DE102014009557A1 - Test device and method for determining material properties - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Testvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von Materialeigenschaften bei hohen oder höchsten mechanischen und thermischen Beanspruchungen. Mit der Testvorrichtung wird ein als Werkstück 20 zu testendes Material mit einem Werkzeug (Schneidkeil 14) in mindestens einer Relativbewegung vc bearbeitet. Die Testvorrichtung 10 umfasst eine Werkstückführung 12 und einen motorischen Antrieb zur Erzeugung der Relativbewegung vc. Es sind mindestens ein Messgerät 100 zur Erfassung von Temperaturen und ein optisches Messgerät 110 zur Erfassung von Materialverformungen und ein Kraftmessgerät 120 zur Erfassung der Bearbeitungskräfte vorhanden, wobei die Messgeräte die Messgrößen gleichzeitig oder nacheinander (bei identischen Testbedingungen) erfassen. Das zu testende Material (Prüfstab 20) kann mit dem Werkzeug 14 in mehreren Relativbewegungen vc mit identischen Testbedingungen bearbeitet werden, wobei die Materialparameter aus den von den Messgeräten 100, 110, 120 nacheinander erfassten Daten ermittelt werden.The invention relates to a test device and a method for determining material properties at high or highest mechanical and thermal stresses. With the test device, a material to be tested as a workpiece 20 is processed with a tool (cutting wedge 14) in at least one relative movement vc. The test apparatus 10 comprises a workpiece guide 12 and a motor drive for generating the relative movement vc. At least one measuring device 100 for detecting temperatures and an optical measuring device 110 for detecting material deformations and a force measuring device 120 for detecting the machining forces are present, wherein the measuring devices record the measured variables simultaneously or successively (under identical test conditions). The material to be tested (test rod 20) can be processed with the tool 14 in several relative movements vc with identical test conditions, wherein the material parameters are determined from the data sequentially acquired by the measuring devices 100, 110, 120.

Description

Die Erfindung betrifft eine Testvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von thermomechanischen Materialeigenschaften unter dem Lastkollektiv eines Bearbeitungsprozesses, insbesondere einer spanenden Bearbeitung. Es handelt sich um die zerstörende Materialprüfung unter realistischen Bearbeitungsbedingungen, bei denen ein als Werkstück zu testendes Material mit einem Werkzeug in Relativbewegung bearbeitet wird. Insbesondere dienen Testvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung zerspanungstechnischer Materialeigenschaften zur Nutzung in Simulationssystemen und Rechencodes.The invention relates to a test apparatus and a method for determining thermomechanical material properties under the load collective of a machining process, in particular a machining. It is the destructive material test under realistic machining conditions, in which a material to be tested as a workpiece is machined with a tool in relative motion. In particular, test apparatus and methods for determining machining material properties are for use in simulation systems and calculation codes.

Bekannt sind Messverfahren über berührungslose, vorzugsweise optische Verfahren, welche bei elastischer Verformung von Gegenständen einsetzbar sind. In einer Reihe dieser Verfahren werden Lichtleitfasern eingesetzt, deren optische Eigenschaften zur Ableitung von Materialeigenschaften benutzt werden. Hiervon können beispielhaft genannt werden US 5009505 A1 , US 5064270 A1 , US 5164587 A1 , US 20010026362 A1 .Measuring methods are known via non-contact, preferably optical, methods which can be used for elastically deforming objects. In a number of these methods, optical fibers are used whose optical properties are used to derive material properties. These may be mentioned by way of example US 5009505 A1 . US Pat. No. 5,064,270 A1 . US 5164587 A1 . US 20010026362 A1 ,

Messverfahren, die eine Probe bei einer Verformung (insbesondere einer plastischen Verformung) erfassen, sind bekannt, beispielsweise bei einem Pendelschlagversuch in der DE 10 2005 048 251 B4 .Measuring methods that detect a sample in a deformation (in particular a plastic deformation) are known, for example, in a pendulum impact test in the DE 10 2005 048 251 B4 ,

