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Dokumentenidentifikation DE3831689A1 27.07.1989
Titel Instrumentierte Hammerfinne für eine dynamische Werkstoffprüfmaschine
Anmelder Amsler Otto Wolpert-Werke GmbH, 6700 Ludwigshafen, DE
Erfinder Kalthoff, J. F., Prof. Dr.-Ing., 4630 Bochum, DE;
Achterfeldt, Klaus, 5620 Velbert, DE
Vertreter Fischer, W., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 6700 Ludwigshafen
DE-Anmeldedatum 17.09.1988
DE-Aktenzeichen 3831689
Offenlegungstag 27.07.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.07.1989
IPC-Hauptklasse G01N 3/02
IPC-Nebenklasse G01N 3/32   
Zusammenfassung Die zur Messung kleiner Schlagkräfte und Schlagarbeiten vorgesehene dynamische Prüfmaschine beliebigen, insbesondere auch hohen Energieinhalts weist eine schnellbewegte Hammerfinne 9 auf, an der wenigstens ein Dehnungsmeßstreifen angebracht ist. Die Hammerfinne 9 ist aus einem Material gefertigt, das einen entsprechend geringen Elastizitätsmodul aufweist, so daß kleine Kräfte große Dehnungen hervorrufen und damit diese Kräfte wegen der großen Dehnungen mit herkömmlichen Dehnungsmeßstreifen und elektronischen Meßketten gemessen werden können. Weiterhin weist die Hammerfinne 9 eine hinreichend hohe Härte, Festigkeit und Zähigkeit auf, so daß im Dauertest bei betrieblichem Zerschlagen von Proben die Finne 9 selbst keinen Schaden nimmt. Die Finne 9 zeigt weiterhin ein hinreichend linear-elastisches Verhalten, damit den auftretenden Dehnungen über eine lineare Beziehung die entsprechenden Kräfte zugeordnet werden können.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine instrumentierte Hammerfinne für eine dynamische Werkstoffprüfmaschine, nämlich ein Pendelschlagwerk, eine Fallgewichtsanlage oder eine Schnellzerreißmaschine zur Messung kleiner Schlagarbeiten und/oder Schlagkräften an Proben mit einer schnellbewegten Finne, auf der wenigstens ein Dehnungsmeßstreifen angebracht ist.

Als Konstruktionswerkstoff werden Stähle in bestimmten Anwendungsbereichen zunehmend durch andere Materialien wie Kunststoffe, Keramiken und dergleichen ersetzt. Während für Stähle Prüfverfahren zur Charakterisierung der Festigkeitseigenschaften bei unterschiedlichsten Beanspruchungsbedingungen seit langem bekannt sind und in der Praxis erfolgreich eingesetzt werden, liegen entsprechende Verfahren für diese Ersatzwerkstoffe in vielen Fällen noch nicht vor. In Verbindung mit üblichen Pendelschlagwerken, wie sie zur Untersuchung von Stahl-Charpy-Proben verwendet werden, wobei Energieinhalte im Bereich von 150 J, 300 J und 750 J zugrundegelegt werden, können unter Verwendung instrumentierter Finnen Kraft-Zeit-Verläufe an genormten Probekörpern erstellt werden, aus deren Verhalten auf Eigenschaften der entsprechenden Materialien unter den herrschenden Schlagbedingungen geschlossen werden kann. Die Instrumentierung der Pendelschlagwerke ist so ausgeführt, daß entweder Folien-Dehungsmeßstreifen oder Piezo-Quarze im Bereich der Kraftmessung zur Anwendung kommen. Bei den bekannten Schlagwerken ist keine Möglichkeit gegeben, Proben nit sehr geringen Schlagarbeiten zu testen. Dies gilt auch im wesentlichen für Fallgewichtsanlagen und Schnellzerreißmaschinen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine instrumentierte Hammerfinne für eine dynamische Werkstoffprüfmaschine vorzuschlagen, die für Materialien mit extrem niedrigen Schlagarbeiten geeignet ist und die Messung bruchmechanischer Schlagfestigkeitswerte erlaubt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Hammerfinne, bestehend aus einem Material, vorgesehen ist, dessen Elastizitätsmodul gegenüber einer bei der Untersuchung von Stahl-Charpy-Proben verwendeten Hammerfinne aus Stahl einen geringeren Wert bei linear-elastischem Verhalten aufweist.

