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Verfahren zum Prüfen von Tiefziehwerkstoffen aus Metall, insonderheit
aus Stahl
Metallische Gegenstände werden bekanntlich in ständig wachsendem Umfange
und bei stets sich vergrößernden Ansprüchen an den Werkstoff durch Tiefziehen und
ähnliche Fertigungsverfahren aus Blechen oder Bändern hergestellt.
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Zu diesem Zweck müssen die Werkstoffe sorgfältig auf ihre Tiefzieheigenschaften
geprüft werden. Die hierzu verwendeten Prüfungsverfahren sind nicht immer ausreichend.
So fand man z. B. bei Prüfungen nach dem am meisten angewendeten Erichsen- oder
nach ähnlichen Verfahren vielfach, daß ein Werkstoff auf Grund dieser Prüfungen
gute Eigenschaften aufwies, im praktischen Betrieb aber trotzdem versagte, während
andererseits ein Werkstoff, dessen Eignung nach den Prüfergebnissen zweifelhaft
erscheinen mußte, sich für die praktische Fertigung als bestens geeignet erwies.
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Auch Prüfungen der Werkstoffe auf Festigkeit, Streckgrenze und Dehnung
ergaben trotz der größeren Genauigkeit gegenüber den geschilderten Verfahren ähnliche,
sich widersprechende Ergebnisse.
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Aus dieser Erkenntnis heraus wurden Prüfverfahren entwickelt, die
wesentlich dadurch, daß sie den in Frage stehenden praktisch-betrieblichen Ansprüchen
an die Werkstoffe näherzukommen beabsichtigten, über Eignung oder Nichteignung rechtzeitige
und sichere Urteile ermöglichen sollen.
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Die heute als zuverlässig geltende Prüfung ist die sog. Keilzugprüfung.
Sie beruht auf der
Erkenntnis, -daß eine maßgebliche Eigenschaft
eines Werkstoffes für die fraglichen Zwecke seine möglichst geringe Verhärtungsfähiglkeit
durch Kal't-' bearbeitungen,- u. a. durch Tiefziehen u. dgl., ist und daß .die Ergebnisse
von Tiefziehprüfungen nach E rii ch sen u. dgl. hierüber ebensowenig aussagen wie
Prüfungen auf Festigkeit, Streckgrenze und Dehnung, zumal diese Prüfungen nichts
anderes darstellen als eine vergröberte und kombinierte Festigkeits- und Dehnungsermittlung.
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Das Keilzugprüfverfahren hat aber den Nachteil einer außerordentlichen
Umständlichkeit und, da es schließlich wiederum auf Prüfungen nach dem Erichsen-
od. dgl. Verfahren beruht, großer Unsicherheiten. Aus einer Einheit des zu prüfenden
Werkstoffes müssen stets zwei Prüfstücke entnommen werden, die eine ganz bestimmte,
je nach Werkstoffart verschiedene, keilförmige Form erhalten und vor allem an den
Kanten sorgfältig bearbeitet werden müssen, um ein Fehlgehen der Proben durch Reißen
u.ldgl., das sich trotzdem noch häufig einstellt, zu vermeilden. Auf dem keilförmigen
Teil jeder Probe müssen durch Strichmarkierungen mehrere Felder eingeteilt werden,
z. B. bei Prüfungen von Weichstahl sieben Felder von je 12 mm Breite. Die Proben
werden dann z. B. auf Zerreißmaschinen mit Hilfe des Keilzuggerätes gezogen, das
je nach Werkstoff eine andere Form haben muß. Es wird nunmehr ausgemessen, um wieviel-Millimeter
sich /die abgeteilten einzelnen Felder verlängert haben, wonach die verschiedenen
Verlängerungen in Prozenten des Anfangswertes errec'hnet werden müssen, steigern
sich bei einem Anfangswert von I2 uns der abgeteilten Felder die Prozentsätze vom
unteren zum oberen Feld, sie betragen beispielsweise I0, 2I, 32, 42, 53 und 63 O/o.
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Inden Feldern z. B. I, 3 und 5 jeweils des einen und den Feldern
2, 4 und 6 jeweils Ides anderen Probestabes wenden nunmehr Eindrücke mit Hilfe des
Erichsen- oder eines ähnlichen Apparates und eines anomal kleinen Werkzeuges, z.
