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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln der technologischen Eigenschaften eines Prüfkörpers nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Bestimmen der technologischen Eigenschaften eines Prüfkörpers.
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Sollen beispielsweise im Rahmen von industriell eingesetzten Umformverfahren zum Herstellen von Bauteilen deren Parameter optimiert werden, müssen die Werkstoffeigenschaften der verwendeten Materialien und deren Veränderung im Laufe des Umformverfahrens untersucht werden. Diese Untersuchungen können aber auch an vielen anderen Stellen in der industriellen Fertigung notwendig sein. Hierzu werden üblicherweise Probeexemplare des herzustellenden Bauteils verwendet, aus denen entsprechende Proben entnommen werden, die dann technologischen und metallurgischen Untersuchungen unterzogen werden. Dies ist aufwändig und teuer und kann erst erfolgen, wenn die entsprechenden Werkzeuge zur Erzeugung des Bauteils bereitgestellt werden.
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Weiterhin ist es bekannt, Ziehversuche an ebenen Prüfkörpern durchzuführen. Diese sind jedoch in ihrer bekannten Form nur teilweise geeignet, Umformprozesse mit vorausgeschalteten und/oder nachgelagerten Wärmebehandlungen beständig zu simulieren, bzw. benötigen einen hohen experimentellen Aufwand, um eine derartige vollständige Simulation zu erhalten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem die technologischen Eigenschaften eines Prüfkörpers bei Durchführung eines Umformprozesses in Kombination mit einer beispielsweise induktiven Wärmebehandlung besonders schnell und einfach ermittelt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
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Eine solche Vorrichtung zum Ermitteln der technologischen Eigenschaften eines Prüfkörpers weist eine Einspannvorrichtung auf, in welcher der Prüfkörper einspannbar ist. Erfindungsgemäß ist zumindest ein sich über die gesamte Messlänge des Prüfkörpers erstreckender Induktor zum induktiven Erwärmen des Prüfkörpers vorgesehen. Dies ermöglicht eine besonders schnelle und einfache Bestimmung der Werkstoffeigenschaften bzw. deren Veränderung eines metallischen Prüfkörpers während eines Umformverfahrens in Kombination mit Wärmebehandlungen.
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Vorzugsweise weist der zumindest eine Induktor über die gesamte Länge des möglichen Zugwegs einen konstanten Abstand zu einem eingespannten Prüfkörper auf. Dies ermöglicht es, den Prüfkörper möglichst gleichmäßig und homogen zu erhitzen, so dass keine Verfälschung der Prüfergebnisse durch Temperaturgradienten oder dergleichen auftreten.
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Es ist dabei zweckmäßig, wenn dieser Abstand einstellbar ist, so dass die Feldstärke des vom Induktor erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes, welches auf den Prüfkörper wirkt, auf einfachste Weise variiert werden kann. Somit sind auch unterschiedlichste Prozessparameter, wie Temperatur und Zeit, als Einflussfaktoren auf die technologischen bzw. mechanischen Eigenschaften abprüfbar.
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Vorzugsweise ist der Induktor verschiebbar, so dass die Relativlage von Induktor und Prüfkörper in einer weiteren Raumrichtung eingestellt werden kann, um gegebenenfalls die Prozessparameter zu optimieren.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung gleichzeitig dazu geeignet, eine Zugkraft auf den Zugkörper auszuüben. Hierdurch kann innerhalb eines einigen Prüfstandes die Erwärmung des Prüfkörpers und die Bestimmung dessen mechanischer Eigenschaften durchgeführt werden, was eine hohe Effizienz der Prüfung mit sich bringt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bestimmen der technologischen Eigenschaften eines Prüfkörpers, bei welchem der Prüfkörper in eine Einspannvorrichtung eingespannt wird. Bei der Durchführung des Verfahrens wird der Prüfkörper induktiv auf eine vorgegebene Temperatur für einen vorgegebenen Zeitraum erwärmt. Nach dieser Wärmebehandlung wird der Prüfkörper auf Raumtemperatur abgekühlt und anschließend mit einer Zugkraft beaufschlagt. Hierdurch kann ein eingangs beschriebener Umformprozess mit Wärmebehandlung vollständig simuliert werden, so dass die Prüfung besonders schnell und effizient durchgeführt werden kann.
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Vorteilhafterweise wird die Beaufschlagung des Prüfkörpers mit der Zugkraft in einer separaten Zugvorrichtung durchgeführt. So kann eine bereits vorhandene Standard-Zug-Prüfmaschine ohne Anpassungen zur Durchführung des Verfahrens verwendet werden.
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Alternativ kann die Beaufschlagung mit der Zugkraft in derselben Vorrichtung durchgeführt werden. So kann ein kompletter Umformprozess mit integrierter Wärmebehandlung in einer einzigen Einspannung schnell und effizient durchgeführt werden, ohne dass der Prüfkörper zwischendurch entnommen und wieder eingespannt werden muss.
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Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt hierbei eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
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Eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Vorrichtung zum Durchführen einer induktiven Erwärmung an einem Prüfkörper umfasst eine Einspannvorrichtung 12 mit einer oberen Klemme 14 und einer unteren Klemme 16, zwischen welchen der Prüfkörper einspannbar ist. Seitlich sind Induktoren 20 mit einem Flusskonzentrator 22 angebracht.