Vorteilhaft besteht die Hammerfinne aus Leichtmetallen wie Titan, Aluminium, Magnesium oder dergleichen oder deren Legierungen.

Vorteilhaft besteht die Hammerfinne aus einem Kunststoff, wie Polycarbonat, Athoxylinharz, Epoxidharz oder dergleichen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform zur Erhöhung der Haltbarkeit und zur Verschleißminimierung im betrieblichen Einsatz sieht vor, daß die Spitze der Hammerfinne aus einem höherfesten bzw. höherzähen Material, z. B. Stahl besteht (Compoundfinne), oder daß bei Finnen aus mehrkomponentigen Kunststoffen die Eigenschaften des Kunststoffs wie Härte, Zähigkeit und Festigkeit durch Anpassung der Mischungsverhältnisse in weiten Grenzen einstellbar sind.

Es ist vorteilhaft, daß das Material der Hammerfinne eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist bzw. die Finne mit einer Wärmeschutzfolie versehen ist.

Es wird weiterhin vorgeschlagen, daß diese über eine Zusatzvorrichtung, z.B. eine kontinuierlich vorspannbare Feder belastet und mit einer spannungsoptischen Einrichtung geeicht wird.

Die Erfindung bringt den Vorteil, daß die Herstellung der Finne aus Materialien mit einem geringen Elastizitätsmodul für kleine Kräfte große Dehnungen hervorrufen und somit die Kräfte wegen dieser Dehnungen mit herkömmlichen Dehnungsmeßstreifen und elektronischen Meßketten hinreichend genau gemessen werden können.

Die Finne kann bei Prüfmaschinen mit beliebigen Energieinhalten eingesetzt werden. Es hat den Vorteil, daß an Prüfmaschinen mit großen Energieinhalten auch kleine Schlagarbeiten gemessen werden können. Darüberhinaus bietet die Verwendung von dynamischen Prüfmaschinen mit großen Energieinhalten den Vorteil, daß sich während des Schlagvorganges die Schlagenergie des Hammers und damit seine Geschwindigkeit praktisch nicht ändert. Durch geeignete Wahl der Ausgangsenergie des Hammers zu der von der Probe verbrauchten Schlagarbeit kann sichergestellt werden, daß innerhalb der Grenzen der DIN-Norm die Geschwindigkeit des Schlaghammers während des Schlagvorganges konstant ist, und damit die Durchbiegung der Probe streng linear mit der Zeit zunimmt und zwar mit der Geschwindigkeit des Hammers als Proportionalitätsfaktor, d.h.

s = v&sub0; × t

wobei v&sub0; die maximale Geschwindigkeit des Hammers ist,

t die Zeit, gemessen von der Berührung der Probe an und

s die Durchbiegung der Probe.

Es entfällt damit die nach dem DVM-Merkblatt 001 zur Ermittlung der Schlagarbeit E aus dem Produkt von Kraft und Weg zunächst erforderliche Bestimmung des Weges s aus dem Kraft-Zeit-Signal. Insgesamt ergibt sich damit bei der Energieermittlung eine dreimalige Integration des Kraftsignals. Die von der Probe aufgenommene Energie kann nunmehr aus dem gemessenen Kraftsignal und dem streng linearen Weg- Zeit-Verlauf durch einmalige Integration ermittelt werden. Die Genauigkeit der Energiebestimmung ist damit prinzipiell genauer als nach der üblichen Prozedur, wie sie im DVM-Merkblatt angegeben ist.