In der DE 10 2007 037 726 A1 wird ein Verfahren beschrieben, in dem über ein Kamerasystem eine berührungsfreie Analyse von Form, Deformation und Beanspruchung fester, granularer und flüssiger Proben vorgenommen wird. Mit dem System kann eine zweidimensionale Analyse (2D) einer Werkstückoberfläche vorgenommen werden. Bildaufnahme, Bildverarbeitung und Bildauswertung werden über digitale Bildkorrelationsalgorithmen umgesetzt.In the DE 10 2007 037 726 A1 describes a method in which a non-contact analysis of the shape, deformation and stress of solid, granular and liquid samples is performed by means of a camera system. With the system, a two-dimensional analysis (2D) of a workpiece surface can be made. Image acquisition, image processing and image analysis are implemented via digital image correlation algorithms.

Bekannt ist das sogenannte Spanwurzel- oder Quick-Stop-Verfahren nach Altan et al. in Process Modeling of High Speed Cutting using 2D FEM, 2007 . Bei diesem Verfahren wird eine Probe mit mindestens einer Sollbruchstelle vorbehandelt und in einem einzigen Materialschnitt ein Span abgetrennt. Die Verformung des Spans wird mikroskopisch analysiert. Die Nachteile des Verfahrens sind, dass jeweils nur ein einziger Verformungsvorgang untersucht wird und keine Temperatur erfasst wird. Der Test entspricht nicht einem Zerspanungsvorgang, wie er beispielsweise auf einer Drehbank stattfindet. Die gewonnenen Kennwerte haben eine große statistische Fehlerbreite, da über Einzeltests gemittelt wird und keine kontinuierliche Datenaufnahme erfolgen kann.Known is the so-called Spanwurzel- or Quick-Stop method after Altan et al. in Process Modeling of High Speed Cutting using 2D FEM, 2007 , In this method, a sample is pretreated with at least one predetermined breaking point and separated in a single material cut a chip. The deformation of the chip is analyzed microscopically. The disadvantages of the method are that only a single deformation process is examined and no temperature is detected. The test does not correspond to a cutting process, such as takes place on a lathe. The obtained characteristic values have a large statistical error width, since it is averaged over individual tests and no continuous data acquisition can take place.

Belastungen bei spanenden Verfahren treten vor allem durch die Überlagerung von sehr hohen plastischen Dehnungen, hohen Dehngeschwindigkeiten und Temperaturen auf. Materialverhalten wird durch konstitutive Gleichungen beschrieben. Diese werden durch individuelle Parameter spezifisch auf das zu beschreibende Material kalibriert. Grundlage der Materialbeschreibung sind somit materialspezifische Parameter in geeigneten konstitutiven Gleichungen. Simulationssysteme werden oft (nur) auf der Basis vorgefertigter Materialbibliotheken angeboten. In den meisten Fällen handelt es sich dabei um Standardmaterialien. Für einzelne Behandlungszustände der Werkstoffe müssen in aufwändigen Untersuchungen die zutreffenden Parameter ermittelt werden. Dies ist mit hohen Kosten und langen Wartezeiten verbunden. Zudem stehen diese Werkstoffmodelle oft nur exklusiv Auftraggebern zur Verfügung. Materialbibliotheken weisen weiterhin oft nur sehr begrenzte Umfänge auf. Gerade vor dem Hintergrund der enormen Bandbreite metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe und sich rasant weiterentwickelnder Materialien bieten die Bibliotheken oft keine Umfänge für eine optimale thermomechanische Beschreibung an.Stresses in cutting processes occur mainly due to the superposition of very high plastic strains, high strain rates and temperatures. Material behavior is described by constitutive equations. These are calibrated by individual parameters specific to the material to be described. The material description is therefore based on material-specific parameters in suitable constitutive equations. Simulation systems are often offered (only) on the basis of ready-made material libraries. In most cases these are standard materials. For individual treatment conditions of the materials, the appropriate parameters must be determined in complex investigations. This is associated with high costs and long waiting times. In addition, these material models are often available exclusively to clients. Material libraries often still have very limited extents. Especially against the background of the enormous range of metallic and non-metallic materials and rapidly evolving materials, the libraries often do not offer any scope for an optimal thermomechanical description.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Testvorrichtung und ein Verfahren anzugeben, bei denen über die Erfassung von Temperatur, Verformung und Kraftaufwand während eines Bearbeitungsvorgangs, insbesondere bei einem Zerspanungsprozess, Messdaten ableitbar sind, die eine umfassende Charakterisierung von Materialien zulassen. Insbesondere sollen ihre relevanten Eigenschaften, die für spanabhebende Bearbeitung mit Parametern beschrieben werden, die in konstitutiven Gleichungen nutzbar sind.It is the object of the invention to specify a test device and a method in which measurement data can be derived via the detection of temperature, deformation and force during a machining operation, in particular during a machining process, which permit a comprehensive characterization of materials. In particular, their relevant properties, which are described for machining with parameters that can be used in constitutive equations.

