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Dokumentenidentifikation DE3605154A1 20.08.1987
Titel Materialprüfvorrichtung
Anmelder MTU Motoren- und Turbinen-Union München GmbH, 8000 München, DE
Erfinder Radziwill, Eberhard, 5100 Aachen, DE
DE-Anmeldedatum 18.02.1986
DE-Aktenzeichen 3605154
Offenlegungstag 20.08.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.08.1987
IPC-Hauptklasse G01N 3/02
IPC-Nebenklasse G01N 3/62   G01N 19/00   G01N 25/00   G01N 17/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Materialprüfvorrichtung gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs und dient der Anwendung bei der Untersuchung von metallischen oder keramischen Werkstoffen oder Werkstücken. Besonders eignet sich die Erfindung für die Endkontrolle von Teilen im Maschinenbau, die aus einer Fertigung kommen, wobei diese Teile in Maschinen eingesetzt werden sollen, in denen sie einer hohen Beanspruchung, insbesondere einer hohen Dauerbeanspruchung ausgesetzt sind wie Strömungsmaschinen. Materialprüfvorrichtungen werden sowohl für einzelne Prüfungen als auch als Universalprüfmaschinen geliefert, um vorbereitete Proben entweder für eine bestimmte Zeitdauer (auf Zeitstandsanlage) oder als statistische Lebensdauerprüfanlage zu untersuchen, d.h., bis zur Zerstörung des Probestücks wie Bruch, Riß o. ä. Bevorzugt werden jedoch Zeit- oder Dehnungsversuche, sogenannte Kriechversuche nach DIN 50 118 oder in ähnlicher oder abgewandelter Form.

Übliche Prüfvorrichtungen weisen in einem Sockel eine motorisch angetriebene Spindel auf, die mit der Dehnungsmeßeinrichtung starr verbunden ist. Dabei ist die Probe in einem Ofen befindlich, der seinerseits in einem Gestell angeordnet ist, mit wenigstens zwei Säulen und wenigstens einer Traverse derart, daß der Probenhalter an einem zweiseitigen Hebel aufgehängt ist, an dessen der Probe abgekehrtem Ende ein Belastungsgewicht eingehängt ist.

Wegen der Wärmedehnung bei Aufheizen bzw. Kontraktion bei Abkühlung muß bei Versuchsanfang bzw. Versuchsende Bedienungspersonal anwesend sein, um die Anlage ein- bzw. abzuschalten, insbesondere den Ofen und/oder den Antrieb anbzw. abzukoppeln.

Hierdurch wird die Verwendung bekannter Vorrichtungen auf vorgegebene Zeiten (Arbeitszeiten) begrenzt. Erfolgt ausnahmsweise keine rechtzeitige Überwachung, z.B. am Versuchsende, so besteht die Gefahr einer Zerstörung von Maschinenteilen bzw. Teilen der Meßeinrichtung und die der Probe.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Materialprüfvorrichtung der in Rede stehenden Art zu schaffen, bei der nicht nur eine Sicherheitsabschaltung der Heizung für die Probe (Ofen) vorgesehen ist, sondern auch eine automatische Aufzeichnung und Speicherung der Meßergebnisse, wobei das Auskuppeln oder manuelle Stillsetzen des Antriebs am Versuchsende nicht mehr erforderlich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Hauptanspruch aufgeführten Merkmale. Weitere Merkmale sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen.

Der wesentlichste Vorteil, der mit der Erfindung erreicht wird, ist darin zu sehen, daß die Prüfvorrichtung rund um die Uhr gefahrlos betrieben werden kann. Auch dehnungsund zeitgesteuerte Versuche, d.h. Versuche über eine vorbestimmte Dauer, lassen sich nunmehr gefahrlos durchführen. Nach Beendigung der Sollzeit fährt dann die Antriebsspindel in Entlastungsrichtung, schaltet mittels Endschalter ab nach dem tatsächlichen Entlasten der Probe und Ofen und Zeitwerk sind abgeschaltet, ebenso der Antrieb, der erneut weiterfährt, bis genügend Weg für die Kontraktion der Probe und des Meßaufbaus vorhanden ist. Bei Versuchen, die mit einer (vorzeitigen) Zerstörung der Probe enden, ist sichergestellt, daß der Endschalter ebenfalls tatsächlich betätigt wird und die oben genannten Abschaltungen erfolgen. Eine Gefahr der Zerstörung oder Beschädigung von Maschinenteilen oder Teilen der Meßeinrichtung besteht nicht mehr. Eine Zerstörung soll jedoch nur ausnahmsweise erfolgen. In der Regel soll auf der Vorrichtung eine zerstörungsfreie Materialprüfung durchgeführt werden.

