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Dokumentenidentifikation DE3522453C2 23.02.1989
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Messen kleiner Kräfte und Verformungen in einer Prüfmaschine
Anmelder Aktiebolaget Sandvik Hard Materials, Stockholm, SE
Erfinder Johansson, Anders Ingvar, Farsta, SE
Vertreter Weber, D., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Seiffert, K., Dipl.-Phys., Pat.-Anwälte, 6200 Wiesbaden
DE-Anmeldedatum 22.06.1985
DE-Aktenzeichen 3522453
Offenlegungstag 23.01.1986
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.02.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.02.1989
IPC-Hauptklasse G01N 3/02
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erlangung einer starren Lastvorrichtung für die gleichzeitige Messung kleiner Kräfte und kleiner Bewegungen in einer Prüfmaschine, die für größere Kräfte und Bewegungen vorgesehen ist. Gemäß der Erfindung wird ein vorzugsweise ringförmiges Joch (20), das so dimensioniert ist, daß es die Belastbarkeit der Maschine trägt, in der Prüfmaschine eingesetzt. Unter Benutzung der wohlbestimmten Beziehung zwischen Kraft und Verformung des Jochs wird die Verformung eines Prüfstückes (11), das innerhalb des Joches angeordnet ist, gemessen und kontrolliert. Gleichzeitig wird die Kraft auf das Prüfstück durch einen Kraftwandler (10) gemessen, der ebenfalls innerhalb des Joches angeordnet ist. Der Meßbereich des erwähnten Kraftwandlers wird so gewählt, daß er der für die Prüfung erforderlichen Lastkapazität entspricht.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Messen kleiner auf einen Prüfling einwirkender Kräfte sowie der daraus resultierenden Verformung des Prüflings in einer für beträchtlich größere Kräfte ausgelegten Prüfmaschine, die einen ersten Druckmesser aufweist, dessen Meßbereich den mit der Prüfmaschine maximal erreichbaren Druck umfaßt.

Die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Metallen oder anderen Materialien verlangt sorgfältige Messungen der auf einen Prüfling wirkenden Kräfte, wie Zug oder Druck, und der daraus resultierenden Verformungen dieses Prüflings.

Materialprüflaboratorien haben normalerweise Zugang zu Prüfmaschinen mit Kräften von 50 kN und mehr. Bei Tests jedoch, die beträchtlich kleinere Kräfte erfordern, beispielsweise 1000 N oder weniger, kann die notwendige Genauigkeit bei der Bestimmung dieser Kräfte nicht erreicht werden, da die Meßgenauigkeit eines Meßgerätes am oberen Ende seines Meßbereichs am größten ist, während sie nach unten zu immer weiter abnimmt. Findet die Ablesung beispielsweise im unteren Zehntel des Meßbereichs statt, so ist die Meßgenauigkeit nur ein Zehntel von der am oberen Ende.

Es ist bekannt, zur Lösung dieses Problems einen zusätzlichen Kraftmesser mit geeignetem Meßbereich in Reihe zu dem Prüfling einzusetzen. Bei Zugbelastungen kann diese Lösung ohne weiteres eingesetzt werden, da der Kraftmesser gegen Überlastungen, die beispielsweise bei einem Bruch des Prüflings auftreten, geschützt werden kann. Bei Druckbelastungen jedoch kann der Druckmesser nicht ohne weiteres gegen Überlastungen beim Bruch des Prüflings geschützt werden, da es schwierig ist, die (oft servo-gesteuerte) Prüfmaschine mit genügender Genauigkeit zu betreiben. Es läßt sich die bei einem Bruch des Prüflings plötzlich freiwerdende potentielle Energie nicht auf einfache Weise von dem Druckmesser fernhalten, die als Stoßenergie auf diesen einwirkt.

Für Prüflinge mit sehr geringer Festigkeit können Vorrichtungen zum Messen der Verformung, wie beispielsweise Dehnungsmeßstreifen, die Festigkeit des Prüflings scheinbar erhöhen, so daß entsprechende Meßfehler auftreten.

