DE3124877C2

DE3124877C2 - Einspannvorrichtung für Werkstoffprüfmaschinen zur Durchführung von Wechselspannungs- und Wechseldehnversuchen bei hohen Temperaturen

Info

Publication number: DE3124877C2
Application number: DE19813124877
Authority: DE
Inventors: Gerhard Ing.(grad.) 6101 Roßdorf Hintz; Andreas Ing.(grad.) 6102 Pfungstadt Pohl
Original assignee: Carl Schenck AG
Current assignee: Carl Schenck AG
Priority date: 1981-06-25
Filing date: 1981-06-25
Publication date: 1985-07-25
Also published as: JPS6336452B2; DE3124877A1; GB2101337B; GB2101337A; JPS586440A; CH656006A5

Abstract

Bei einer Einspannvorrichtung für Werkstoffprüfmaschinen zur Durchführung von Wechselspannungs- und Wechseldehnversuchen bei hohen Temperaturen werden die eingespannten Enden der Materialprobe jeweils in einem Ein spann element mit einem Belastungsstempel verspannt. Die Verspannung muß bei hohen Temperaturen an die geringer werdende Festigkeit des Einspannelements angepaßt werden. Zur automatischen Anpassung der Verspannung besteht der Belastungsstempel (7) aus einem druckfesten Material, das einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material der Einspannelemente (6) für die Probe (3). Darüber hinaus ist der Belastungsstempel (7) zur Erzeugung der Vorbelastung durch eine Feder (9) mit degressiver Kennlinie beaufschlagbar. Durch Ausnützung des unterschiedlichen Längenausdehnungsverhaltens des Belastungsstempels (7) und des Einspannelements (6) in Verbindung mit einer Feder (9) mit degressiver Kennlinie ist eine automatische Anpassung der Verspannkraft F ↓v an die Festigkeit des Einspannelements (6) bei hohen Temperaturen möglich.

Description

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Spruch 1 angegebenen Merkmale gelöst Die Unteran- warmfestem Material, während für den Grandkörper 5 Sprüche enthalten Ausgestaltungen der Erfindung. herkömmliche Materialien verwendet werden können, ff Die Vorteile der Erfindung ergeben sich im wesentli- da sich der Grundkörper bei der Prüfung praktisch nicht fl chen aus der Aufgabenstellung. Durch Verwendung ei- erwärmt bzw. ggf. gekühlt werden kann.
Ig ner Feder mit degressiver Kennlinie in Verbindung mit 5 Im Einspannelement 6 ist ein Belastungsstempel 7 aus Ii einem Belastungsstempel, dessen Material einen niedri- einem geeigneten druckfesten keramischen Material fi_;: geren Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Mate- angeordnet Das Material des Stempels weist einen & rial der Einspannelemente, wird es möglich, die Vor- niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten auf als das Mall spannung an der Einspannstelle der Probe dem Festig- terial des Einspannelements 6. Der Belastungsstempel 7 ti keitsabfall dev Einspannelemente automatisch anzupas- io ist mit einem Teller 8 verbunden, der durch Tellerfedern g sen. Der degressive Teil der Federkennlinie wird hierbei 9 beaufschlagt wird. Die Tellerfedern können an der Jf so festgelegt daß sich die Federkraft mit dem Federweg Belastungseinrichtung 2 oder am Grundkörper 5 abge-Sjj möglichst wenig ändert. Durch Abstimmung der Feder- stützt werden, wenn dieser entsprechend ausgebildet ist § kennlinie mit dem Ausdehnungsverhalten des BeIa- Durch die Tellerfedern 9 wird über den Teller 8 und den s stungsstempeis und des Einspannelements wird erreicht 15 Belastungsstempel 7 eine Vorspannkraft F_r auf den Ge- A daß auch bei hoher Temperatur die Vorspannung an der windeeinspannkopf 3' der Probe 3 aufgebracht mit der U Einspannstelle der Probe immer unter dem zulässigen der Einspannkopf gegen das Einspannelement 6 very Festigkeitswert für das Einspannelement liegt spannt wird. Dadurch ist Spielfreiheit der Einspannung Der Beiastiingsstempel wird zweckmäßigerweise aus bei Wechselspannungs- und Wechseldehnversuchen geil einem keramischen Material hergestellt Eine vorteil- 20 währleistet Die Prüfkraft an der Probe darf dabei die hafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich durch die Vorspannkraft der Tellerfedern nich^f überschreiten.
ύ Verwendung vüu Tdlerfedem, die es auf einfache Weise Zar Erzeugung der Vorspannung Viönricn anstelle der ermöglichen, eine degressive Federkennlinie zu erzeu- TeHerfedern auch andere Federn oder Federanordnunf gen. Der maximale Federweg der Feder kann einstell- gen mit degressiver Kennlinie verwendet werden. Der £ bar und die Feder selbst auswechselbar ausgeführt wer- 25 Grundkörper 5 kann so ausgebildet werden, daß die ti den. Tellerfedern leicht auswechselbar sind und dsß ihre ma-Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausfüh- ximale Vorspannkraft bei Umgebungstemperatur ein- ;. rungsbeispiel in der Zeichnung dargestellt und in der stellbar ist

