Materialprüfungen

Servohydraulische Prüfmaschinen von Zwick Roell für Prüfungen von Hochleistungsschrauben

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Hohe Zugspannungen und Vibrationen belasten Verbindungselemente enorm und können zum Bruch führen. Speziell in der Luftfahrt- und Motorsportindustrie werden deshalb nicht nur besondere Herstellungsverfahren genutzt, sondern auch umfassende Materialprüfungen durchgeführt, um die genauen Abläufe unter Belastung besser zu verstehen.

Dr. Peter Stipp, Technischer Fachjournalist, Awikom GmbH, Lorsch

Inhaltsverzeichnis

1. Zyklische Beanspruchungen
2. Zugfestigkeit und Bruchdehnung
3. Prüfsoftware und Regelelektronik
4. Anspruchsvolle Prüfungen von Hochleistungs-Schrauben effizient durchführen

Verbindungselemente wie beispielsweise Schrauben sind in der Luftfahrt- und Motorsportindustrie besonders hohen Beanspruchungen ausgesetzt. Entsprechend hoch sind die Forderungen in Bezug auf Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, wiederholte Festigkeits- und Temperaturzyklen, Schwankungen der dynamischen Belastungen und hohe Schwingungen. Das erfordert neben speziellen Herstellungsverfahren auch umfassende Prüfungen der Materialien in der Qualitätssicherung. Ein Hersteller von Verbindungselementen im High-End-Bereich ist das Unternehmen Johann Maier in Stuttgart. Die Anwendungen des umfangreichen Portfolios reichen vom Einsatz in der Internationalen Raumstation und Satelliten über Hubschrauber und Jets bis hin zu Getrieben und Motoren. Um die geforderten Werte für die jeweiligen Anwendungen zu erreichen, werden anspruchsvolle Fertigungsverfahren wie Warmschmieden, Wärmebehandlung und Gewinderollen eingesetzt und die Bauteile in zerstörenden und zerstörungsfreien Prüfverfahren kontrolliert. „Wir nennen es erprobte Sicherheit“, erklärt Dr. Oliver Lang, Geschäftsführer des Unternehmens. „Wenn wir maximale Qualität, höchste Präzision und absolute Sicherheit unserer Produkte garantieren, müssen wir sie entsprechend prüfen.“

Zyklische Beanspruchungen

Verbindungselemente unterliegen neben einer statischen Belastung in der Regel auch zyklischen Beanspruchungen wie beispielsweise Vibrationen. Um die Schwingfestigkeit von Bauteilen über uniaxiale Ermüdungsversuche zu bestimmen, setzt das Unternehmen eine servohydraulische Prüfmaschine der Zwick Roell GmbH & Co. KG aus Ulm ein. Die Stärke dieses Antriebsprinzips liegt in seinen vielfältigen Optionen in Bezug auf Kraft, Amplitude und Frequenz. Außerdem sind sie universell einsetzbar; beispielsweise können mit diesen Prüfmaschinen zusätzlich Lebensdauer- oder Crash-Untersuchungen mit Geschwindigkeiten von bis zu 20 m/s durchgeführt werden. Die servohydraulische Ermüdungsprüfmaschine mit einer dynamischen Nennkraft von 250 kN gehört zur HA-Baureihe, die in Standardbaugrößen von 50 bis 500 kN lieferbar ist. Sie ist speziell für die Ermittlung von Werkstoffkennwerten unter schwingender Beanspruchung konzipiert und eignet sich besonders für Versuchsanordnungen, bei denen Temperierkammern oder Öfen im Prüfraum montiert sind. Durch die Anordnung des Zylinders, der in der unteren Traverse und unterhalb des Prüfraums liegt, wird verhindert, dass erhitzte Luft nach oben steigt und den Zylinder aufheizt. Außerdem wird so vermieden, dass Öl in den erhitzten Prüfraum tropfen kann. Eine typische Anwendung für servohydraulische Prüfmaschinen sind Low-Cycle-Fatigue Versuche. Hierbei wird das Material bei einer meist erhöhten Temperatur zyklisch jeweils bis zu einer geringen plastischen Verformung belastet. Die Probe hält bei dieser Belastungsart nur wenige tausend Lastwechsel aus. Aber auch der Regler der Maschine ist gefordert. Da sich die Steifigkeit der Probe beim Übergang von der elastischen zur plastischen Verformung sehr schnell ändert, muss der Regler innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne reagieren, um beispielsweise eine konstante Zunahme der Dehnungsgeschwindigkeit zu garantieren. Hierbei spielt die hohe Steifigkeit der Prüfmaschine ebenfalls eine entscheidende Rolle.