Aus der US-PS 4 282 762 ist eine Vorrichtung zum Messen von Drücken mit zwei Meßbereichen bekannt, die sich nach Bedarf automatisch umschalten. Zunächst werden dabei kleinere Drücke von einem kreisförmigen Joch aufgenommen und deren Größe durch Messen der Dehnung durch am äußeren Rand des Joches befestigte Dehnungsmeßstreifen ermittelt. Werden die Drücke größer, schließt sich ein in einem radial durch die Mitte des Joches verlaufenden Stab angeordneter Schlitz und übernimmt somit die erhöhten Drücke und überträgt diese auf einen weiteren Druckmesser mit entsprechend größerem Meßbereich. Mit dieser Vorrichtung kann aber keine Verformung eines Prüflings gemessen werden, so daß diese Vorrichtung nichts zur Lösung des vorliegenden Problems beitragen kann.

Aus der US-PS 3 911 737 ist ein Zugmeßgerät bekannt, das in das Seil eines Kranes eingefügt wird, um dessen Belastung zu ermitteln. Die Messung der Belastbarkeit und der Verformung von Prüflingen ist mit diesem Zugmeßgerät nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die unter Verwendung einer üblichen Prüfmaschine mit großem Kraftbereich die gleichzeitige Messung einer auf einen Prüfling wirkenden relativ zur Kraft der Prüfmaschine kleinen Kraft und der daraus resultierenden Verformung dieses Prüflings mit hoher Genauigkeit zu ermöglichen, ohne dabei die Meßeinrichtung durch Überlastung zu gefährden.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe nach dem Kennzeichen des Anspruches 1 durch folgende Schritte gelöst:

  • a) ein dem maximalen Druck der Prüfmaschine widerstehendes, vorzugsweise ringförmiges Joch wird in die Prüfmaschine eingesetzt,
  • b) mit der Prüfmaschine wird eine Reihe von Testdrücken auf das Joch gegeben und mit dem ersten Druckmesser gemessen, während gleichzeitig mit einem Abstandsmesser die jeweilige Verformung des Joches gemessen wird,
  • c) die Abhängigkeit der jeweiligen Verformung von den zugehörigen Testdrücken wird als Eichkurve aufgezeichnet,
  • d) in das Joch wird eine Halterung für den Prüfling eingesetzt, die einen zweiten Druckmesser aufweist, dessen Meßbereich im wesentlichen den für den Prüfling maximal zu erwartenden Berstdruck einschließt.
  • e) der Prüfling wird in der Halterung befestigt,
  • f) mit der Prüfmaschine wird eine Reihe ansteigender Drücke auf das Joch gegeben und mit dem ersten Druckmesser gemessen, während gleichzeitig mit dem zweiten Druckmesser die dabei auf den Prüfling einwirkenden Drücke gemessen werden,
  • g) zwischen den auf das Joch gegebenen Drücken und den dabei auf den Prüfling einwirkenden Drücken werden die jeweiligen Differenzen berechnet und mit diesen die Maße der Verformung des Prüflings aus der Eichkurve ermittelt.


Bezüglich der Vorrichtung wird diese Aufgabe nach dem Kennzeichen des Anspruchs 5 durch ein dem maximalen Druck der Prüfmaschine widerstehendes, vorzugsweise ringförmiges, in die Prüfmaschine einsetzbares Joch gelöst, in dessen Innern wahlweise ein Abstandsmesser oder eine Halterung für den Prüfling einsetzbar ist, die einen zweiten Druckmesser mit einem Meßbereich aufweist, der im wesentlichen den für den Prüfling maximal zu erwartenden Berstdruck einschließt.