Bei der Erfindung ist weiterhin vorteilhaft eine Bewegungsdämpfungseinrichtung für den mit der Probe verbundenen Kolben, der in einen Zylinder hineinbewegbar ist und somit verhindert, daß teure Quarzglasstäbe einer Dehnungsmeßeinrichtung wie inkrementale Linearmeßsysteme einem Bruch ausgeliefert sind.

Weitere Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen, das den besten Weg zur gewerblichen Anwendung der Erfindung aufzeigt.

Zur Erfindung gehören ausdrücklich alle Kombinationen und Unterkombinationen der beanspruchten, beschriebenen und dargestellten Merkmale sowohl untereinander als auch mit an sich bekannten Merkmalen.

Die Zeichnungen zeigen das Ausführungsbeispiel der Erfindung rein schematisch in:

Fig. 1 eine Vorderansicht der Materialprüfvorrichtung,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Materialprüfeinrichtung,

Fig. 3a), b) und c) Hysterese-Schalt- und Dämpfungsvorrichtung mit dem Zylinder, in den der Kolben sich hineinbewegt sowie den Endschalter mit seinem in verschiedenen Positionen verharrenden Betätigungselement,

Fig. 3d) Schnittbild zu 3a)-3c),

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild der Hysterese- Schalt- und Dämpfungsvorrichtung.

Wie Fig. 1 zeigt, weist die Materialprüfvorrichtung einen Maschinensockel 1 mit dem Antrieb z.B. einer Spindel 2 oder ähnliche Bewegungseinrichtung, eine Dehnungsausgleichsvorrichtung (Hysterese-Schalt- und Dämpfungsvorrichtung) 3 auf. Die Meßvorrichtung mit Meßaufnehmer ist mit 4 bezeichnet und der Ofen, der die Probe umgibt, mit 5. Alle diese Teile sind zwischen zwei Säulen 6 des Gestells 7 mit wenigstens einer Traverse 8 angeordnet und zwar so, daß die Spindel gekuppelt werden kann mit dem Zylinder der Dehnungsausgleichsvorrichtung und der Probenhalter mit einem zweiseitigen Hebel 9 an dem eine Belastungsmasse (Gewicht) 10 aufgehängt ist. Der zweiseitige Hebel weist ein Übersetzungsverhältnis von 20:1 auf. Er ist in Fig. 2 nicht maßstäblich dargestellt.

In Fig. 3a ist die Startposition der Dehnungsausgleichsvorrichtung für den Schalter mit der Kolbenstellung etwa in S Höhe dargestellt. Mit 14 ist die Kupplung für den Probenhalter 19a beziffert und mit 13 der Endschalter, der in dieser Position geschlossen ist. An Stelle eines mechanischen Kipphebelschalters kann auch eine Ausführung gewählt werden, die integrierte Kontakte und eine elektronische Kippschaltung aufweist.

In Fig. 3b ist die gleiche Schalteinrichtung dargestellt, jedoch in ihrer Position vor Beginn des Versuchs. Beim Aufheizen kann sich der Versuchsaufbau, insbesondere der Probe 17 um das Maß A dehnen und der Probenhalter 19a ist über Gestänge 15 am oberen Ende bei 8 mit dem zweiseitigen Hebel 9 verbunden und am unteren Ende über Zwischengestänge 15 und 19 mit dem Kolben 16 in einem Zylinder 11, der mit Hydrauliköl gefüllt ist. Hinter diesem befindet sich die Spindel 2, die zum Antriebsmotor im Maschinenbett bzw. Sockel 1 führt. Das Hysterese-Schaltgestänge 12 für 13 und 3 ist ebenfalls deutlich sichtbar (vgl. Fig.1).

Wie aus Fig. 3c ersichtlich, ist nach Beendigung des Versuchs die Dehnungsausgleichseinrichtung um das Maß A kontrahiert, d.h. A ist ungefähr zu Null geworden. Dabei ist der Kolben wie die Darstellung im Schnitt in Fig. 3d deutlich macht, mit seiner Stange 18 in den Zylinder hineinbewegt worden, der durch sein Hydrauliköl die Bewegung dämpft bzw. sanft abfedert. Dadurch wird ein Bruch der Halter und des Quarzstabs 19 vermieden, der den Kontakt zwischen Probe 17 und Aufnehmer 4 herstellt. In der unteren Hälfte ist in der Hysterese-Schalt- und Dämpfungsvorrichtung nach Fig. 3d die Dämpfungsflüssigkeit im Zylinder 11 für plötzliche Abwärtsbewegung (bei Bruch oder Riß der Probe) enthalten. Am unteren Ende ist eine kreisrunde Öffnung 14 sichtbar, wo der Bolzen der Kupplung von 15 zur Befestigung an der Motorspindel 2 einrastet. Der Endschalter 13 ist mit dem Zylinder 11 fest verschraubt. Das Hysterese-Schaltgestänge 12 ist oberhalb des Zylinders 11 gelegen.