Zugfestigkeit und Bruchdehnung

Zu den zentralen statischen Prüfungen an Schrauben gehört die Bestimmung der Zugfestigkeit in N/mm2. Für diese Untersuchungen setzt der Verbindungselemente-Hersteller eine elektromechanische Prüfmaschine der Serie AllroundLine der Ulmer ein. Sie ist speziell für Zug, Druck- und Biegeversuche sowie Scherung und Torsion ausgelegt und mit spielfrei vorgespannten Kugelumlaufspindeln und einem wartungsfreien AC-Antrieb mit Motorfeedback-System ausgestattet. Dadurch erreicht sie auch bei niedrigen Geschwindigkeiten sehr gute Gleichlauf-Eigenschaften, um präzise Messwerte zu generieren. Eine weitere relevante Größe neben den Parametern Zugfestigkeit, Streck- und Dehngrenze ist die Bruchdehnung. Diese bleibende plastische Dehnung ist ein Indikator für die Verformbarkeit des Werkstoffs und wird an abgedrehten Schrauben gemessen. Das vom Prüfungsspezialisten entwickelte Extensometer Makro Xtens zur Dehnungsmessung erfasst über seine Messfühler die elastischen und plastischen Verformungen während des gesamten Zugversuchs – auch bei hohen Kräften und spröden Materialien – und ist bis zum Probenbruch einsetzbar. Es ist werksseitig kalibriert und erfüllt ab 20 μm Längenänderung die Klasse 0,5 der EN ISO 9513. Zum Einspannen der Proben in der Prüfmaschine kommen sogenannte Einhänge-Probenhalter mit entsprechenden Kopf- und Gewindeaufnahmen zum Einsatz. Damit wird unter anderem sichergestellt, dass die in der Norm ISO 8981 vorgegebene Mindestprobenlänge für Schrauben aus Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl eingehalten wird. Die Probenhalter stehen sowohl für die Prüfung von Schrauben und Muttern, als auch für die Prüfung von Schulter- und Gewindekopfproben nach entsprechenden Normen zur Verfügung. Mit Hilfe von speziellen Prüfdornen und Matrizen sind sie außerdem für Prüfkraftversuche (Zug- und Druckversuche) an Muttern einsetzbar.

Prüfsoftware und Regelelektronik

Zur Prüfung der Festigkeitswerte von Schrauben und Muttern nach ISO 8981 und ISO 8982 ist die von Zwick Roell entwickelten Prüfsoftware Test Xpert III bereits mit einer entsprechenden Prüfvorschrift ausgestattet. Die in den Normen geforderte Mindestbruchkraft ist bereits hinterlegt und wird mit Prüfergebnissen abgeglichen. Darüber hinaus bietet die Software ein intuitives Bedienkonzept für alle Prüfmaschinen und Prüfgeräte und führt den Bediener von der Vorbereitung über die Durchführung der Prüfung bis hin zur Ergebnisanalyse. Unterstützt wird er auch durch die Regelelektronik Test Control II. In Verbindung mit der Prüfsoftware erlaubt sie schon bei sehr geringen Dehnungen eine präzise Regelung der Dehngeschwindigkeit über einen geschlossenen Regelkreis.

Anspruchsvolle Prüfungen von Hochleistungs-Schrauben effizient durchführen

Mit seinem breiten Spektrum modularer Prüfmaschinen zeigt der Hersteller, dass auch anspruchsvolle Prüfungen von Hochleistungs-Schrauben effizient durchgeführt werden können. Dazu tragen auf die jeweilige Prüfaufgabe zugeschnittene Kraftbereiche und die einfache Anpassung der Halterungen für Schrauben und Muttern auf andere Größen bei. Von Vorteil sind zudem die einfache und schnelle Bestückung und der frontale Zugriff auf die Werkzeuge. jg

Details zu den servohydraulischen Prüfmaschinen von Zwick Roell:

hier.pro/Kj3Hs

Kontakt:

Zwick Roell GmbH & Co. KG
August-Nagel-Straße 11
89079 Ulm
Tel. +49 7305 10–0
Fax: +49 7305 10–11200
info@zwickroell.com
www.zwickroell.com



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