Zweckmäßigerweise wird die physikalische Tatsache ausgenutzt, daß innerhalb der elastischen Verformung die Beziehung zwischen dem auf das Joch gegebenen Druck und der Verformung des Joches linear ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Verformung des Joches mit zusätzlichen Einrichtungen, beispielsweise an geeigneten Stellen des Joches angebrachten Dehnungsmeßstreifen, gemessen. Damit kann der auf den Prüfling einwirkende Druck aus dem auf das Joch gegebenen, mit dem ersten Druckmesser gemessenen Druck und aus der durch die zusätzlichen Einrichtungen gemessenen Verformung des Joches ermittelt werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit Hilfe einer handelsüblichen Prüfmaschine mit großem Kraftbereich eine relativ kleine Kraft auf einen Prüfling gegeben werden kann, wobei gleichzeitig diese kleine Kraft und die daraus resultierende Verformung des Prüflings mit hoher Genauigkeit ermittelt werden können, ohne dabei die Meßeinrichtung durch Überlastung zu gefährden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht des Joches gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Joch in Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Joches, das zum Eichen in eine Prüfmaschine eingesetzt ist,

Fig. 4 eine Seitenansicht des Joches, das während einer Prüfung benutzt wird.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt die Fig. 1 ein ringförmiges Joch 20, innerhalb dessen ein Halter für einen Prüfling 11 mit einem inneren Druckmesser 10 angeordnet ist. Der Meßbereich des Druckmessers 10 ist so ausgewählt, daß er den während des Tests erwarteten maximalen Druck unter Berücksichtigung einer angemessenen Toleranz an dem oberen Ende dieses Meßbereichs anzeigen kann. Das Joch 20 ist so dimensioniert, daß die erforderliche Verformung erreicht wird, ohne die Elastizitätsgrenze des Jochmaterials zu überschreiten, vorzugsweise so, daß es die maximale Kraft der Prüfmaschine, in die es während des Tests eingesetzt wird, tragen kann, ohne zerstört zu werden.

Vor dem Test wird das Joch 20 geeicht, indem mit der Prüfmaschine gemäß Fig. 3 eine Reihe von Testdrücken auf das Joch 20 gegeben und mit einem ersten Druckmesser 12 gemessen wird, während gleichzeitig mit einem Abstandsmesser 13 die jeweilige Verformung des Joches 20 ermittelt wird. Die Abhängigkeit der jeweiligen Verformung von den zugehörigen Testdrücken wird als Eichkurve aufgezeichnet. Man erhält dabei eine lineare Beziehung zwischen dem Druck und der Verformung nach der Formel

D = k&sub1; Fb ,

wobei D die Verformung, Fb den Druck und k&sub1; eine Proportionalitätskonstante bedeuten.

Materialprüfmaschinen werden normalerweise mit Kraftregelung betrieben, und die Geschwindigkeit der Kraftänderung kann innerhalb weiter Grenzen nach einer Rampenfunktion geändert werden. Wegen der oben erwähnten linearen Beziehung zwischen Kraftzuwachs und Verformung verhält sich die Verschiebung der Kraftpunkte zueinander proportional zu der auf das Joch 20 ausgeübten Kraft und folgt dem gleichen Zeitverlauf wie diese Kraft. Das gilt jedoch nur, wenn der innere Druckmesser 10 unbelastet ist. Näherungsweise gilt das auch dann, wenn der Druck auf den Druckmesser 10 klein ist im Vergleich zu dem auf das Joch 20 wirkenden Druck. Falls der von dem inneren Druckmesser 10 angezeigte Druck nicht vernachlässigbar klein ist, errechnet sich die Verformung des Prüflings 11 nach der Formel

D = k&sub1; (F&min;b-Fp),

wobei F&min;b den Zuwachs des auf das Joch 20 wirkenden Druckes während des Testverlaufs, angezeigt von dem ersten Druckmesser 12, und Fp den auf den Prüfling 11 wirkenden Druck, angezeigt von dem inneren Druckmesser 10, bedeutet.

Der Halter für den Prüfling 11 kann normalerweise so starr gemacht werden, daß dessen Verformung vernachlässigt werden kann.

