Schlagprüfeinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Fest stellung der Schlagzähigkeit, eines Prüflings bei unter Schlagwirkung erfolgendem Biegen oder Brechen.
Bisher verwendete man zur Feststellung der Schlagzähigkeit eine Izod-Maschine, in welcher der Prüfling einseitig eingespannt wurde. Dabei wurde als Schlagzähigkeit die gesamte kinetische Energie in mkg gemessen, die von dem Schlagpendel verbraucht wurde, um einen beispielsweise aus Kunststoff, Metall oder Glas bestehenden Prüfling durch Biegebeanspruchung zu brechen. Zwei Materialien mit gleicher Schlagbiegefestigkeit können jedoch beträchtliche Unterschiede in ihrem Schlagbruchverhalten zeigen. Diese Tatsache wurde an Hand von Spannungs-Verformungs- Kurven festgestellt, die beim Schlagzugbruch eines Prüflings erhalten wurden. Eine bekannte Maschine diente zur Aufzeichnung des Verhaltens eines unter Schlagzug brechenden Prüflings.
Beim Biegen und beim Biegebruch eines Prüflings sind aber derartige Prüfbedingungen erforderlich, dass man die vorstehend erwähnte Maschine nicht für Schlagbiegeprüfungen verwenden kann, so dass es bisher nicht möglich war, eine einheitlich genaue Aufzeichnung für durch Schlagbiegebeanspruchung gebrochene Prüflinge zu erhalten.
Die Erfindung bezweckt nun die Schaffung einer Einrichtung, welche dank der Verwendung eines Verformungsmesswandlers sich zur Herstellung von einheitlichen photographischen Aufzeichnungen des Kraft-Zeit-Verhaltens während des Biegens oder Brechens eines einer Schlagwirkung unterworfenen Prüflings eignet.
Zur Erläuterung der Erfindung ist nachstehend ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt
Fig. 1 in einer Seitenansicht eine erfindungsge- mäss ausgebildete Schlagprüfeinrichtung,
Fig. 2 in einem Schnitt durch die Einrichtung nach Fig. 1 die Relativstellung der Teile vor dem Schlag und während des Schlages,
Fig. 3 perspektivisch den in der Einrichtung nach Fig. 1 verwendeten Verformungsmesswandler und
Fig. 4 ein Kraft-Zeit-Diagramm mit den verschiedenen Arten von Impulskurven, die bei der Prüfung verschiedener Materialien mit der Einrichtung nach Fig. 1 erhalten werden.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in Fig. 1 und 2 ein Teil eines üblichen Izod-Schlagprüfgeräts gezeigt, in dem der Prüfling einseitig eingespannt wird.
Der Unterteil 10 der Maschine trägt ein Gestell 11, ein Schlagpendel 12, eine Klemmschraube 13 und einen Amboss 14. Bisher wurde in dem Izod-Prüfgerät ein Prüfling in der Maschine zwischen dem Amboss 14 und der Klemmschraube 13 eingespannt und durch einen Schlag mit dem Schlagpendel 12 gebrochen. Durch geeignete Berechnungen wurde die gesamte Bruchenergie ermittelt, die von dem unter Schlagwirkung stehenden Prüfling bis zum Bruch aufgenommen wurde.
Die Erfindung sieht nun die Verwendung des vorstehend beschriebenen Schlagprüfgeräts in Kombination mit dem Verformungsmesswandler 16 vor, der gemäss Fig. 1 und 2 in dem Amboss der Kerbschlagprüfmaschine angeordnet ist.
Gemäss Fig. 3 besteht der Wandler 16 aus einem vierseitigen Gebilde mit den Wänden 17, 18, 19 und 20. Von der Wand 19 steht ein Fussteil vor, an dem eine Platte 21 angeschweisst ist, an der ihrerseits ein Festlegekeil 22 angeschweisst ist. Mittels des Stegteils 24 ist an der Wand 20 eine zu ihr zentrisch angeord nete Verteilerplatte 23 befestigt. Die Wand 17 überlappt die ihr benachbarten Stirnflächen der Wände 19 und 20. Auf der Innenseite der Wand 17 ist eine Verformungsmessdose 25 und auf der Aussenseite der Wand 17 ist eine nicht gezeigte, zweite Verformungsmessdose angebracht. Ferner überlappt die Wand 18 die ihr benachbarten Stirnflächen der Wände 19 und 20. Auf der Innenseite der Wand 18 ist eine Verformungsmessdose 26 und auf der Aussenseite der Wand 18 ist eine nicht gezeigte zweite Verformungsmessdose angebracht.