Mittels des Bolzens 17 ist der Kolben 16 mit der oberen Kupplung 14 bei 15 verbunden. Das Oberteil kann sich um den Dehnungs- bzw. Kontraktionsweg A zum Unterteil bewegen. Die Kolbenstange 18 ist hohl und der verbleibende Innenraum dient zur Aufnahme des überschüssigen Hydrauliköls, wenn der Kolben in den Zylinder eintaucht. Mit dem Oberteil fest verbunden ist auch die Schalterbetätigungsstange 12, die zwei zueinander beabstandete Stifte aufweist, so daß die Schalterbetätigung einen, dem Abstand A entsprechenden Hystereseweg aufweist.

Am Oberteil ist die Kupplungseinrichtung 15 identisch mit der des Unterteils vorgesehen und dient dazu, bei 14 die Abkopplung an den Aufnehmer und den Probenhalter vorzunehmen.

Bei Bruch der Probe bewegt sich der Probenhalter, das Aufnehmerjoch und der Meßaufbau mit dem empfindlichen Dehnungsaufnehmer und den Quarzglasstäben in Richtung auf das Unterteil, wobei die Bewegung durch den Kolben 16 im Zylinder 11 infolge des darin enthaltenen Öls stark gedämpft wird. Dabei wird der Endschalter 13 betätigt, der über eine numerische Steuerung die Spindel 2 des Antriebsmotors und den Ofen ausschaltet. Bei zeit- bzw. dehnungsgesteuerten Versuchen fährt bei Beendigung des Versuchs, gesteuert von der numerischen Steuerung, die Antriebsspindel 2 mit dem Unterteil in Richtung Oberteil, wobei nach Überwindung der Hysteresestrecke ebenfalls der Endschalter 13, die Ofenheizung und die Antriebsspindel abgeschaltet wird. Da jedoch in diesem Betriebszustand noch eine feste Verbindung des Oberteils mit dem Belastungsgewicht 10 über dem Hebel 9 vorliegt - vorausgesetzt die probe ist noch intakt - kontrahiert der gesamte Versuchsaufbau, der sich im Ofenbereich befindet, infolgedessen abnehmender Temperatur. Jedoch steht jetzt der Hystereseweg A der Vorrichtung zur Verfügung, so daß die Kontraktion ohne Schaden des Versuchsaufbaus und der Probe erfolgen kann, d.h., während des Kontraktionsvorganges bleibt der gesamte Versuchsaufbau spannungslos.

Bevorzugt wird bei der erfindungsgemäßen Materialprüfvorrichtung ein Arbeiten mit einem Dehnungsaufnehmer nach dem Prinzip des inkrementalen Linearmeßsystems, d.h., der von der Probe übertragene Meßweg wirkt auf ein Quarzmeßelement, auf welchem nach dem Photoresistverfahren eine Miniaturskala eingeätzt ist, die photooptisch abgetastet wird und ohne Umwandlung ein codiertes BCD-Signal ausgibt, welches direkt vom Prozeßrechner verarbeitet werden kann. Die beschriebene Materialprüfvorrichtung kann je nach Anwendungsfall entweder in einer vorgegebenen Zeit oder nach einer voreingestellten Dehnung vollautomatisch abschalten. Die gewünschten Prozeßparameter werden mittels Programm in den Prozeßrechner eingegeben.

Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild der Hysterese- und Schalteinrichtung.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, werden im linken Teil I aus der Prüfvorrichtung die Istwerte 4, 22, 23 für den Computer C im Mittelteil gewonnen. Im rechten Teil O erfolgt die Ausgabe und ggf. Speicherung der Daten.

Mit 24 ist die Meßwertaufbereitung, z.B. Verstärkung und/ oder A/D Umwandlung bezeichnet, mit 25 der Prozeßrechner z.B. ein HP 85 zur Meßwertverarbeitung. Er ist mit dem Sollwertgeber 28 (z.B. entsprechend den Istwerten) und dem Steuerteil 26 sowie den Leistungssteller 27 verbunden. Letzterer steuert die Heizung 21 für den Ofen 5 und den Antriebsmotor für die Spindel 2 (Fig. 1).

Die ausgegebenen Daten werden registriert z.B. in einem Plotter/Drucker 29 und gespeichert z.B. in einer Floppydisc 30.