B. beim Erichsenapparat mit dessen Sonderwerkzeug I, wegen des sehr geringen zur
Verfügung stehenden Raumes für diese Tiefungsprüfungen angebracht.
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Den verschiedenen Verlängerungen der Felder nach dem Keilziehen entsprechend
werden verschiedene, mit steigender Verlängerung, zdie nur ein Ausdruck für stärkere
Kaltverformung ist, abnehmende Tiefungswerte, li.B. sechs Werte mit 6,2, 5,7, 5,3,
4,9, 4,6 und 4,o mm Tiefung, gefunden und aufgezeichnet. Daneben hat man einen hier
mit A bezeichneten sog. Anfangstiefungswert nach Erichsen- oder ähnlichen Verfahren
und mit Hilfe desselben Sonderwerkzeuges entweder an einem möglichst ildentischen
Prüfstück oder am freien Ende' ruder Keilzugprobe ermittelt, doch erscheint die
-letztgenannte Art der Ermittlung als bedenklich, da das Ende der Keilzugprobe meist
das Ergebnis ,beeinträchtigende Zangenbisse hat. Das Ergebnis der z. B. sechs Tiefungsprüfungen
an den stets--zwei Probestäben muß nunmehr als Diagramm aufgezeichnet und'aus ihm
durch Interpolation der sog. Resttiefungswert, ,der hier als' B bezeichnet wind,
für eine ,bestimmte Verlängerung, im Beispielsfalle 6o 0/o, ermittelt werden. Der
Wert B ergebe sich im Beispielsfalle zu 5,9 mm. Der obengenannte Wert A habe sich
im Beispielsfalle zu II mm ergeben. In einer letzten Rechnung wird dann der Wert
B in Prozenten des Wertes A ausgedrückt. Es ergibt sich z.B. zu rund 53 0/o. Im
Einzelfall oder allgemeiner für eine bestimmte Werkstoffgüte ist aus Erfahrung bekannt,
daß ein Werkstoff sich für eine (bestimmte Verarbeitung eignet, wenn der Wert B
z. B. mindestens 50 0in des Wertes von A beträgt, was im Beispielsfall also der
Fall wäre.
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Neben dem ersichtlichen Nachteil einer außerordentlichen Umständlichkeit
hat aber das Verfahren den weiteren Mangel ungenügender Genauigkeit und Sicherheit.
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Es ist bekannt, daß sich das Erichsen- und ähnliche Prüfverfahren
wesentlich nur für die Prüfung weicher, nicht wesentlich kaltverfestigter Werkstoffe
eignen. Erfahrungsgemäß liefern diese Verfahren aber bei Prüfungen von Werkstoffen,
die stärkere Kaltverfestigungen aufweisen, außerordentlich stark streuende Werte,
die als Prüfergebnisse nur sehr wenig Ibrauchbar sind. Das gilt in verstärktem Maße
Idann, wenn nicht die Normalwerkzeuge, sondern die kleinen Sonderwerkzeuge angewendet
werden, oder, wie beim Keilzugverfahren, angewendet werden müssen. Aber selbst bei
weichen Werkstoffen und Anwendung der Normalwerkzeuge ergeben sich vielfach völlig
außerhalb jeder Norm liegende Werte, für die eine jeweilige Begründung schwer erfindlich
ist. Sie werden wahrscheinlich durch geringste Unterschiede verursacht, die beim
Einspannen und Festhalten der Probe erfolgen und/oder hinsichtlich der notwendigen
Schmierung und/oder hinsichtlich der Otberflächenbeschaffenheit der Proben bestehen.
Einige wenige Tiefungswerte können also über die Werkstoffeigenschaft meist nichts
aussagen; (die Prüfungen haben vielmehr, vor allem bei kaltverfestigten Werkstoffen,
nur dann Wert, wenn eine Vielzahl von Prüfungen vorliegt. Eine solche Vielzahl ist
aber wegen der Umständlichkeit des Keilzugverfahrens praktisch nicht zu erhalten.
