DE4204589A1 - Werkstoffpruefvorrichtung fuer zug- oder druckversuche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkstoffprüfvorrichtung für Zug- oder Druckversuche von Prutkörpern mit Biegemomentenausgleich im Prüf­ körper, wobei der Prüfkörper im wesentlichen in Prüfkraftrichtung ausgerichtet, zwischen zwei gegenüberliegende Probeneinspannköpfe einspannbar ist und die Probeneinspannköpfe jeweils mit einem Zug- bzw. Druckkraft erzeugenden Anker verbunden sind.

Bei der statischen als auch dynamischen Prüfung von Werkstoffproben unterliegt der Prüfkörper infolge von Fluchtungsfehlern, Fertigungs­ ungenauigkeiten des Prüfkörpers und Ungenauigkeiten der Prüfmaschine einer mehr oder minder großen Biegemomentenbeanspruchung. Diese zu­ sätzlichen Biegemomente überlagern sich der Prüfbeanspruchung und führen zur Verfälschung der Prüfergebnisse. Geringe Zentrierfehler wirken sich insbesondere bei sehr steifen Proben und spröden Werk­ stoffen (z. B. Keramik) extrem stark auf die Biegemomenterhöhung aus. Werden Proben einer Druckprüfung unterzogen, dann besteht bei sehr langen Proben und bei Mittelpunktversatz der Einspannvorrichtung eine zunehmende Ausknickgefahr. Für ein möglichst exaktes Meßergebnis ist daher von großer Bedeutung, diese Biegemomente weitgehend zu redu­ zieren bzw. zu kompensieren. Voraussetzung hierfür ist jedoch die Ermittlung des auftretenden Biegemoments im Prüfkörper.

Bisherige Methoden messen das Biegemoment mittels auf dem Prüf­ körper aufgebrachter Dehnmeßstreifen (DMS) mit angeschlossenem DMS-Verstärker. Hierzu werden die DMS zunächst bei noch nicht einge­ spanntem Prüfkörper, d. h. im spannungsfreiem Zustand des Prüf­ körpers, mit Hilfe des DMS-Verstärkers abgeglichen. Anschließend wird der Prüfkörper in die Prüfvorrichtung eingespannt, ohne jedoch eine Prüflast aufzubringen. Im eingespannten Zustand werden die nun auf­ tretenden Spannungen gemessen und durch entsprechende Justiervorgänge des oberen und unteren Probeneinspannkopfes versucht, den Prüf­ körper biegemomentenfrei auszurichten. Dieser Vorgang ist extrem zeitaufwendig und kostenintensiv. Insbesondere dann, wenn durch tem­ peraturbedingte Dehnungen die Justiervorgänge wiederholt durchgeführt werden müssen. Soll der Prüfkörper zudem extremen Temperaturen ausge­ setzt werden, dann können bei dieser Anordnung Fehler unbestimmbarer Größe auftreten, da eine hinreichend genaue Biegemomentkompensation nicht mehr möglich ist. Darüberhinaus erweist sich das aufwendige Aufbringen von DMS auf Prüfkörper großer Serien als besonders unwirt­ schaftlich.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Werkstoffprüf­ vorrichtung zu schaffen, bei welcher auch unter extremen Prüftempe­ raturen eine exakte und schnelle Kompensation unerwünschter Biege­ momente im Prüfkörper möglich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mehrere Linear­ stellelemente in einer im wesentlichen senkrecht zur Prüfkraftrich­ tung stehenden Ebene jeweils zwischen Probeneinspannkopf und Anker prüfkraftübertragend angeordnet sind, wobei sich die Linearstellel­ emente bezüglich ihrer Verstellrichtung parallel zur Längsachse der Probeneinspannköpfe erstrecken und jeweils einem Linearstellelement ein Kraftmeßsensor zugeordnet ist, und die Kraftmeßsensoren an einen Regler zur kraftabgleichenden Steuerung der Linearstellelemente ange­ schlossen sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, die Biegemomente im Prüfkörper durch Längsverstellen der Linearstellelemente, entspre­ chend der von den Sensoren gemessenen Kräfte automatisch und schnell ausgleichbar sind, wodurch ein zeitraubendes Justieren des Probenein­ spannkopfes von Hand entfällt. Aufgrund dieser Eigenschaften und Merkmale ist nicht nur eine statische Kompensation der Biegemomente möglich, sondern auch eine kontinuierliche Kompensation bei dyna­ mischen Vorgängen hoher Frequenz. Bei der Werkstoffprüfung großer Serien von Proben, ist die Automatisierung des Prüfvorganges von großem Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit. Diesem Aspekt wird die Erfindung dadurch gerecht, daß die Kraftmeßsensoren jeweils eines Probeneinspannkopfes an einen Regler zur kraftabgleichenden Steuerung der Linearstellelemente angeschlossen sind. Weiterhin ist von Vor­ teil, daß temperaturempfindliche Meßelemente nicht unmittelbar am Prüfkörper zum Biegemomentenausgleich angebracht werden müssen, so daß Werkstoffversuche in einem weiten Temperaturbereich durchgeführt werden können. Der einfache Aufbau der Vorrichtung erlaubt ein Nach­ rüsten von Werkstoffprüfvorrichtungen, welche nach dem bisherigen Stand der Technik ausgeführt sind bei geringem Umbauaufwand. Für die hinreichende Bestimmung bzw. für den Ausgleich des Biegemoments sind drei Kraftmeßsensoren hinreichend. Die Erfindung kann jedoch auch mit mehr als drei Kraftmeßsensoren ausgeführt werden, jedoch bedeutet dies ein nicht notwendiger Aufwand.