j> Beschreibung näher erläutert Die Zeichnung zeigt in Da die Festigkeit des Einspannelements 6 bei hohen Fi g. 1 schematisch die erfindungsgemäße Einspann- 30 Temperaturen stark abfällt kann eine bei Umgebungs- % vorrichtung mit einem federbelasteten, auf einen Ein- temperatur unschädliche Vorspannkraft das Einspännig spannkopf einer Probe wirkenden Belastungsstempel. element bei hoher Temperatur schädigen. Dies wurde In bisher durch Einstellung der Vorspannkraft von Hand '■) F i g. 2 ist schematisch eine degressive Federkennlinie oder durch hydraulische Regelung der Vorspannkraft und in 35 für den jeweiligen Prüffall vermieden. Durch die erfin-F i g. 3 der Festigkeitsverlauf eines hochwarmfesten dungsgemäße Anordnung erfolgt eine automatische Werkstoffes dargestellt Anpassung der Vorspannkraft F, an die an der Probe Die Einspanneinheiten 1, Γ der Einspannvorrichtung bzw. der Einspannstelle der Probe herrschende Tempesind in geeigneter Weise an der nur andeutungsweise ratur und damit an die Warmfestigkeit des Einspa.nneledargestellten Prüfmaschine 2,2* befestigt Die Einheit Γ 40 ments6.

kann dabei oeispielsweise an einem festen Teil der Ma- Zur Erzeugung der Vorspannung werden Tellerfeschine 2', z. B. einem Querhaupt die Einspanneinheit 1 de- η mit degressiver Kennlinie verwendet Bei diesen an der beweglichen Kolbenstange 2 der Belastungsein- Federn steigt die Federkraft zu Beginn des Federweges richtung der Prüfmaschine angebaut sein. Die beiden zunächst etwa linear an. Mit zunehmendem Federweg Einheiten 1 und Γ sind im wesentlichen gleich ausgebil- 45 wird der Kraftanstieg geringer bis die Federkraft det In der Zeichnung ist daher nur die Einspanneinheit 1 schließlich konstant bleibt oder gegen linde des Federin Einzelheiten dargestellt weges sogar wieder abnimmt Der qualitative Verlauf Zwischen den beiden Einspanneinheiten 1, Γ ist die der Federkraft F über dem Federweg s ist für eine sol-Probe 3 angeordnet Die Probe ist mit Gewirdeein- ehe Feder mit degressiver Kennlinie in F i g. 2 dargespannköpfen 3' versehen und mit den Einspanneinheiten 50 stellt Für den vorliegenden Anwendungsfall werden die 1,1' verbunden. Zur Durchführung von Temperaturver- Tellerfedern so ausgewählt daß die Federkraft im Endsuchen ist ein Ofen oder eine Heizeinrichtung 4 vorge- bereich des Federweges (A bis B in F i g. 2) möglichst sehen, die die Probe 3 und die Enden der Einspannein- konstant bleibt und im Anfangsbereich (B bis C) etwa richtung umgibt ' gleichmäßig ansteigt