Die an nur wenigen Keilzugproben gefundenen Werte können angesichts der festgestellten
Unsicherheit nicht als sichere Ergebnisse gelten. Es kommt noch hinzu, daß die kleinen
Werkzeuge, die bei der Keilzugprobe verwandt werden müssen, vor allem bei stärkeren,
über etwa I,5 mm Idicken Prüfstücken sehr oft ein völliges Fehlgeben der Prüfungen
verursachen, weil der zu erzeugende Bruchriß nicht im Grunde des Eindruckes, sondern
an dessen oberem Rande entsteht. Werkstoffe aber, die über etwa 2,5 bis 3 mm dick
sind, entziehen sich einer Prüfung mit Hilfe der fraglichen kleinen Werkzeuge und
damit Ider Keilzugprüfung ganz. Gegen die P'rüfung der Keilzugstäbe nach Erichsen-
oder einem ähnlichen Verfahren sprechen aber weitere erhebliche Bedenken.
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Wenn schon ganz allgemein gilt, daß die fraglichen Verfahren sich
nicht für stärker kaltver-
festigte Werkstoffe eignen, so gilt dies
insbesondere im vorliegenden Fall aus-folgendem Grunde: Die Eindrücke erfolgen beim
Keilzugverfahren in Feldern, die keineswegs eine einheitliche, sondern auch innerhalb
dieser Felder zu- bzw. abnehmende Verlängerung und damit Kaltverfestigung haben.
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Es ist nun praktisch unmöglich, die Eindrücke durchaus genau in die
Mitte der Felder zu bringen.
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Mit einem nur geringsten Einseitigsetzen aber nach der einen oder
anderen Seite müssen sich geringere oder größere Tiefungswerte ergeben.
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Schließlich bestehen erhebliche Bedenken gegen die Wahl des wie beschrieben
zu ermittelnden Wertes A. Wenn es auch richtig ist, daß der Wert A, wie oben angeführt,
allein keine vollgültige Angabe über Idas Verhalten des Werkstoffes liefert und
z. B. ein aus einer Großzahl von Prüfungen ermittelter Mittelwert, der unter einer
gewissen Norm liegt, nicht besagen kann, daß der Werkstoff ungeeignet ist, so gilt
andererseits doch, daß eine solche Unbrauchbarkeit dann als sicher angenommen werden
kann, wenn ein solcher Wert sehr erheblich unter einem gewissen Erfahrungswerte
liegt. Der Prozentwert B von A ist aber um so höher, je niedriger wider Wert A ist.
Es ist, zumal bei meist vorliegenden Grenzfällen, daher möglich, daß der Prozentwert
gerade einen noch verlangten Mindestwert nur deshalb ergibt, weil der Wert A bereits
anomal niedrig liegt, womit dann eine Brauchbarkeit, die ein Fachmann bereits angesichts
der Lage des Wertes A mit Recht bezweifeln würde, bestätigt werden würde, die nicht
vorhanden ist.
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Es erscheint daher in jedem Fall richtiger, den Wert A nicht, wie
geschildert, zu ermitteln, sondern jenen jeweiligen Wert einzusetzen, der aus bekannten
Erfährungswertaufzeichnungen für einen bestimmten Werkstoff und eine bestimmte Stärke
als guter Mittelwert bekannt ist, zumal für eine große Anzahl von Werkstoffen, wesentlich
allerdings nur für die Normalwerkzeuge fragl-icher Geräte, Kurvenzüge od. <dgl.,
denen diese Werte entnommen werden können, vorhanden sind. Daneben kann selbstverständlich
eine Tiefungsprüfung des Werkstoffes in der bekannten Art ohne weiteres vorgenommen
werden, um Ergebnissen der Keilzugprüfung und bekannten Erfahrungswerten gegenübergestellt
zu werden.
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Das im folgenden vorgeschlagene, sehr einfache und auch in größtem
Umfange durchführbare Verfahren vermeidet die fdargelegten außerordentlichen Umständlichkeiten
und die geschilderten Fehlermöglichkeiten und Mängel.
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Von jeder Einheit eines zu prüfenden Werkstoffes wird ein Probestück
entnommen, das für die Anfertigung von zwei gewöhnlichen Zerreißproben ausreichend
ist. Das Probestück wird in zwei Hälften geteilt. Die eine Hälfte wird zur Feststellung
von Festigkeit, Streckgrenze und Dehnung in bekannter"durchaus zuverlässiger Weise
benutzt. Diese Werte werden hier als AI (Festigkeit), A2 (Streckgrenze) und A3 (Dehnung)
bezeichnet.