Eine weitgehend gleichmäßige Belastung der Ausgleichsglieder im Be­ trieb wird durch die bevorzugte Ausführung der Erfindung nach An­ spruch 2 und 3 ermöglicht, wodurch gleich dimensionierte Stellele­ mente und Kraftmeßsensoren verwendet werden können. Hierdurch ver­ einfacht sich der Aufbau der Prüfvorrichtung erheblich.

Eine weitere Vereinfachung der Vorrichtung ergibt sich daraus, daß ein Linearstellelement als Verbindungselement konstanter Länge ausge­ führt ist. Da für den Biegemomentenausgleich nur Stellbewegungen der Linearstellelemente relativ zueinander notwendig sind, kann für den Ausgleich ein Linearstellelement in der Länge konstant gehalten wer­ den, während die beiden verbleibenden Linearstellelemente die für den Ausgleich notwendigen Bewegungen ausführen. Hierzu ist es zur Kosten­ einsparung sinnvoll, das konstante Linearstellelement gegen ein ein­ facheres Verbindungselement konstanter Länge auszutauschen.

Eine wirtschaftliche Ausführungsform der Erfindung ist durch die Merkmale gemäß Anspruch 5 möglich, da diese die Verwendung kosten­ günstiger Dehnmeßstreifen (DMS) als Kraftmeßsensoren gemäß Anspruch 6 erlaubt.

Eine hohe Meßempfindlichkeit und -genauigkeit wird durch die biege­ elastische Ausbildung der Arme im Bereich der DMS gewährleistet.

Eine alternative Ausbildung der Erfindung, wonach jeweils ein Linear­ stellelement bezüglich seiner Verstellrichtung koaxial zu Kraftmeß­ richtung des Kraftmeßsensors angeordnet ist und Linearstellelement und Kraftmeßsensor miteinander kraftübertragend verbunden sind, gestattet die Verwendung handelsüblicher Kraftmeßdosen als Kraft­ meßsensor, wodurch sich bestehende Werkstoffprüfeinrichtungen besonders einfach nachträglich umrüsten lassen.