Die Lösung der Aufgabe wird in den Kennzeichen der Nebenansprüche formuliert. In zugehörigen Unteransprüchen werden weitere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben.The solution of the problem is formulated in the characteristics of the additional claims. In associated subclaims further preferred embodiments are described.

Der Kern der Erfindung liegt darin, dass eine Testvorrichtung eingesetzt wird, mit optischen Messgeräten zur Erfassung von Temperaturen und zur Erfassung von Materialverformungen, sowie ein Kraftmessgerät zur Erfassung der Bearbeitungskräfte, wobei die Messgeräte die Messgrößen bei hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen erfassen und aus den Messdaten über das Verfahren Materialkennwerte aus dem realen thermomechanischen Lastkollektiv abgeleitet werden.The core of the invention is that a test device is used, with optical measuring devices for detecting temperatures and for detecting material deformations, as well as a force measuring device for detecting the machining forces, wherein the measuring devices detect the measured variables under high mechanical and thermal stresses and from the measured data Material process parameters can be derived from the real thermomechanical load spectrum via the process.

Da das Werkstück mit einem Werkzeug in linearer Relativbewegung spanabhebend bearbeitet wird, spricht man von einem orthogonalen Zerspanungsprozess im Gegensatz zu einer Bearbeitung auf einer Drehbank.Since the workpiece is machined with a tool in linear relative movement, one speaks of an orthogonal cutting process as opposed to a machining on a lathe.

Die Testvorrichtung zeichnet sich durch die Messung dreier Kenngrößen direkt unter dem Lastkollektiv der Zerspanung aus. Die Kenngrößen können bei einem Testvorgang (bei mindestens einer Relativbewegung) gleichzeitig oder nacheinander bei mehreren nacheinander folgenden Testvorgängen (Relativbewegungen) mit identischen Testeinstellungen gewonnen werden. Der Einsatz mehrerer nacheinander folgender Testvorgänge hat den Vorteil, dass sich in Werkstück und Werkzeug eine stabile Verarbeitungstemperatur einstellt. Die entstehenden Reaktionskräfte können über das Kraftmessgerät erfasst werden.The test device is characterized by the measurement of three parameters directly below the load spectrum of the machining. The parameters can be obtained during a test procedure (with at least one relative movement) simultaneously or successively with several successive test procedures (relative movements) with identical test settings. The use of several successive test procedures has the advantage that sets a stable processing temperature in the workpiece and tool. The resulting reaction forces can be detected by the force gauge.

Zur Testvorrichtung gehören mindestens eine Werkstückhalterung und eine Werkzeughalterung. Werkstück und Werkzeug werden mit einer Relativbewegung (Schnittgeschwindigkeit) gegeneinander verschoben. Der Antrieb des bewegten Elements wird vorzugsweise über einen motorischen Antrieb realisiert, der das oder die bewegten Elemente auf konstante Relativgeschwindigkeit für die Messphase beschleunigt.The test device includes at least one workpiece holder and a tool holder. Workpiece and tool are moved against each other with a relative movement (cutting speed). The drive of the moving element is preferably realized by means of a motor drive which accelerates the moving element or elements to a constant relative speed for the measuring phase.