Es ist von großem Vorteil, daß für die verschiedenen Werkstoffgruppen und Probentypen, wie ungekerbte, gekerbte oder angerissene Proben, die unterschiedliche Schlagkräfte und Schlagarbeiten aufweisen, eine jeweils in seinen Materialeigenschaften optimal angepaßte Finne verwendet werden kann. Zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit der Finne gegen Bruch können Compound-Finnen verwendet werden, bei denen die Spitze der Finne aus einem anderen (höherfesten bzw. höherzähen) Material als die Finne gefertigt werden, wobei die Finnenspitze ohne Luftspalt, z.B. durch Kleben mit der Finne verbunden ist. Bei Finnen aus mehrkomponentigen Kunststoffen sind die Eigenschaften des Kunststoffs wie Härte, Zähigkeit und Festigkeit durch Anpassung der Mischungsverhältnisse in weiten Grenzen einstellbar. Für Tests bei erhöhten Prüftemperaturen lassen sich Maßnahmen treffen, die das Aufwärmen der Finne während der kurzen Zeit des Schlagvorganges so gering halten, daß Schlagversuche auch bei hohen Temperaturen möglich sind.

Bei der Verwendung sehr empfindlicher Finnen ergibt sich für die vorgenannten Bedingungen ein zusätzliches einfaches Eichverfahren der Finne bei Pendelschlagwerken. Der Hammer wird um 90 Grad ausgelenkt und über die Finne von einer speziellen Halterung unterstützt. Die auf die Finne wirkende Kraft ist durch das bekannte Gewicht des Hammers und der Stoßmittelpunkt- und Schwerpunktlage gegeben. Bei Fallgewichtsanlagen wird die Fallgewichtsmasse über die Finne abgestützt. Ein Vergleich des jeweiligen Hammergewichts mit dem Ausgangsignal der Dehnungsmeßstreifen-Brückenschaltung liefert die Eichung.

Bei der Verwendung von Finnenmaterialien, die spannungsoptisch aktiv sind, beispielsweise Äthoxylinharzen, Expoxidharzen und dergleichen (Araldit B) ist die Möglichkeit einer zusätzlichen spannungsoptischen Eichung der Finne gegeben. Hierbei wird die Finne in der dynamischen Werkstoffprüfmaschine mit einer Zusatzvorrichtung belastet, wobei eine Lastmeßzelle nicht erforderlich ist. Mit einer zusätzlichen spannungsoptischen Meßapparatur, z.B. einem Polariskop, werden in dem keilförmigen Bereich oder in einem Bereich konstanter Dicke der Finne, die bis zu der eingestellten Endlast aufgetretenen Isochromaten registriert. Unter Verwendung der bekannten spannungsoptischen Beziehungen, wird die auf die Finne wirkende Kraft ermittelt und zur Eichung des Ausgangssignals der Dehnungsmeßstreifen-Brückenschaltung verwendet.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 die Seitenansicht eines instrumentierten Pendelschlagwerks,

Fig. 2 den Hammer des Pendelschlagwerks in vergrößerter Ansicht,

Fig. 3 eine Seitenansicht von Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht einer Fallgewichtsanlage,

Fig. 5 eine Ansicht einer Schnellzerreißmaschine und

Fig. 6 zwei Ausführungsbeispiele für die Gestaltung der Finnenspitze.

Das Pendelschlagwerk weist ein Gestell 1 auf, das zur Lagerung bzw. Befestigung der Anbauteile, wie der Auslösevorrichtung 5, der Pendelstange 2, der Lagerung 3 sowie des Widerlagerpaares 6 dient. An dem Widerlagerpaar 6 ist die Probe 7 in einer definierten Positionierung angeordnet. An der Pendelstange 2 ist der Hammer 4 nit seinen Bauteilen angebracht.

Der Versuchsablauf wird so realisiert, daß die aus der Pendelstange 2 und dem Hammer 4 bestehende Einheit von der Auslösevorrichtung 5 in einem bestimmten Auslenkwinkel zur Verbindungslinie zwischen der Lagerung 3 und der Probe 7 gehalten wird. Durch Auslösen der Vorrichtung 5 schwingt die Einheit aus den Teilen 2 und 4 gegen die Probe 7 und zerschlägt diese.