Im Betrieb ist der Wandler 16 richtig in der Vorrichtung angeordnet, wenn der Keil 22 in eine in dem unteren Teil des Ambosses 14 durch spangebende Verformung ausgebildete Nut 27 eingesetzt ist. Jetzt wird ein Prüfling 15 an die Seite des Ambosses 14 angelegt und die Klemmschraube 13 gegen die Wand 19 angezogen, so dass die Platte 23 fest gegen den Prüfling gedrückt wird.
Die Platte 23 gewährleistet, dass die Kraft des Schlages über eine Fläche von konstanter Grösse von dem Prüfling auf den Wandlerrahmen 16 übertragen wird. Versuche haben ergeben, dass bei Einwirkung gleicher Kraft auf die Aufschlagstelle der Rahmen 16 bei verschieden breiten Prüflinge nicht dasselbe Biegeverhalten zeigt, so dass getrennte Eichungen unter Berücksichtigung der Grösse des Prüflings erforderlich waren. Der kurze, dicke Steg der Verteilerplatte und die relativ schwere Tragplatte wurden geschaffen, damit eine Fläche von konstanter Grösse für die Übertragung der Kraft vorhanden ist, die von dem mit der Verteilerplatte in Berührung stehenden Prüfling entwickelt wird.
Infolgedessen können Prüflinge mit einer Breite von 2,3 mm bis über 12, 7 mm bei gleichbleibender Länge oder vertikaler Abmessung mit derselben Eichung im Rahmen des Versuchsfehlerbereiches geprüft werden. Es könnten auch andere mechanische Anordnungen verwendet werden.
Beispielsweise könnte man die Wand 20 sehr stark machen, doch würde die Durchbiegung der Wände 17 und 18 bei zunehmender Stärke der Wand 20 abnehmen, was die Empfindlichkeit herabsetzen würde.
Wenn der Prüfling 15 zwischen dem Amboss 14 und der Verteilerplatte 23 festgeklemmt ist, wird das Schlagpendel 12 freigegeben, das jetzt abwärts schwingt und auf den Prüfling 14 einen Schlag abgibt, unter dem der Prüfling bricht. Während der Prüfling sich unter der Wirkung des Schlages zunächst elastisch verformt, dann fliesst und schliesslich bricht, werden die Biegekräfte an den Wandler 16 abgegeben. Da die Seitenwände 17 und 18 die Stirnflächen der Wände 19 und 20 überlappen, biegen sich die Wände 17 und 18 unter der Wirkung des Schlages gleichmässig auswärts. Dadurch werden die auf der Innenseite des Wandlers angeordneten Verformungsmessdosen auf Druck und die auf der Aussenseite angeordneten Verformungsmessdosen auf Zug beansprucht.
Gemäss Fig. 2 führen Leitungen 28 von den Verformungsmessdosen zu den Zweigen einer Brückenschaltung 29, die ihrerseits mit einem signalanzeigenden Oszillographen 30 versehen ist. Die Wechselstrombrücke und der Oszillograph haben handelsübliche Schaltungen. Derartige Einrichtungen sind in üblichen Nachschlagwerken über elektronische Messgeräte und in Werbeschriften, beispielsweise einer Veröffentlichung der Tektronix Corporation in Portland Oregon unter dem Titel Tipe Q Transducer und Strain Gauge Piugin Unit , beschrieben.
Die Signale der Verformungsmessdose können auf verschiedene Weise geeicht werden. Im Zusammenhang mit der Erfindung wurde ein Eichsystem entwickelt, das in Fig. 1 mit 31 bezeichnet ist. Der Druckluftzylinder 32 wird mit Luft unter verschiedenen Drücken beaufschlagt, die mit Hilfe eines nicht gezeigten Reglers und des Druckmessers 33 bestimmt werden. Der Kolben ist doppeltwirkend. Die Beaufschlagung des Kolbens mit Luft und das Abströmen der Luft von dem Kolben werden mit dem Vierwegschieber 34 gesteuert. Der Boden des Kolbens ist mit dem Boden des Schlagprüfgeräts verschraubt, so dass die Bewegung des Kolbens genau in einer Linie mit der Aufschlagstelle des Schlagpendels auf dem Prüfling ist. Die Kolbenstange 35 ist über eine Leichtmetallkette 36 mit einem aus Stahl bestehenden Hilfsprüfling 37 verbunden, der dieselbe Grösse hat wie ein Normprüfling.