Die Messwerte können über eine besonders große Versuchslänge aufgenommen werden. Es wird unter realitätsnahen Bedingungen gemessen, wobei möglichst große Schnittgeschwindigkeiten und dementsprechend hohe Umformgeschwindigkeiten erfassbar sind.The measured values can be recorded over a particularly long test length. It is measured under realistic conditions, whereby the highest possible cutting speeds and correspondingly high deformation speeds can be detected.

Es wird ein erstes Kamerasystem als Infrarot-Thermokamera eingesetzt sowie ein zweites Kamerasystem als Bildverarbeitungssystem. Die Kamerasysteme können mit Mikroskopieobjektiv ausgerüstet sein. Solche Bildverarbeitungssysteme werden in der Werkstoffprüftechnik genutzt, um Deformationsfelder während einer Materialprüfung zu bestimmen, beispielsweise in Zugversuchen. Die Kennwerte werden aus den Hochgeschwindigkeitsaufnahmen ermittelt. Zur Erfassung der Werkstücktemperatur kann neben dem ersten Kamerasystem alternativ oder zusätzlich ein Zweifarbenpyrometer eingesetzt werden. Ein Zweifarbenpyrometer hat eine Lichtleitfaser-Optik, welche nahe an das Werkstück herangebracht werden kann. Bei der vorgeschlagenen Testvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Lichtleitfaser durch eine Bohrung im Werkzeug eingeführt und bis dicht an die Oberfläche des Werkzeugs und somit nah an die Zone des sich abhebenden Spans positioniert wird.A first camera system is used as an infrared thermal camera and a second camera system as an image processing system. The camera systems can be equipped with a microscope objective. Such image processing systems are used in material testing technology to determine deformation fields during a material test, for example in tensile tests. The characteristic values are determined from the high-speed recordings. To detect the workpiece temperature, a two-color pyrometer can alternatively or additionally be used in addition to the first camera system. A two-color pyrometer has optical fiber optics that can be brought close to the workpiece. In the proposed test device can be provided that the optical fiber is inserted through a hole in the tool and positioned close to the surface of the tool and thus close to the zone of the lifting Spans.

Die gegenüberliegenden Flächen des Werkstücks („Beobachtungsflächen”) liegen senkrecht zur Ausrichtung des Schneidkeils und senkrecht zur Relativbewegung. Vorzugsweise arbeitet die Testvorrichtung derart, dass der Prüfstab voranbewegt wird und Schneidkeil, Temperaturmessgerät und Verformungsaufzeichnungsgerät ortsfest verbleiben. Eine Umkehr der Relativbewegung mit stillstehendem Prüfstab und entsprechend bewegtem Schneidkeil und bewegten Messgeräten ist konstruktiv möglich und kann von der Prüfsituation abhängig eingestellt werden.The opposite surfaces of the workpiece ("observation surfaces") are perpendicular to the orientation of the cutting wedge and perpendicular to the relative movement. Preferably, the test device operates such that the test rod is advanced and the cutting wedge, temperature measuring device and deformation recording device remain stationary. A reversal of the relative movement with stationary test rod and correspondingly moving cutting wedge and moving measuring devices is constructively possible and can be adjusted depending on the test situation.

Die folgenden Merkmale der Erfindung können im Einzelnen oder gemeinsam verwirklicht sein, je nach Zweckmäßigkeit und technischer Möglichkeit.The following features of the invention may be realized in detail or in common, as appropriate and technical possibility.

Die Messgeräte werden bei einer spanabhebenden Bearbeitung eingesetzt, wobei das verformende Werkzeug ein als Schneidkeil ausgebildetes Zerspanwerkzeug ist.The measuring devices are used in a machining operation, wherein the deforming tool is designed as a cutting wedge cutting tool.

Die Messgeräte sind zur Messung oder Aufzeichnung bei Hochgeschwindigkeit vorgesehen.The measuring devices are intended for measurement or recording at high speed.