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Die andere Hälfte wird mit leicht genau einstellbarer, bestimmter
Verlängerung, z. B. mit 6o 0/o, auf die Ider Verlängerung entsprechende, dünnere
Stärke kaltgewalzt. Die Genauigkeit derAbwalzung kann sowohl durch Stärkenmessung
vor und nach dem Walzen wie auch durch genaue Messung der Verlängerung vorgenommen
und gewährleistet werden.
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Das abgewalzte Probestück wird nunmehr auf Festigkeit, Streckgrenze
und Dehnung geprüft, wobei hier als BI, B2 und B 3 bezeichnete Werte gefunden werden.
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Nunmehr werden die Werte A 1 und B I, A2 und B2 und A 3 und B 3 gegenübergestellt
und in Prozentverhältnissen ausgedrückt. Es ergibt sich hieraus, vor allem aber
aus dem Verhältnis A3 zu B3, ein durchaus sicherer Beurteilungsmaßstab für die Verhärtungsfähigkeit
eines Werkstoffes und damit seine Eignung für die fraglichen Zwecke. Für einen bestimmten
Werkstoff und eine bestimmte Verarbeitungsart kann aus Erfahrungswerten sehr schnell
ermittelt werden, welches Maximalverhältnis die Werte A 1 zu B I, A2 zu B2 und welches
Minimalverhältnis die Werte A 3 zu B3 haben dürfen, um eine Eignung zu gewährleisten.
Im allgemeinen kann man sich auf die Feststellung des Dehnungsverhältnisses A 3
zu B 3 beschränken, da dieses Verhältnis die Verhärtungsfähigkeit und Verarbeitungsmöglichkeit
gleichartiger Werkstoffe in erster Linie bestimimt.
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Man wird sogar nach Vorliegen einiger Erfahrungswerte meist ganz
auf die Errechnung der Prozentverhältnisse verzichten können, um auf Grund solcher
Erfahrungswerte nur die Werte B 1, B2 und B 3 zur Beurteilung heranzuziehen, wenn
z. B. bekannt ist, daß in einem Beispielsfall B 1 nicht über 55 kg, B 2 nicht über
6o kg, B 3 nicht unter 6°/o liegen darf.
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Es ist ferner, falls dies irgendwie erwünscht sein sollte, ohne weiteres
möglich, die Werte B I bis B3 nicht nur für einen bestimmten Grad derVerlängerung,
im obigen Beispielsfall 6o 0/o, zu ermitteln, sondern für jeden Grad der Verlängerung
von o bis zu einem Maximum, z. B. für die Verlängerungen I0, 20, 30, 40, 50, do,
70, 80 und 90°/o. In diesem Fall wird eine entsprechende Zahl von Abschnitten mit
z. B. iden genannten Prozentgraden Verlängerung kaltgewalzt, um dann in Zerreißversuchen
geprüft zu werden. Aus den sich ergebenden Werten undloder deren Prozentverhältnis
zu Werten AI, A2, A3 lassen sich ,dann in Aibhängigkeit von den Verlängerungsgraden
Verhärtungskurven des Werkstoffes aufzeichnen, aus denen u. a. ein bestimmte,r Verlängerungsgrad
sich als der für bestimmte Prüfungen günstigste entnehmen läßt, um bei weiteren
Prüfungen allein angewandt zu werden.
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Das Verfahren sei an, einem Beispiel erläutert: Zu prüfen sei ein
kaltgewalztes Tiefziehweichstahlblech der Stärke 2 mm. Die Werte A I A2 und A3 werden
mit 22 kg, 32 kg und 300/0 gefunden. Die zweite Hälfte des entnommenen Abschnittes
wird von 2 mm mit 250/0 Verlängerung bei genauer Messung der Verlängerung und wider
Stärke, die auf
I,6 mm gebracht werden muß, gewalzt Der dann .angestellte
Zerreißversuch ergibt 48 kg Streckgrenze, 54 kg Festigkeit und I0°/e Dehnung.
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Es ist in diesem Fall durch Erfahrung bekannt, daß Ider Werkstoff
nur dann geeignet ist, wenn die Streckgrenze nach Kaltverfestigung mit 25 °/o Verlängerung
max. 55 kg, die Festigkeit max. 60 kg, die Dehnung minimal 60/o beträgt. Der nach
obigem Beispiel geprüfte Werkstoff muß also den Ansprüchen der Weiterverarbeitung
genügen.