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Diese Vorrichtung kann beispielsweise im Rahmen eines mehrstufigen Umformprozesses verwendet werden. Zum Umformen von festen Prüfmaterialien ist es bekannt, eine mehrstufige Umformung durchzuführen. So offenbart beispielsweise die
DE 10 2008 032 911 A1 ein Tiefziehverfahren für Aluminiumbleche. Hierbei wird das Aluminiumblech in einem ersten Umformschritt mit einer ersten Ziehtiefe tiefgezogen und anschließend einer Wärmbehandlung unterzogen. Die Wärmbehandlung dient dem Abbau von Spannungen, die während des ersten Ziehschritts in das Metall eingebracht wurden. Nach Abkühlen des Blechs folgt ein weiterer Ziehschritt in die endgültige Form. Durch die Mehrstufigkeit des Tiefziehprozesses mit zwischengelagerten Wärmebehandlungsschritten kann so eine höhere Ziehtiefe erreicht werden, ohne dass es zum Auftreten von Spannungsrissen oder dergleichen kommt.
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Zum Prüfen eines Werkstoffs auf seine Eignung für die Durchführung eines mehrstufigen Zugverfahrens mit zwischengelagerter Wärmebehandlung wird ein Prüfkörper aus dem genannten Werkstoff zunächst definiert in einer separaten Zugprüfmaschine, die auf der Zeichnung nicht dargestellt ist, vorverformt. Nach diesem ersten Umformschritt wird anschließend dieser Prüfkörper zwischen den Klemmen 14, 16 der Vorrichtung 10 eingespannt und mittels der Induktoren 20 mit einer Wechselspannung wärmebehandelt. Das entstehende elektromagnetische Wechselfeld führt zur Entstehung von Wirbelströmen im Prüfkörper, wodurch sich dieser erwärmt. Durch geeignete Beaufschlagung der Induktoren 20 mit Strom kann der Prüfkörper auf eine bestimmte vorgegebene Temperatur gebracht und auch wenn notwendig an dieser gehalten werden. Die Erwärmung wird dabei beispielsweise mittels einer Thermografiekamera überwacht.
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Um die Parameter der Erwärmung schnell und einfach verändern zu können, kann der Abstand zwischen Induktor 20 und Prüfkörper verstellt werden. Weiterhin ist der gesamte Induktor 20 verschiebbar gestaltet.
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Nach einer vorgegebenen Zeit wird diese Wärmebehandlung beendet. Durch die Wärmebehandlung können sich Materialspannungen, die während des ersten Umformschrittes in den Prüfkörper eingebracht wurden, wieder abbauen. Der Prüfkörper kann nun aus der Vorrichtung 10 entnommen werden.
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Nach Abkühlen des Prüfkörpers auf Raumtemperatur wird mittels der separaten Zugprüfmaschine eine weitere Verformung des Prüfkörpers vorgenommen. Der Prüfkörper kann nun metallurgisch auf die Änderung seiner technologischen Eigenschaften, beispielsweise auf seine Umformbarkeit, untersucht werden.
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Insgesamt ist durch die Vorrichtung 10 eine besonders einfach experimentell durchzuführende Prüfung von Materialien auf deren Eignung zur Durchführung mehrstufiger Umformverfahren mit einer davor- oder dazwischengelagerten Wärmebehandlung möglich. Hierdurch kann bereits vor der konkreten Auslegung von entsprechenden Umformwerkzeugen bzw. vor der konkreten Planung der Art der Wärmebehandlung festgestellt werden, wie sich die metallurgischen Eigenschaften des Werkstoffes bei der Durchführung der Wärmebehandlung verändern, so dass die Vorrichtung 10 eine besonders einfache und schnelle Abstimmung und Optimierung solcher Umformprozesse erlaubt.
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Mit der Vorrichtung können beispielsweise metallische Prüfkörper, aber auch Prüfkörper aus anderen Materialien, wie beim hinlänglich bekannten Zugversuch auch, erwärmt und im Anschluss untersucht werden. Denkbar ist beispielsweise die Verwendung von Prüfkörpern aus Kunststoffen.
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Im Unterschied zu dem oben dargestellten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, in der Vorrichtung 10 Mittel zum Beaufschlagung des Prüfkörpers mit einer Zugkraft vorzusehen, so dass Erwärmung und Zugprüfung in einer einzigen Vorrichtung durchgeführt werden können, ohne dass der Prüfkörper entnommen und neu eingespannt werden muss.
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Neben dem oben exemplarisch dargestellten Einsatz der Vorrichtung im Rahmen der Umformung von Bauteilen in Kombination mit einer Wärmebehandlung ist die Vorrichtung immer dann einsetzbar, wenn das Verhalten bzw. die Änderung technologischer Eigenschaften von Werkstoffen unter Wärmeeinfluss untersucht werden soll, denn sie gewährleistet eine homogene Erwärmung eines Prüfkörpers, der dann anschließend untersucht werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008032911 A1 [0016]