Ein reaktionsschneller Ausgleichsvorgang wird in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung dadurch ermöglicht, daß die Linearstell­ elemente piezoelektrische Translatoren sind, welche feinfühlige, schnelle und spielfreie Stellbewegungen erlauben. Von besonderer Bedeutung für einen exakten Biegemomentausgleich und somit für die hohe Meßgenauigkeit der Werkstoffprüfvorrichtung ist es, daß die piezoelektrischen Translatoren feinste Positionierungen im Nanome­ ter- bis in den Millimeterbereich mit extrem hoher Genauigkeit aus­ führen. Dabei können Kräfte im Millinewtonbereich bis in den Kilo­ newtonbereich übertragen werden.

In einer weiteren Ausführung, bei welcher die Linearstellelemente in Verstellrichtung druckvorgespannt sind, ergibt sich eine vergrößerte Zugbelastbarkeit der piezoelektrischen Translatoren, insbesondere beim statischen Zugversuch. Dadurch wird gleichzeitig die Dauer­ festigkeit der Stellelemente verbessert. Hierbei erweist sich eine Ausführung als besonders zweckmäßig, bei welcher die Kraftmeßsensoren jeweils einerseits mit dem Probeneinspannkopf und andererseits mit dem Anker, das Linearstellelement elastisch einspannend, verschraubt sind.

Die frühzeitige Erkennung von Anrissen im Prüfkörper während des Prüfvorganges ist durch die bevorzugte Ausführung der Erfindung mög­ lich, wonach die Kraftmeßsensoren zumindest eines Einspannkopfes an eine Einrichtung zur Erkennung von Probenanrissen angeschlossen ist. Da ein Riß im Prüfkörper während des Prüfvorganges eine Verschiebung des Kraftflusses zur Folge hat, führt die Kraftmeßverschiebung zu einer unterschiedlichen Belastung der Linearstellelemente; diese Änderung wird von den Kraftmeßsensoren registriert und kann als Riß­ warnung zur Anzeige gebracht werden. Exakte Meßwerte beim Betrieb der Werkstoffprüfvorrichtung unter extremen Temperaturen sind durch die Ausführung der Erfindung näch Anspruch 13 erzielbar, da die im allge­ meinen empfindlichen Kraftmeßsensoren außerhalb einer Heiz- oder Kühleinrichtung angeordnet sind und somit temperaturbedingte Meßfeh­ ler weitgehend vermieden werden können. Zudem muß bei der Wahl der Versuchstemperatur keine Rücksicht auf zulässige Betriebstemperaturen von Kraftmeßsensoren oder Linearstellelementen genommen werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Werkstoffprüfvorrichtung mit schief eingespanntem Prüfkörper in übertriebener Darstellung des Winkelfehlers,

Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung des oberen Probeneinspannkopfes mit Prüfkörper und Heizvorrichtung, wobei Linearstellelemente und Kraftmeßsensoren in die Zeichenebene geklappt dargestellt sind,

Fig. 3 einen Schnitt gemäß Fig. 2 zur Darstellung der dreieckförmigen Anordnung der Linearstellelemente mit Kraftmeßsensoren,

Fig. 4 einen Ausschnitt des oberen Probenhalters mit Kraftmeßbügel und angeschraubtem Anker, wobei die Arme des Kraftmeßbügels in die Zeichenebene eingeklappt dargestellt sind und

Fig. 5 eine Draufsicht des Kraftmeßbügels.

Fig. 1 zeigt eine Werkstoffprüfeinrichtung 1, auf einem Maschinensoc­ kel 2 stehend, mit eingespanntem Prüfkörper 3.