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Das Verfahren gestattet aber auch Tiefungsprüfungen nach Erichsen-
oder ähnlichen Verfahren auf folgende Weise: Die eine Hälfte des entnommenen Prüfstückes
wird mit den Normalwerkzeugen oder, falls es sich um z. B. sehr dicke BleChe von
bis zu 8 mm Stärke handelt, den hierfür zu verwendenden großen Zusatzwerkzeugen
auf Tiefung geprüft. Diese Prüfung liefert den hier als ATz bezeichneten Wert.
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Wie oben geschildert, wird die zweite Prüfstückhälfte mit einem bestimmten
Prozentsatz Verlängerung gewalzt. Das abgewalzte Prüfstück wird nunmehr, wie vor
für die erste Hälfte geschildert, auf Tiefung untersucht. Sie liefert den Wert BTz.
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Der Wert BTz gilt aber infolge der Abhängigkeit der Tiefungswerte
von der Blechstärke für eine andere Stärke als der Wert ATz; Es ist jedoch nach
Vorliegen gewisser Erfahrungswerte durchaus ausreichend, den Wert BTz allein zur
Beurteilung heranzuziehen, sofern gewisse Mindestwerte für diese BTz-Werte aus schnell
festlegbaren Erfahrungswerten bekannt sind. Soll aber der Wert BTz zu Tiefungswerten
für den nicht kaltverfestigten Werkstoff in Beziehung gesetzt werden, so kann dies
wie folgt geschehen: Es sind, wie oben gesagt, zumal für die Normalwerkzeuge der
fraglichen Geräte, Erfahrungswerte für zahlreiche Werkstoffgüten bekannt. Es ist
also z. B. ein Wert für die Stärke des abgewalzten Probestückes im nichtkaltverfestigten
Zustand diesen Aufzeichnungen ohne weiteres entnehmbar. Es wird dann dieser hier
als Hilfswert ATzH bezeichnete Wert herangezogen und der Wert BTz zu ihm in Prozentbeziehung
gesetzt. Der Wert ATz wird in diesem Fall nur zu einem stets erwünschten Vergleich
mit dem Wert, der aus den erwähnten Erfahrungsaufzeichnungen sich ergibt, benutzt.
Der Wert ATz kann aber auch zu einer vielleicht erwünschten Berichtigung des ATzH-Wertes
durch eine Interpolationsrechnung verwerten werden. Auch dieses Verfahren sei an
einem Beispiel erläutert: Zu prüfen sei ebenfalls ein kaltgewalztes Tiefziehweichstahlblech
von 2 mm Stärke. Mit der einen Probeabschnitthälfte wird durch Prüfung mit dem z.
B. Enchsengerät und Normalwerkzeug eine Tiefung von I2,73 mm als Wert ATz und hierzu
gleichzeitig aus beinnten Erfahrungswertaufzeichnungen ein Mindestwert von 12,61
mm festgestellt. Der Wert 12,71 mm liegt also rund 1 0/<> über dem Erfahrungsmindestwerte.
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Die zweite Probehälfte wird mit genauer Verlängerungs- und Stärkemessung
mit 25 0/o Verlångerung~auf I,6 mm gewalzt.- Der Probeabschnitt wird nunmehr mit
dem Erichsengerät und Normalwerkzeug geprüft. Es wird ein Tiefungswert von 8,45
mm gefunden. Aus den mehrfach erwähnten Erfahrungswertaufzeichnungen ist bekannt,
daß ein Blech fraglicher Güte in der Stärke von I,60 mm 12,08 mm Tiefung als Mindestwert
haben muß.
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Dieser Wert ATzH wird zu dem Wert BTz in Proienbbeziehung gesetzt;
es ergibt sich ein Prozentresttiefungswert von 700/0, der auf Grund von Erfahrungsaufzeichnungen
nun in einem bestimmten Fall nicht anders wie beim Keilzugverfahren Eignung oder
Nichteignung angibt. Da der Wert ATz um I O/o über dem Erfahrungswert liegt, kann
gegebenenfalls eine Berichtigung des Wertes ATzH in der Weise erfolgen, daß der
Wert nicht mit I2,08 mm, sondern mit I2,08 mm I +10/0 = 12,2 mm in Idie Rechnung
eingesetzt wird. Soweit dies mit Rücksicht auf die Prüfstückstärken überhaupt möglich
ist, können etwaige Prüfungen selbstverständlich auch mit den erwähnten kleinen,
beim Keilzugverfahren allein verwendbaren Sonderwerkzeugen geschehen, z. B. um mit
Ergebnissen von Keilzugproben vergleichbare Werte zu erhalten.