Die Eichung wird nun wie folgt durchgeführt: Der Hilfsprüfling aus Stahl, der mit der Kette an dem Kolben befestigt ist wird zusammen mit dem Wandler 16 in dem Amboss eingespannt. Die Messdosen und der Oszillograph werden eingeschaltet und der Luftdruck wird auf einen zweckmässigen Wert, beispielsweise auf 0.35 atü eingestellt. Da die Kolbenfläche und der Druck bekannt sind, kann der absolute Wert der Kraft, die auf den Hilfsprüfling an der Stelle wirkt, an der normalerweise der Schlag auftrifft, leicht berechnet werden. Die Einrichtung wird jetzt so eingestellt, dass sich der Lichtpunkt des Oszillographen über eine zweckmässige Anzahl von Teilungen des Rasters des Oszillographen bewegt, wenn durch eine Bewegung des Kolbens die Kette gespannt und dadurch der Wandler durchgebogen wird.
Die Leuchtspur des Oszillographen wird bei einer Reihe von Drücken von beispielsweise 0,35 bis 4,2 atü in gewünschten Intervallen photographiert. Die Länge der bei jedem Druck erhaltenen Leuchtspur wird gemessen, und es wird eine Eichkurve gezeichnet, in der die Länge der photographierten Leuchtspur als Funktion der aus dem Luft-Druck und der Kolbenfläche errechneten Kraft dargestellt ist. Zu diesem Zweck werden die entsprechenden Punkte durch eine abgerundete Linie miteinander verbunden. Diese Kurve stellt jetzt die Höhe eines durch die Durchbiegung des Wandlers erzeugten Impulses als Funktion der zu dieser Durchbiegung erforderlichen Kraft dar. Eichprüfungen werden zu Beginn jeder Versuchsreihe durchgeführt, wobei jede Versuchsreihe aus bis zu 30-50 Prüfungen bestehen kann.
Es ist eine Vorrichtung zur Auslösung des Abtastvorganges des Oszillographen vorgesehen. Dabei wird die Bewegung des Schlagpendels dazu verwendet, um einen elektrischen Kontakt knapp vor dem Auftreffen des Schlagpendels auf dem Prüfling zu schliessen.
Auf dem das Schlagpendel 12 tragenden Gestell 11 ist ein Isolierrahmen 39 angebracht, der einen Messingzapfen 38 trägt, dessen Stellung durch das Mikrometer 40 bestimmt ist. Auf dem Pendelarm ist die schwache Feder 41 in einer solchen Stellung befestigt, dass sie den Zapfen berührt, ehe das Pendel auf dem Prüfling auftrifft. Der aus dem Metallgestell der Prüfeinrichtung, einem an dem Messingzapfen angebrachten isolierten Draht und einer kleinen Batterie bestehende Stromkreis gibt einen Auslöseimpuls an die Kippschaltung des Oszillographen ab, so dass die Horizontalablenkung des Oszillographen ausgelöst wird, knapp ehe das Pendel auf dem Prüfling auftrifft und beginnt, es durchzubiegen. Diese Stellung des Pendels ist in Fig. 1 strichpunktiert angedeutet.
Durch den Schlag wird der Wandler durchgebogen, so dass das Gleichgewicht der Verformungsmessbrücke aufgehoben und daher die horizontale Spur vertikal abgelenkt wird. Da dieser Vorgang in einem sehr kurzen Zeitraum in der Grössenordnung von 10-5 bis 10-3 Sekunden durchgeführt wird, hat sich die Einstellung mit dem Mikrometer zur einwandfreien Einstellung der Auslösevorrichtung als notwendig erwiesen. Man kann aber ein Auslösesignal auch mit zahlreichen anderen Methoden erzeugen.
Im Betrieb werden ein oder mehrere Prüflinge durch Schlag gebrochen. Dabei wird der Oszillograph beobachtet, damit die Bedienungsperson die Leuchtspur in die richtige Lage bringen und die Zeitsteuerung der Horizontalablenkung und die Verstärkung der Vertikalablenkung einstellen kann. Nach Vornahme der erforderlichen Einstellungen werden der Wand ler und der Prüfling gemäss Fig. 2 eingespannt und wird an dem Oszillographen eine nicht gezeigte Kamera angebracht und das Schlagpendel zur Auslösung vorbereitet. Der Verschluss der Kamera wird auf Zeit (B) eingestellt. Wenn die Bedienungsperson den Auslöser für das Pendel mit der einen Hand drückt, betätigt sie mit der anderen gleichzeitig den Drahtauslöser der Kamera. Der Verschluss der Kamera wird offen gehalten, bis die Bedienungsperson den Drahtauslöser freigibt.