Die Werkstoffprüfvorrichtung 1 weist zwei relativ zueinander ver­ schiebbare Anker 4 und 5 auf, welche mit dem oberen bzw. unteren Einspannkopf 6 und 7 über je drei prüfkraftübertragende Paare von Linearstellelementen 8 und Kraftmeßsensoren 9 verbunden sind. Die beiden Einspannköpfe 6 und 7 nehmen den in Prüfkraftrichtung P ausge­ richteten Prüfkörper 3 auf, wobei der Prüfkörper 3 zwischen den bei­ den gegenüberliegenden Einspannköpfen 6 und 7 eingespannt ist. Im Idealfall, d. h. bei fehlerfreier Einspannung des Prüfkörpers 3 in die Einspannköpfe 6 und 7, verläuft die Prüfkraftrichtung P, die Läng­ sachse L des Prüfkörpers 3, die Längsachsen L der Probeneinspannköpfe 6 und 7 und die Verstellrichtung A der Anker 4 und 5 koaxial zueinan­ der. Durch Längsverstellung des oberen oder unteren Ankers 4 bzw. 5 oder beider Anker 4 und 5 wir die Prüfkraft, je nach Richtung der Relativbewegung der Anker 4 und 5 eine Zug- oder Druckkraft, über die Linearstellelemente 8 und Kraftmeßdosen 9 und die Einspannköpfe 6 und 7 in den eingespannten Prüfkörper 3 eingebracht. Je nach Versuchs­ programm sind somit statische oder dynamische Zug- oder Druckversuche durchführbar.

Aufgrund verschiedenster Ursachen wie z. B. Fluchtungsfehler, Ferti­ gungsungenauigkeiten des Prüfkörpers 3 und Ungenauigkeit der Werk­ stoffprüfmaschine 1 fluchtet die Längsachse L des Prüfkörpers 3 nicht exakt mit den Längsachsen E der Probeneinspannköpfe 6 und 7 bzw. mit der Verstellrichtung A der Anker 4 und 5. Hierdurch treten im Prüf­ körper 3 bei steifer Einspannung Biegespannungen auf, welche zu schwer bestimmbaren Meßfehlern oder zum sofortigen Bruch führen. In Fig. 1 ist als Fluchtungsfehler zwecks deutlicherer Darstellung ein übertrieben großer Winkelfehler α zwischen der Längsachse des Prüfkörpers 3 und der Längsachse E des Probeneinspannkopfes 6 bzw. 7 eingezeichnet, welcher sich beispielsweise aus einem schief ge­ schnittenen Gewinde am Prüfkörper 3 ergibt.

Zur weitgehenden Vermeidung der unerwünschten Biegespannung im Prüf­ körper 3 sind jeweils zwischen Einspannkopf 6 und 7 und Anker 4 bzw. 5 drei Linearstellelemente 8 und drei Kraftmeßsensoren 9 ange­ ordnet. Die Fig. 2 und 3 zeigen hierzu ein Beispiel der koaxialen Anordnung der Linearstellelemente 8 und Kraftmeßsensoren 9. Hierzu ist jeweils ein Linearstellelement 8 mit mit einem Kraftmeßsensor 9 kraftübertragend zu einem Ausgleichselement 10 verbunden, wobei die Kraftmeßrichtung K der Kraftmeßsensoren 9 koaxial zur Verstellrich­ tung V des Linearstellelements 8 verläuft und die Längsachse des Ausgleichselements 10 bilden. Zur Übertragung der Prüfkraft und der Stellbewegungen des Ankers 4, 5 sind die Ausgleichselemente 10 einer­ seits mit einem Anker 4 bzw. 5 und andererseits mit einem Einspann­ kopf 6 bzw. 7 verbunden, wobei die Ausgleichselemente 10 parallel zur Längsachse E des dazugehörigen Einspannkopfes angeordnet, in den Ecken eines gedachten, gleichseitigen, senkrecht zur Längsachse E des Einspannkopfes 6 bzw. 7 erstreckenden Dreiecks (s. Fig. 3) mit dem Einspannkopf 6 bzw. 7 verschraubt sind und der Dreiecksmittelpunkt M auf der Längsachse des Einspannkopfes 6 bzw. 7 liegt. Die Druckvor­ spannung der als piezoelektrische Translatoren ausgebildeten Linear­ stellelemente 8 erfolgt durch Einspannung zwischen Kraftmeßsensor 9 und Anker 4 bzw. 5 mittels elastischer Dehnverschraubungen 16.