Bei dem Test wird das Joch 20 zunächst mit einem solchen Druck belastet, daß man eine geeignete Vorbelastung des Prüflings erhält. Während des nachfolgenden Druckanstiegs werden der Druckverlauf und der Brechdruck von dem inneren Druckmesser 10 angezeigt. Der Verlauf der Verformung und der Größe der Verformung im Moment des Brechens des Prüflings 11 können indirekt aus der Anzeige des ersten Druckmessers 12 ermittelt werden, indem die Differenzen zwischen dieser Anzeige und der Anzeige des inneren Druckmessers 10 berechnet und mit diesen Differenzen die Maße der Verformung des Prüflings aus der Eichkurve abgelesen werden. Die Bruchfestigkeit wird dann auf konventionelle Weise aus den Abmessungen des Prüflings 11 und dem angezeigten Brechdruck berechnet. Die vor dem Bruch insgesamt aufgenommene Energie kann durch Bildung des Integrals über das Produkt aus Druck und Verformung bis zum Bruch berechnet werden. Den Elastizitätsmodul erhält man aus der Beziehung zwischen dem Druck, der Verformung und den Abmessungen des Prüflings 11.

Alternativ kann die Verformung des Joches 20 - und damit auch die Verformung des Prüflings 11 - während des Testverlaufs durch zusätzliche Dehnungsmeßstreifen 21 bestimmt werden, die an geeigneten Stellen des Joches 20 angebracht sind.

Diese Alternative kann auch angewendet werden, wenn eine besonders starre Testvorrichtung gebraucht wird. Der innere Druckmesser 10 kann dann herausgenommen und der Druck Fp auf den Prüfling 11 nach der Beziehung

D = (Fb-Fp) k&sub2;

bestimmt werden, wobei D die durch die Dehnungsmeßstreifen 21 gemessene Verformung und k&sub2; eine durch Eichung bestimmte Proportionalitätskonstante bedeuten.

Die Fig. 4 zeigt ein Beispiel, bei dem zur genauen Bestimmung der Festigkeit von gepreßten Pulverkörpern eine Dreipunkt-Biegeprüfung in einer mit Computersteuerung arbeitenden servogesteuerten Prüfmaschine mit einer maximalen Belastbarkeit von 100 kN und mit Lastbereichen von 100-50-20-10 kN vorgenommen wurde. Für Pulverpreßkörper mit den Abmessungen 8 × 6 × 25 mm beträgt der Brechdruck bis zu maximal 100 N und die Durchbiegung beim Bruch 0,1 mm bis 0,3 mm.

Das Joch 20 weist für die Dreipunkt-Biegeprüfung zwei Nuten für zwei Stützrollen 14 sowie einen Stempel 15 zum Aufbringen des Druckes auf den Prüfling auf. Zum Messen des auf den Prüfling einwirkenden Druckes ist ein Miniaturdruckmesser 16 (Showa MR 10 K) vorgesehen.

Vor der Prüfung wird das Joch 20 zunächst geeicht und seine Verformung D als Funktion des aufgebrachten Druckes F mit Hilfe des ersten Druckmessers 12 der Prüfmaschine und eines Dehnungsmessers (NTS Modell 632.050-62) mit einem Meßbereich von + 0,5 mm bis - 0,5 mm ermittelt. Es ergibt sich die Beziehung

D = 0,0734 Fb .

Die Verschiebung des Stempels 15 ist proportional zu dem resultierenden Druck Fr und folgt dem gleichen Zeitverlauf wie dieser Druck. Die Verschiebung des Stempels 15 ergibt sich aus

D = 0,0734 Fr mit Fr = F&min;b-Fp .

Die Beziehung D = Funktion von Fb wird durch den Computer on-line errechnet.

Die Druck-Biegekurve jedes Prüflings wird auf dem Bildschirm des Computers graphisch dargestellt. Ferner gibt der Computer die Werte für den Brechdruck, die Durchbiegung beim Bruch, die transversale Bruchfestigkeit, den Elastizitätsmodul und die bis zum Bruch absorbierte Energie an. Nach jeder Testserie, die normalerweise sechs Prüflinge umfaßt, werden die entsprechenden Mittelwerte errechnet.