Die erfindungsmäßige Materialprüfvorrichtung eignet sich gut zur serienmäßigen, 100%igen Kontrolle von Proben wie Werkstücken aus einer Serienfertigung, insbesondere von hochbelastbaren Teilen wie Schaufeln von Strömungsmaschinen.


Anspruch[de]
  1. 1. Materialprüfvorrichtung, in der ein, in einem Gestell bewegbarer Probenhalter für eine Materialprobe vorgesehen ist, die aufheizbar und abkühlbar und mittels Meßaufnehmer bezüglich Zeitstandsverhaltens erfaßbar ist und eine Abschaltvorrichtung aufweist, die bei Versuchsende wirksam wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie enthält:

    1. a) eine Probe (17) im Probenhalter (19a), die mit einem Kolben verbunden ist,
    2. b) einen den Kolben (16) aufnehmenden Zylinder (11) mit einer Bewegungsdämpfungseinrichtung für den Kolben,
    3. c) die zum Dehnungs- bzw. Kontraktionsausgleich bei Erwärmung bzw. Abkühlung der Probe (17) und der Einspannvorrichtung mit zwei Kupplungen (15) versehen ist, wobei die untere mit dem Maschinenantrieb (2) und die obere mit dem Probenhalter (19a) verbunden ist,
    4. d) ein mit der Probe (17) und dem Probenhalter (19a) fest verbundenes Teil (19), das mit dem Dehnungsmeßaufnehmer (4) in Kontakt steht und ein weiteres damit (15) verbundenes Betätigungsglied (12), das mit der Abschalteinrichtung (13) in Kontakt steht.


  2. 2. Materialprüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe die Form eines Dehnstabes hat, etwa wie für Zugversuche üblich, die mittels Gewinde oder Schulter mit seinem Halter verbunden sind.
  3. 3. Materialprüfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe im Halter von einem heizbaren Mantel umgeben ist.
  4. 4. Materialprüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe an ihrem, dem Gewinde oder Schulter abgekehrten Ende, mit einem Kolben versehen ist, der mit dem Zylinder in Verbindung steht.
  5. 5. Materialprüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben und ein Proben- oder Probenhalterfortsatz mit dem Dehnungsmeßaufnehmer über besondere Quarzstäbe in Kontakt steht.
  6. 6. Materialprüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenhalter mit einem zweiseitigen Hebel verbunden ist, an dessen anderem Ende eine Masse zum Einstellen der Prüfspannung befestigt ist, so daß die Anordnung und Lagerung des Hebels zwischen Säulen und/oder Traversen des Gestells bzw. über diese hinweg getroffen ist.
  7. 7. Materialprüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenhalter und sein Gegenstück mit Vorrichtungen für eine Einhängekupplung versehen sind.
  8. 8. Materialprüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenhalter und dessen Fortsatz direkt den Stößel eines Endschalters oder den Hebel eines Kippschalters betätigt, der in seine Bahn hineinragt.
  9. 9. Materialprüfvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Probe und -Halter innerhalb einer Heiz-, Kühl- oder anderen Behandlungskammer angeordnet ist.
  10. 10. Materialprüfvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnversuchseinrichtung über einer Biegeversuchseinrichtung angeordnet ist.
  11. 11. Materialprüfvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Druckversuchseinrichtung kombiniert ist.
  12. 12. Materialprüfvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Probe- und Probenhalter in einer Kälte- oder Klimakammer angeordnet sind und im Sockel der Vorrichtung ein entsprechender Antrieb und/oder weitere Meßvorrichtungen angeordnet sind.
  13. 13. Materialprüfvorrichtung nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Probe und/oder Probenhalter in einer Kammer für Tieftemperatur, Hochdruck, Vakuum, feuchte oder andere Atmosphäre angeordnet sind.
  14. 14. Materialprüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben der Dehnungsmeßeinrichtung andere Meßeinrichtungen enthält wie Biegefestigkeits-, Druckfestigkeits- oder Härtemeßfühler oder -aufnehmer oder andere elektronische bzw. elektrische Meßfühler oder -aufnehmer, die mit entsprechenden Signalverstärkern sowie Auswerteeinrichtungen verbunden sind.
  15. 15. Materialprüfvorrichtung nach Anspruch 1, nach dem Prinzip des inkrementalen Linearmeßsystems arbeitend, derart, daß der von der Probe übertragene Meßweg direkt auf ein Quarzmeßelement einwirkt, welches eine Miniaturskala trägt, die photooptisch abgetastet wird und ein Signal ausgibt, welches direkt vom Prozeßrechner verarbeitbar ist.






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