Die Einspanneinheit 1 besteht aus einem Grundkör- 55 Die Festigkeit des Einspannelements 6 bleibt bis zu per 5 und einem Einspannelement 6. Der Grundkörper 5 einer gewissen Tfip*peratur im Bereich voi. etwa 500 bis ist bügel- oder zylinderförmig ausgebildet und mit sei- 600° C ungefähr gleich. Danach fällt sie etwa linear mit nem offenen Ende an der Prüfmaschine bzw. der KoI- der Temperatur ab. Ein typischer Festigkeitsverlauf benstange 2 befestigt Das Einspanneicment 6 ist am bzw. Verlauf der zulässigen Beanspruchung o_z über der Steg oder DeckeS des Grundkörpers 5 in geeigneter 60 Temperatur r für <;in warmfestes Material, aus dem die Weise, z. B. durch eine Schraubverbindung, mit diesem Einspannelemente bestehen, ist in F i g. 3 dargestellt,
verbunden. Das Einspannelement ist hülsenförmig aus- Das unterschiedliche Ausdehnungsverhalten des Eingebildet und am pt'obenseitigen Ende mit einem Innen- spannelementes 6 und das Belastungsste.npels 7 haben gewinde für die Aufnahme des Gewindeeinspannkopfes zur Folge, daß sich mit steigender Temperatur an der 3' der Probe 3 vergehen. Anstelle der Gewindeeinspan- 65 Einspannvorrichtung das Einspanneicment 6 und der nung kann auch e'ne andere Art der Einspannung, z. B. Belastungsttempel ? ungleich stark ausdehnen, wobei eine Schulterkopfl'inspannung, für die Probe vorgese- sich das Eiiispannelement wegen des höheren Ausdehhen werden. Das kinspi.inelement 6 besteht aus hoch- nungskoeffizienten stärker dehnt als der Belastungs-

stempel. Die Differenz der Längenänderungen kann bei gegebener Länge der beiden Teile für eine gegebene Temperaturdifferenz ermittelt werden. Die Längenänderungsdifferenz des Belastungsstempels 7 gegenüber dem Einspannelement 6 wird zur Festlegung der Federkennlinie der Tellerfedern herangezogen. Der Federweg und die Federkraft der Tellerfedern 9, d. h. die Kennlinie der Tellerfedern, wird dabei so auf das Ausdehnungsverhalten des Belastungsstempels 7 und des Einspannelements 6 Ober der Temperatur abgestimmt, daß sich die Vorspannung F_Y an der Einspannstelle der Probe automatisch an die Festigkeitsänderung des Einspannelements 6 anpaßt

Hierzu wird die Vorspannung der Tellerfedern bei Umgebungstemperatur entsprechend der gewünschten Vorspannung an der Einspannstelle gewählt. Bei dieser Vorspannung sind die Tellerfedern im eingebauten Zustand zusammengedrückt und üben über den Belastungsstempel 7 die gewünschte Vorspannkraft F, an der Einspannstelle der Probe aus. Dieser Zustand entspricht Punkt A in den F i g. 2 und 3.

Wenn sich das Einspannelement 6 und der Belastungsstempel 7 erwärmen, muß der Belastungsstempel wegen seiner geringeren Längendehnung im Einspannelement 6 nachgeführt werden. Dies geschieht durch die Ausdehnung der Tellerfedern. Diese arbeiten zunächst im konstanten Bereich der Federkennlinie, d. h. Änderungen des Federweges ergeben nur geringe oder keine Änderungen der Federkraft Dieser Zustand entspricht dem Bereich A bis Sin den Fig. 2 und 3.

Der Punkt 8der Federkennlinie (Fi g. 2), an dem die Abnahme der Federkraft mit abnehmendem Federweg beginnt, wird so gelegt, daß er mit Punkt B des Festigkeitsverlaufs des Einspannelements 6 (Fig.3) zusammenfällt, von dem an die Festigkeit des Einspannelements mit zunehmender Temperatur abnimmt.

Wenn die Temperatur an der Einspannvorrichtung über den Punkt S weiter in Richtung Cansteigt (F i g. 3), wird der Belastungsstempel 7 wegen seiner geringeren Wärmedehnung durch die Tellerfedern 9 im Einspannelement €i ständig nachgeführt Die dadurch bedingte weitere Ausdehnung der Tellerfedern führt jetzt aber dazu, daß die Federkraft etwa linear mit dem Federweg abnimmt, entsprechend dem Bereich B bis C in Fi g. 2. Dem durch die Temperaturerhöhung verursachten Festigkeitsabfall des Einspannelements im Bereich B bis C in F i g. 3 entspricht auf diese Weise eine Herabsetzung der Vorspannkraft der Tellerfedern entsprechend dem Bereich ßbis Cin F i g. 2.