Die Fig. 4 und 5 zeigen ein zweites Beispiel zur Anordnung und Ausbildung der Linearstellelemente 8 und Kraftmeßsensoren 9 zwischen den Ankern 4 und 5 und den Einspannköpfen 6 bzw. 7. Als Träger der Linearstellelemente 8 und Kraftmeßsensoren 9 und als prüfkraftüber­ tragendes Glied zwischen den Ankern 4 und 5 und den Linearstell­ elementen 8 dient ein dreiarmiger Kraftmeßbügel 11, dessen Arme 12 sternförmig im Winkel von 120° zueinander, in einer senkrecht zur Ankerverstellrichtung A erstreckenden Ebene angeordnet und im Zentrum 13 des Kraftmeßbügels 11 miteinander verbunden sind. Die Enden der Arme 12 sind mit jeweils einem Linearstellelement 8 verschraubt, wobei die Verstellachse V der Linearstellelemente 8 die Ebene des Kraftmeßbügels 11 im wesentlichen senkrecht durchdringt. Bei einer Längsverstellung der Linearstellelemente 8 zum Biegemomentenausgleich können sich geringfügige Schiefstellungen der der Linearstellelemente 8 gegenüber der Ebene des Kraftmeßbügels 11 ergeben. Dem Kraftmeßbü­ gel 11 gegenüberliegend, sind die Linearstellelemente 8 mit dem Ein­ spannkopf 6 bzw. 7 verschraubt. Die Verstellachse V der Linearstell­ elemente 8 verlaufen dabei parallel zur Längsachse E des Ein­ spannkopfes 6 bzw. 7. Die Arme 12 sind in einem, zwischen Zentrum 13 und den die Linearstellelemente 8 tragenden Enden erstreckenden Be­ reich, in Verstellrichtung der Linearstellelemente 8 biegeelastisch ausgeführt. Diese Bereiche sind jeweils mit Dehnmeßstreifen 14 be­ stückt und dienen somit als Kraftmeßsensor 9.

Die Kompensation des Biegemoments wird vorgenommen indem die Aus­ gleichselemente 8 und 9 derart in Längsrichtung ein- bzw. ausgefahren werden, bis jedes Ausgleichselement 10 mit gleicher Zug- bzw. Druck­ kraft beansprucht wird. Die Addition der Kräfte der drei Ausgleichs­ elemente 10 eines Einspannkopfes 6 bzw. 7 ergibt die Prüfkraft. Bei einer Anordnung der Ausgleichselemente 10 auf einem nicht gleich­ seitigen Dreieck, sind zum Biegemomentenausgleich die durch die Aus­ gleichselemente 10 zu übertragenden Kräfte entsprechend der geometrischen Beziehungen der Ausgleichselemente 10 und der Ein­ spannköpfe 6 und 7 zueinander zu bestimmen.

Die Längsverstellung, das Ein- und Ausfahren der Ausgleichselemente 10 wird jeweils von einem Linearstellelement 9 ausgeführt und die Messung der von den Ausgleichselementen 10 zu übertragenden Kraft erfolgt durch die Kraftmeßsensoren 9.

Zur Steuerung der Linearstellelemente 8 zwecks automatischer Biege­ momentkompensation sind die Linearstellelemente 8 jeweils eines Ein­ spannkopfes 6 bzw. 7 an einen Regler mit geschlossenem dreifachen Regelkreis angeschlossen. Die erforderliche Stellgröße wird im Regler aus den auftretenden Kräftedifferenzen der drei Kraftmeßsensoren 9 eines Einspannkopfes, welche ein Maß für das Biegemoment sind, bestimmt.

Eine den Prüfkörper umgebende Heizeinrichtung 15 dient zur Prüfung des Prüfkörpers 3 bei unterschiedlichen Temperaturen.