In einer Serie von sechs Hartmetall-Pulverpreßkörpern mit einer Dichte von 56% wurden folgende Mittelwerte erhalten:

Brechdruck: 27,3 N,

Durchbiegung beim Bruch: 0,254 mm,

transversale Bruchfestigkeit: 1,95 N/mm²,

absorbierte Energie: 2,57 mJ,

Elastizitätsmodul: 52 N/mm².


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum gleichzeitigen Messen kleiner auf einen Prüfling (11) einwirkender Kräfte sowie der daraus resultierenden Verformung des Prüflings (11) in einer für beträchtlich größere Kräfte ausgelegten Prüfmaschine, die einen ersten Druckmesser (12) aufweist, dessen Meßbereich den mit der Prüfmaschine maximal erreichbaren Druck umfaßt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    1. a) ein dem maximalen Druck der Prüfmaschine widerstehendes, vorzugsweise ringförmiges Joch (20) wird in die Prüfmaschine eingesetzt,
    2. b) mit der Prüfmaschine wird eine Reihe von Testdrücken auf das Joch (20) gegeben und mit dem ersten Druckmesser (12) gemessen, während gleichzeitig mit einem Abstandsmesser (13) die jeweilige Verformung des Joches (20) gemessen wird,
    3. c) die Abhängigkeit der jeweiligen Verformung von den zugehörigen Testdrücken wird als Eichkurve aufgezeichnet,
    4. d) in das Joch (20) wird eine Halterung für den Prüfling (11) eingesetzt, die einen zweiten Druckmesser (10, 16) aufweist, dessen Meßbereich im wesentlichen den für den Prüfling (11) maximal zu erwartenden Berstdruck einschließt.
    5. e) der Prüfling (11) wird in der Halterung befestigt,
    6. f) mit der Prüfmaschine wird eine Reihe ansteigender Drücke auf das Joch (20) gegeben und mit dem ersten Druckmesser (12) gemessen, während gleichzeitig mit dem zweiten Druckmesser (10, 16) die dabei auf den Prüfling (11) einwirkenden Drücke gemessen werden,
    7. g) zwischen den auf das Joch (20) gegebenen Drücken und den dabei auf den Prüfling (11) einwirkenden Drücken werden die jeweiligen Differenzen berechnet und mit diesen die Maße der Verformung des Prüflings (11) aus der Eichkurve ermittelt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung zwischen dem auf das Joch (20) gegebenen Druck und der Verformung des Joches (20) linear ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung des Joches (20) mit zusätzlichen Einrichtungen (21), beispielsweise an geeigneten Stellen des Joches (20) angebrachten Dehnungsmeßstreifen, gemessen wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der auf den Prüfling (11) einwirkende Druck aus dem auf das Joch (20) gegebenen, mit dem ersten Druckmesser (12) gemessenen Druck und aus der durch die zusätzlichen Einrichtungen (21) gemessenen Verformung des Joches (20) ermittelt wird.
  5. 5. Vorrichtung zum gleichzeitigen Messen kleiner auf einen Prüfling (11) einwirkender Kräfte sowie der daraus resultierenden Verformung des Prüflings (11) in einer für beträchtlich größere Kräfte ausgelegten Prüfmaschine, die einen ersten Druckmesser (12) aufweist, dessen Meßbereich den mit der Prüfmaschine maximal erreichbaren Druck umfaßt, gekennzeichnet durch ein dem maximalen Druck der Prüfmaschine widerstehendes, vorzugsweise ringförmiges, in die Prüfmaschine einsetzbares Joch (20), in dessen Innern wahlweise ein Abstandsmesser (13) oder eine Halterung für den Prüfling (11) einsetzbar ist, die einen zweiten Druckmesser (10, 16) mit einem Meßbereich aufweist, der im wesentlichen den für den Prüfling (11) maximal zu erwartenden Berstdruck einschließt.






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