Die Federkennlinie der Tellerfedern 9 und das unterschiedliche Längenausdehnungsverhalten des Einspannelements 6 und des Belastungsstempels 7 werden also so aufeinander abgestimmt, daß mit zunehmender Temperatur und beginnender Abnahme der Festigkeit des Einspannelements 6 auch die Vorspannkraft der Tellerfedern abnimmt Dadurch ergibt sicri die automatische Anpassung der Vorspannkraft an die jeweilige Festigkeit des Einspannelements 6. Die Vorspannung der Tellerfedern wird hierbei so gewählt, daß die zulässige Beanspruchung der Einspannelemente Im gesamten Temperaturbereich der Einrichtung nicht überschritten wird. Durch entsprechende Abstimmung kann eine weitgehende Annäherung der Festigkeitskennlinie der Einspannelemente und der Kennlinie der Tellerfedern erreicht werden.

Bei abnehmender Temperatur kehren sich die Verhältnisse tun: mit von C nach B bzw. A abnehmender Temperatur nimmt die Festigkeit des Einspannelements 6 wieder zu (F i g. 3), gleichzeitig nimmt die Längsdehnung des Einspannelements 6 und des BeiasSungsstempels 7 unterschiedlich stark ab. Dadurch erhöht sich die Vorspannkraft der Federn wieder vom Wert C auf den Wertßbzw./t(Fig.2).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

i 2 der Prüfung gewährleistet ist. Patentansprüche: Die mit der Probe unmittelbar verbundenen Einspannelemente bestehen aus hochwertigem, hochwarm-

1. Einspannvorrichtung für Werkstoffprüfmäschi- festem Material. Ihre Festigkeit ist, wie die Festigkeit nen zur Durchführung von Wechselspannung- und 5 anderer metallischer Werkstoffe, bei hohen Tempera-Wechseldehnversuchen bei hohen Temperaturen, türen stark temperaturabhängig. Die Vorspannkraft mit an der Prüfmaschine angeordneten Aufnahme- bzw. die Verspannkraft zwischen Einspannkopf der Prooder Einspanneinheiten mit Einspannelementen für be und Einspannelement muß daher bei hohen Tempeeine Materialprobe od. dgL, je einem auf die einge- raturen an die geänderten, d. h. verringerten Festigkeispannten Enden der Materialprobe wirkenden BeIa- io ten angepaßt und entsprechend herabgesetzt weroen.
stungsstempel zur Verspannung dieser Enden ge- Zur Aufbringung der Vorspannung wird jeder Eingenüber den Einspannelementen, wobei die für die spannkopf der Probe durch einen Belastungsstempel Verspannung erforderliche Vorbelastung des Beia- beaufschlagt Der Belastungsstempel, der durch das Einstungsstempels an die Temperatur der Probe bzw. spannelement hindurchgeführt ist und auf die Stirnfläder Einspannelemente anpaßbar ist, dadurch 15 die des Einspannkopfes wirkt, verspannt den Einspanngekennzeichnet, daß der Belastungsstempel ki-pf gegen das Einspannelement Die Probe kann z. B. (J) aus einem Material besteht, das einen niedrigeren Gewindeeinspannköpfe aufweisen und in hülsenförmige Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material Einspannelemente eingeschraubt sein. Es kann auch eider Einspannelemente (6) für die Probe (3) und das ne Schulterkopfeinspannung oder eine andere gr.eigneüber den einstellbaren Temperaturbereich druckfest 20 te Einspannung für die Probe vorgesehen werden.

ist, und daß <ier Belastungsstempel (7) zur Erzeu- Der Belastungsstempel wird bei den bekannten Vorgang der Vorbelastung durch eine Feder (9) mit de- richtungen mechanisch oder hydraulisch vorgespannt gressiver Kennlinie bcaufschlagbar ist Für die mechanische Vorspannung werden geeignete

2. Einspannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch Federanordnungen verwendet, die von Hand einstellbar gekennzeichnet, daß die Kennlinie der Feder (9) und 25 sind, so daß unterschiedliche Vorspannkräfte bzw. Verdas Ausdehnungsverhalten des Belastungsstempeis Spannkräfte zwischen Einspannkopf der Probe und Ein-(7) und des Einspannelements (6) so aufeinander ab- spannelement aufgebracht werden können. Bei hydraugestimmt sind, daß sich die Verspannung (Vorspann- lischen Anordnungen- rird zur Erzeugung der Vorspankraft) der Festigkeitsänderung des Einspannele- nung der Belastungsstempel mit einem Betätigungszyments (6) bei Temperaturänuerung, insbesondere 30 linder bzw. Betätigungskolben verbunden, der von eidem Festigkeitsabfall bei Temperaturzunahme, an- nem Druckmittel beaufschlagt wird. Durch Steuerung paßt oder Regelung des Drucks im Betätigungszyiinder kann

3. Einspannvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die Vorspannung des Belastungsstempeis eingestellt dadurch gekennzeichnet, daß der Belastungsstempel werden. Bei mechanischen Vorspanneinrichtungen ist (7) aus einem keramischen Material besteht 35 die Einstellung der Vorspannung von Hand umständlich.

4. Einspannvorrichtung nach Aupruch 1,2 oder 3, Hydraulische Vorspannanordnungen erfordern einen dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (9) als Teller- nicht unerheblichen Aufwand.

feder ausgebildet ist Bei einer bekannten Klemmverbindung für Prüfge-

5. Einspannvorrichtung nach einem der vorherge- rüste, DE-OS 26 53 544, wird die Verbindung zwischen henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 40 Gerüstständern und Querträgern mc' Hilfe von elekder maximale Federweg der Feder (9) einstellbar ist trisch aufheizbaren Klemmbolzen hergestellt Die

6. Einspannvorrichtung nach einem der vorherge- Klemmung wird hierbei im kalten Zustand der Klemmhenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bolzen durch Kontraktion der Bolzen bewirkt Bei aufFeder (9) auswechselbar ist geheiztem, d. h. verlängerten Klemmbolzen ist die Ver-

45 bindung lösbar.

Bei einer mechanischen Einspannvorrichtung für

Prüfmaschinen, DE-AS 28 19 902, erfolgt die mechani-Jj sehe Einspannung des Prüflings über Spindeln und Fe-Die Erfindung betrifft eine Einspannvorrichtung für dem, z. B. Tellerfedern oder Federpakete, mit Klemmet Werkstoffprüfmaschinen zur Durchführung von Wech- 50 stücken und Klemmbacken. Diese Einspannvorrichtunjg selspannungs- und Wechseldehnversuchen bei hohen gen weisen jedoch keine auf die eingespannten Enden |J3 Temperaturen, mit an der Prüfmaschine angeordneten der Materialprobe wirkende Belastungsstempel zur Aufnahme- oder Einspanneinheiten mit Einspannele- Verspannung dieser Enden gegenüber den Einspanneleg menten für eine Materialprobe od. dgl., je einem auf die menten auf. Eine Anpassung der auf die Einspannköpfe eingespannten Enden der Materialprobe wirkenden Be- 55 der Probe wirkenden Vorspannung in Abhängigkeit von ^fA lastungsstempel zur Verspannung dieser Enden gegen- der Temperatur ist nicht möglich.
[f über den Einspannelementen, wobei die für die Ver- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die be- |; spannung erforderliche Vorbelastung des Belastungs- kannte Einspannvorrichtung zu verbessern und zu verify stempeis an die Temperatur der Probe bzw. der Ein- einfachen. Dabei soll eine selbsttätige Einstellung der ψ spannelemente anpaßbar ist. 60 auf die Einspannköpfe der Probe wirkenden Vorspan- Yg Bei solchen Einspannvorrichtungen muß die Materi- nung in Abhängigkeit von der Temperatur möglich sein. Ϊ alprobe in den Einspannelementen so aufgenommen Die Vorspannung soll der Festigkeit des Materials der j, werden, daß bei allen vorkommenden Prüf bedingungen Einspannelemente bei unterschiedlichen Temperaturen, ff. kein Spiel in der Einspannung auftritt Dazu werden die insbesondere dem Festigkeitsabfall bei hohen Tempera- ·. Einspannköpfe der Probe in den Einspannelementen 65 türen anpaßbar sein, so daß eine Einstellung von Hand ι ■ verspannt oder vorgespannt Die Vorspannung wird so oder eine entsprechende Steuer- oder Regeleinrichtung ·>; gewählt, daß bei wechselnder Kraftrichtung und bei un- entfallen kann.
U terschiedlichcn Temperaturen Spielfreiheit während Diese Aufgabe wird durch die in dem Patentan-