Der in den Fig. 2 und 3 dargestellte Hammer weist im wesentlichen die übliche Form auf, wobei der Hammerblock 8 im wesentlichen eine U-Form aufweist. Zwischen den beiden parallelen Schenkeln befindet sich die Hammerfinne 9, wobei der Hammerblock aus Stahl gefertigt ist, während die Hammerfinne 9 erfindungsgemäß aus einem Material besteht, das den jeweils erforderlichen geringeren Elastizitätsmodul aufweist.

An der Hammerfinne 9 ist wenigstens ein Dehnungsmeßstreifen vorgesehen. Weitere Kompensations-Dehnungsmeßstreifen befinden sich außerhalb möglicher Schwingungseinflüsse auf einer unbelasteten Fläche zum Temperaturausgleich. Durch Verwendung von Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen anstelle von Folien-Dehnungsmeßstreifen kann der Einsatzbereich weiter auf kleinere Kräfte ausgedehnt werden.

Die in Fig. 4 dargestellte Fallgewichtsanlage weist eine Fallmasse 16 auf, die an zwei Säulen 17 geführt ist. An dieser Fallmasse 16 befindet sich die Finne 9, während an einer Bodenplatte 18, an Auflagern 19 abgestützt, die Probe 7 angeordnet ist.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Schnellzerreißmaschine sind an einem Gestell 1 vertikale Säulen 20 angeordnet, wobei auf dem Gestell 1 auf einer Platte 21 über Auflager 22 die Probe 7 angebracht ist. Oberhalb der Probe 7 ist an einem Querhaupt 23 ein Belastungszylinder 24 gehalten, wobei unterhalb des Querhauptes eine Vorlaufstrecke 25 und die Finne 9 vorgesehen ist.

Die Fig. 6 zeigt eine Möglichkeit zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit der Finne gegen Bruch, wobei die Finnenspitze 15 beispielsweise aus Stahl bestehen kann, während die Finne 9 aus dem Material mit einem entsprechend geringeren Elastizitätsmodul besteht. Die Spitze 15 kann hierbei durch Kleben mit der Finne 9 verbunden werden. Dadurch erhält die Finne eine hinreichend hohe Härte, Festigkeit und Zähigkeit, so daß im Dauertest beim betrieblichen Zerschlagen von Proben die Finne 9 selbst keinen Schaden nimmt.


Anspruch[de]
  1. 1. Instrumentierte Hammerfinne für eine dynamische Werkstoffprüfmaschine, nämlich ein Pendelschlagwerk, eine Fallgewichtsanlage oder eine Schnellzerreißmaschine zur Messung kleiner Schlagarbeiten und/oder Schlagkräften an Proben mit einer schnellbewegten Finne, auf der wenigstens ein Dehnungsmeßstreifen angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hammerfinne (9) bestehend aus einem Material, vorgesehen ist, dessen Elastizitätsmodul gegenüber einer bei der Untersuchung von Stahl-Charpy- Proben verwendeten Hammerfinne (9) aus Stahl einen geringeren Wert bei linear-elastischem Verhalten aufweist.
  2. 2. Instrumentierte Hammerfinne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus Leichtmetallen wie Titan, Aluminium, Magnesium oder dergleichen oder deren Legierungen besteht.
  3. 3. Instrumentierte Hammerfinne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus einem Kunststoff, wie Polycarbonat, Athoxylinharz, Epoxidharz oder dergleichen besteht.
  4. 4. Instrumentierte Hammerfinne nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (15) der Hammerfinne (9) aus einem höherfesten bzw. höherzähen Material, z.B. Stahl besteht.
  5. 5. Instrumentierte Hammerfinne nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Hammerfinne (9) eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist bzw. die Finne (9) mit einer Wärmeschutzfolie versehen ist.
  6. 6. Instrumentierte Hammerfinne nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese über eine Zusatzvorrichtung, z.B. eine kontinuierlich vorspannbare Feder belastet und mit einer spannungsoptischen Einrichtung geeicht wird.






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