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Umfangreiche Versuche haben ergeben, daß die nach diesem Verfahren
sich ergebenden Werte eindeutige und scharf abgegrenzte Beurteilungen über die Eignung
ider Werkstoffe für Idie in Frage stehenden Zwecke liefern. So konnte z. B. bei
hinsichtlich Kaltwalzungen und Glühungen ganz gleich behandelten, gleich starken
Blechen aus einerseits SM-Sonderweicheisen für Tiefziehzwecke und andererseits handelsüblichem
Th-Weicheisen mit Hilfe sowohl des zuerst beschriebenen Verfahrens einer Prüfung
durch Zerreißen wie nach dem später beschriebenen Verfahren einer Prüfung durch
Erichsentiefziehgerät festgestellt werden, daß das Th-Weicheisen unzuverlässig stark
und sehr viel mehr verhärtet wie das SM-Sonderweicheisen, um also für hohe Tiefziehbeanspruchungen
auszuscheiden, obwohl die einfache Prüfung der Bleche nach Erichsen im Zustande,
in dem sie zur Ablieferung kommen sollten, für beide Sorten, sowohl mit Normal-
wie mit SonderwerkzeugenI, durchaus gleiche Werte der Tiefungen ergab, die über
den Erfahrungswerten sagen.
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Da die Fertigung einer größeren Zahl von Proben für dieses Verfahren
keinerlei ungewöhnliche Schwierigkeiten macht, kann eine Prüfung auch mit Tiefzuggeräten
erfolgen, um angesichts der oben geschilderten Unsicherheiten durch Mittelwertbildungen
aus einer größeren Zahl von Prüfungen zu einem sicheren Urteil zu kommen, zumal
alle Prüfungen mit den Normalwerkzeugen vorgenommen werden können. Stehen nur eine
geringe Zahl von Proben zur Verfügung und/oder werden sehr genaue Ergebnisse verlangt,
so ist die beschriebene Prüfung durch Zerreißen zuverlässiger.
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Da die in Frage kommenden Werkstoffprüfungen nahezu ausnahmslos bei
den Erzeugern der Werkstoffe vorgenommen werden, hier auch etwaige amtliche Abnahmen
u. dgl. erfolgen, bei diesen Erzeugern aber alle für dieses Verfahren notwendigen
Einrichtungen, vor allem die für das Walzen der
Prüfstücke, stets
und ohne weiteres vorhanden sind, und da das Walzen der Prüfstücke selbst in einer
sehr großen Zahl nur ein Mindestmaß von Arbeit und Zeit erfordert, kann das vorgeschlagene
Verfahren die äußerst umständliche und unsichereKeilzugprüfung vollkommen und vollgültig
ersetzen, um Prüfungen großen Umfanges sogar erst zu ermöglichen.
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PAvENvANspnUcn: Verfahren zur Prüfung von Werkstoffen, vorzugsweise
aus Metallen und in Form von Blechen, auf Eignung zur Kaltweiterverarbeitung, insonderheit
für Tiefziehzwecke, dadurch gekennzeichnet, daß Abschnitte der zu prüfenden Werkstoffe
mit bestimmten Querschnittsabnahmen, die bestimmten Verlängerungen entsprechen,
kaltverfestigt, z. B. kaltgewalzt, und nunmehr Zerreiß- und/oder Tiefungsprüfungen
bekannter Art unterworfen werden, deren Ergebnisse für eine Beurteilung der Eignung
der Werkstoffe Idurch Vergleich mit Erfahrungsmindest- oder -maximalwerten unmittelbar
benutzt oder als Werte B zu Werten A in Beziehung gesetzt werden, die für den nicht
kaltverfestigten Zustand durch Versuch oder aus Erfahrungswertaufzeichnungen ermittelt
werden.