Element von der Oberseite her schrittweise abtragen (z. B. durch Erodieren oder Abätzen). Schichtdicken und Dehnungen messen.

Die Auswertung ergibt den Spannungsverlauf (zweiachsig) über die Elementdicke. Grundlagen zur Auswertung sind in [4] beschrieben. Dieser ■»< > Spannungsverlauf ist gegebenenfalls dem unter d) ermittelten Verlauf linear zu überlagern,
h) Entscheidung fällen, ob der Eigenspannungsverlauf über die entnommene Elementdicke hinaus zu messen ist

Ja ->-i); nein -»k)
i) Punkte a) bis c) wiederholen,
k) Messung beendet Gegebenenfalls ist die durch die Oberflächenbeschädigung hervorgerufene Kerbwirkung durch Nacharbeiten zu mindern. Im 2. Ausführungsbeispiei werden mit Dehnungsmeßstreifen bestückte Volumenelemente mit rotationssymmetrischer Schnktführung und kegel-, kugelkalottenförmigen oder zylindrischen Schnittflächen durch Erodieren aus der Bauteil- oder Probenoberfläche getrennt A b b. 4 zeigt die Anordnung und die beiden Vorschubbewegungen 21 und 22 der Stabelektrode 23 zum Heraustrennen von Volumenelementen mit kegelförmiger Schnittfläche 24 aus der Bauteil- oder Probenoberfläche 25. Abb.5 zeigt das Heraustrennen von dehnungsmeßstreifenbestückten Volumenelementen 31 mit einer zylindrischen Schnittführung aus der Bauteiloder Probenoberfläche 32. Zunächst wird eine Ringnut 33 vorteilhafterweise mit einer rohrförmigen Elektrode einerodiert. Im zweiten Schritt wird mit der Elektrode 34, die sich mit den beiden überlagerten Vorschubbewegungen 35 und 36 relativ zum Werkstück bewegt, das Volumenelement ganz herausgetrennt. A b b. 6 zeigt das Heraustrennen von dehnungsmeßstreifenbestückten Volumenelementen mit kugelkalottenförmigen Schnittflächen 41. Die halbkreisförmig gebogene Draht elektrode 42 bewegt sich während des Erodierens mit der Vorschubbewegung 43, der wahlweise die Vorschubbewegung 44 überlagert ist.

Im 3. und 4. Ausführungsbeispiel wird das funkenerosive Bearbeitungsverfahren dazu benutzt, um die an sich bekannten Bohrlochverfahren nach M a t h a r [5] und Bohrkernverfahren [2] auch an extrem harten und extrem weichen Werkstoffen anwenden zu können, an denen spanabhebende Verfahren den Meßwert durch Plastifizierung an der Bearbeitungsstelle sehr stark verfälschen. Ringnuten und Sacklochbohrungen lassen sich in bekannter Weise in die mit DMS instrumentierten Bauteil- oder Probenoberflächen einbringen. Die Auswertung der Dehnungsmeßwerte ist in der angegebenen Literatur beschrieben.

Literatur

[1] Peiter.A.:

Eigenspannungen 1. Art Düsseldorf:

Michael Triltsch Verlag 1966.
[2] WolfundBöhm:

DE-AS2016 118.
[3] WolfundBöhm:

DE-AS 21 42 463.
[4] Schimöller,H.:

Bestimmung von Eigenspannungen in ebenen plattierten Werkstoffen,

Materialprüfung, 14 (1972) Nr. 4, S. 115/21.
[5] Mathar.J.:

Ermittlung von Eigenspannungen durch Messungen von Bohrloch-Verformungen.

Archiv für das Eisenhüttenwesen, 6 (1933) Heft 7, S.

277/88.
[6] Burbach,].:

Modellfrei lösbare Probleme der elastischen Vielkristallverformung,

Symp. Ost Akad. d. Wissenschaft Springer 1974.
[7] Stickforth,].:

Über den Zusammenhang zwischen röntgenografischer Gitterdehnung und makroskopischer elastischer Spannungen,

Techn. Mitt Krupp 24 (1966) S. 89 - 1OZ

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen von Eigenspannungen in elektrisch leitenden Bauteilen, bei dem mindestens ein Volumenelement aus dem Bauteil herausgetrennt wird, die elastische Rückfederung an der bearbeiteten Stelle mittels Dehnungsmessern und Verkrümmungsmessern gemessen wird und daraus auf die an der bearbeiteten Stelle ursprünglich vorhandene Eigenspannung zurückgerechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des Funkenerosionsverfahrens und geeignet geführter Elektroden relativ kleine Volumenelemente von der Oberfläche des zu untersuchenden Bauteils herausgetrennt werden und daß die während dts Heraustrennens auftretende elastische Rückfederung gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die während des Heraustrennens der Volumenelemente aus der Oberfläche erfolgende Rückfederung mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen gemessen wird und daß die Bauteiloberfläche mit Dehnungsmeßstreifen instrumentiert ist

3. Verfahren für Bauteile mit ebenen oder einfach gekrümmten Oberflächen und nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenelemente rechteckigen Umriß aufweisen und mit parallel zur Oberfläche laufender Schnittführung aus den Bauteilen getrennt werden, wobei die an der Elementoberseite auftretende Verformung gemessen wird, daß — nach Umsetzen der Dehnungsmeßstelle von der Elementoberfläche auf die Elementrückseite — durch flächenhaftes Abtragen der Elemente von der Oberfläche in kleinsten Schichten die Dehnungsreaktion auf der Rückseite Schritt für Schritt gemessen wird und daß daraus der ursprüngliche Eigenspannungsverlauf über die Elemenulicke aus den über die Tiefe der Ausnehmung gemessenen Abklingfunktionen berechnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe geeignet geführter Elektroden eine Bearbeitung mit rotationssymmetrischer Schnittführung stattfindet.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtelektroden einen kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bearbeitung des Bauteils mittels Funkenerosion eine reversierende Vorschubbewegung in derartiger Weise erfolgt, daß die Meßleitungen zu den Dehnungsmeßstreifen nicht getrennt zu werden brauchen.