In der Praxis schliesst die Bedienungsperson den Verschluss der Kamera mit Hilfe des Drahtauslösers unmittelbar nachdem das Pendel den Prüfling zerbrochen hat. Diese Vorgänge sind nach einigen Versuchen, in denen die richtige Koordinierung geübt wird, leicht durchführbar. Alle vorgenannten Vorgänge können vollautomatisch durchgeführt werden, wenn man die Kamera automatisch mit Hilfe von eletkrischen Stromkreisen betätigt, deren Speisung durch das Fallen des Schlagpendels gesteuert wird. Nach der Entwicklung der Positivkopie vermerkt die Bedienungsperson auf der Rückseite der Kopie die Skaleneinstellung des Oszillographen, die Nummer und die Abmessungen des Prüflings und die von der Hauptskala des Schlagprüfers abgelesene Schlagzähigkeit.
Mit Hilfe der geeichten Kraftkonstante und geeigneten Verstärkungswerten des Oszillographen wird dann der Wert der Spitzenkraft berechnet und tabellarisch erfasst. Ferner werden die der elastischen Verformung bzw. der plastischen Verformung entsprechenden Impulsanstiegszeiten und Impulsenergien sowie die Gesamtimpulsenergie tabellarisch erfasst.
Die in Fig. 4 gezeigten Kraft-Zeit-Kurven entsprechen den verschiedenen Kraft-Zeit-Photos für die drei Hauptarten der Impulskurve. Die erste Kurve (A in Fig. 4) zeigt, dass sich der Prüfling unter der Wirkung des Schlages gleichmässig verformt, bis die Spitzenkraft erreicht wird, worauf der Prüfling fliesst und plötzlich bricht, was durch den plötzlichen Abfall der Kraft auf null angezeigt wird. Die in dieser Kurve gezeigten Schwingungen sind auf mechanische Schwingungen des Wandlers zurückzuführen, die als Klingen des Wandlers bezeichnet werden. Bei der zweiten Bruchart (B in Fig. 4) erfährt der Prüfling oberhalb der Fliessgrenze eine gewisse plastische Dehnung bei konstanter Kraft und reisst dann ein, was durch den allmählichen Abfall auf null angedeutet ist. Sonst würde die Kraft innerhalb einer Viertelperiode der mechanischen Klingschwingung des Wandlers auf null fallen.
Auch die dritte Art des Bruchs (C in Fig. 4) zeigt ein Einreissen oberhalb der Fliessgrenze, aber ohne vorherige plastische Dehnung. Die Gesamtfläche unter einer Kraft-Zeit-Kurve ist die Veränderung der Bewegungsgrösse bzw. der während des Brechens des Prüflings aufgenommene Impuls.
Es hat sich gezeigt, dass dieser aus Kraft-Zeit Photos berechnete Impuls bei allen durch die Impulskurven der Fig. 4 und verschiedene andere Kombinationen dieser Kurven dargestellten Arten des Bruchverhaltens mit der als Schlagzähigkeit gemessenen und aufgezeichneten Gesamtbruchenergie in einer Beziehung steht.
Die bei der autographischen Schlagprüfung erhaltenen Photos geben neue Informationen über das Schlagbruchverhalten, die durch die bekannte Schlagzähigkeitsprüfung nicht erhalten werden kann. Da die Fläche unter der Kraft-Zeit- oder Impulskurve mit dem Wert der genormten Zeit der Schlagzähigkeit in einer Beziehung steht, können die relativen Werte der zum elastischen Biegen erforderlichen Bruchenergie mit den relativen Werten der oberhalb des elastischen Bereichs bzw. im plastischen Bereich absorbierten Bruchenergiemengen verglichen werden. Die erfindungsgemäss erhaltenen Impulsphotos zeigen, dass Thermoplaste von hoher Schlagzähigkeit etwa 70% ihrer Gesamtbruchenergie oberhalb des elastischen Bereichs aufnehmen.
Vorstehend wurde ein derzeit bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, doch sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abänderungen dieses Ausführungsbeispiels durch fachmännische Massnahmen möglich.