Claims (13)

1. Werkstoffprüfvorrichtung für Zug- oder Druckversuche von Prüf­ körpern mit Biegemomentenausgleich im Prüfkörper, wobei der Prüf­ körper im wesentlichen in Prüfkraftrichtung P ausgerichtet, zwischen zwei gegenüberliegende Probeeinspannköpfe einspannbar ist und die Probeeinspannköpfe jeweils mit einem Zug- bzw. Druck­ kraft erzeugenden Anker verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Linearstellelemente (8) in einer im wesentlichen senk­ recht zur Prüfkraftrichtung P stehenden Ebene jeweils zwischen Probeneinspannkopf (6, 7) und Anker (4 bzw. 5) prüfkraftübertragend angeordnet sind, wobei sich die Linearstellelemente (8) bezüglich ihrer Verstellrichtung V parallel zur Längsachse E der Probeein­ spannköpfe (6 bzw. 7) erstrecken, und jeweils einem Linearstellele­ ment (8) ein Kraftmeßsensor (9) zugeordnet ist, und die Kraft­ meßsensoren (9) an einen Regler zur kraftabgleichenden Steuerung der Linearstellelemente (8) angeschlossen sind.

2. Werkstoffprüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Linearstellelement (8) in der Ecke eines gedach­ ten, in der Ebene liegenden Dreiecks angeordnet ist.

3. Werkstoffprüfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das gedachte Dreieck gleichseitig ist und der Dreiecksmittelpunkt M auf der Längsachse E des Probeein­ spannkopfes (6, 7) liegt.

4. Werkstoffprüfvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß je Probeneinspannkopf (6, 7) ein Linearstellele­ ment (8) als Verbindungselement konstanter Länge ausgeführt ist.

5. Werkstoffprüfvorrichtung nach einem der vorhergehendne Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker (4, 5) oder Probeein­ spannköpfe (6, 7) jeweils mit dem Zentrum (13) eines dreiarmigen Kraftmeßbügels (11) prüfkraftübertragend verbunden sind und die Linearstellelemente (8) jeweils an den Enden der speichenförmig nach außen sich erstreckende Arme (12) befestigt sind, wobei die Arme (12) jeweils zwischen Zentrum (13) und Linearstellelement (8) als Kraftmeßsensor (9) ausgebildet sind und die Linearstellel­ emente (8) mit dem Probeeinspannkopf (6, 7) bzw. Anker (4, 5) ver­ bunden sind.

6. Werkstoffprüfvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßsensoren (9) von an den Armen (12) angebrachten Dehnmeßstreifen (14) gebildet werden, wobei die Dehnmeßstreifen (14) an eine Kraftauswerteschaltung angeschlossen sind.

7. Werkstoffprüfvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (12) im Bereich der Dehnmeßstreifen (14) in Prüf­ kraftrichtung P biegeelastisch ausgeführt sind.

8. Werkstoffprüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Linearstellelement (8) bezüglich seiner Verstellrichtung V koaxial zur Kraftmeßrichtung K des Kraftmeßsensors (9) angeordnet ist und Linearstellelement (8) und Kraftmeßsensor (9) miteinander kraftübertragend verbunden sind.

9. Werkstoffprüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearstellelemente (8) piezo­ elektrische Translatoren sind.

10. Werkstoffprüfvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Translatoren in Verstellrichtung V druckvorgespannt sind.

11. Verfahren zum Betreiben einer Werkstoffprüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Diffe­ renzen der mit den Kraftmeßsensoren (9) jeweils eines Probeein­ spannkopfes gemessenen Zug- oder Druckkräfte durch Längsverstel­ lung der Linearstellelemente (8) ausgeglichen werden.

12. Werkstoffprüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßsensoren (9) zumindest eines Probeeinspannkopfes (6, 7) an eine Einrichtung zur Erkennung von Rissen im Prüfkörper angeschlossen sind.

13. Werkstoffprüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper von einer Heiz- oder Kühleinrichtung (15) umge­ ben ist und die Linearstellelemente (8) und Kraftmeßsensoren (9) außerhalb dieser Einrichtung (15) angeordnet sind.