Das Kraftmessgerät befindet sich vorzugsweise hinter einer Aufnahme des Werkzeugs bei einem Testvorgang mit stillstehendem Werkzeug hinter oder unter der Werkstückhalterung bei einem Testvorgang mit stillstehendem Werkstück. Das Kraftmessgerät kann ein Gerät sein, welches auf piezoelektrischer Basis arbeitet.The force measuring device is preferably located behind a receptacle of the tool during a test procedure with a stationary tool behind or under the workpiece holder during a test procedure with a stationary workpiece. The force measuring device may be a device which operates on a piezoelectric basis.

Die Kamerasysteme können auf gegenüberliegende Flächen des Werkstücks oder auf nur eine Beobachtungsfläche gerichtet werden.The camera systems can be directed to opposite surfaces of the workpiece or to only one observation surface.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung der Materialeigenschaften, insbesondere der zerspanungstechnischen Eigenschaften mit der vorgelegten Testvorrichtung eingesetzt.According to the invention, a method is used for determining the material properties, in particular the machining properties, with the test device presented.

Der Einsatz der Testvorrichtung ermöglicht die Bestimmung von Materialparametern für konstitutive Gleichungen. Die von den Messgeräten erfassten Daten werden an Verarbeitungssysteme übermittelt, mit denen über Rechenalgorithmen und/oder Simulationsläufe Materialparameter ermittelt werden.The use of the test device allows the determination of material parameters for constitutive equations. The data acquired by the measuring devices is transmitted to processing systems with which material parameters are determined by means of calculation algorithms and / or simulation runs.

Die Kenngrößen können bei einem Testvorgang (bei einer Relativbewegung) gleichzeitig gewonnen werden. Außerdem kann das Verfahren so ausgelegt sein, dass das zu testende Material mit dem Werkzeug in mehreren Relativbewegungen bei denselben Testbedingungen bearbeitet wird, wobei die Materialparameter aus den von den Messgeräten nacheinander erfassten Daten ermittelt werden.The parameters can be obtained simultaneously during a test procedure (in the case of a relative movement). In addition, the method may be designed so that the material to be tested is processed with the tool in a plurality of relative movements under the same test conditions, wherein the material parameters are determined from the data sequentially acquired by the measuring devices.

Ein Beispiel für eine in dem Verfahren einsetzbare konstitutive Gleichung ist nach Johnson und Cook bekannt. In der Gleichung erscheinen die Materialgrößen, welche aus den Messwerten und der Auswertung gewonnen werden.An example of a constitutive equation that can be used in the method is known from Johnson and Cook. In the equation, the material quantities which are obtained from the measured values and the evaluation appear.

Die konstitutive Gleichung nach Johnson, Cook lautet: σ = [A + Bεn][1 + CInέ/έo][1 – {(T – To)/(Tm – To)}m] The constitutive equation for Johnson, Cook is: σ = [A + Bε n ] [1 + CInέ / έ o ] [1 - {(T - T o ) / (T m -T o )} m ]

Die Gleichung enthält die Messgrößen: Temperatur T, Dehnung ε; έ = dε/dt; Spannung σ; und die Größen: Raumtemperatur To; Schmelztemperatur Tm; Referenzdehnrate έo. Die Parameter A, B, C, m, n, repräsentieren das Materialverhalten. (Literatur. G. J. Johnson, W. H. Cook „A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures” in Proc. of 7th Intern. Symp. on Ballistics; The Hague 1983, pp 541–547 ). Wesentlich ist, dass die mathematischen Auswertungen Kennwerte liefern, die Verformungsvorgänge (hier Zerspanung) bei höchsten mechanischen und thermischen Beanspruchungen beschreiben. The equation contains the measured variables: temperature T, strain ε; έ = dε / dt; Stress σ; and the sizes: room temperature T o ; Melting temperature T m ; Reference expansion rate έ o . The parameters A, B, C, m, n represent the material behavior. (Literature. GJ Johnson, WH Cook "A Constituent Model and Data for Metals to Large Strains, High Strain Rates and High Temperatures" in Proc. of 7th Intern. Symp. On Ballistics; The Hague 1983, pp 541-547 ). It is essential that the mathematical evaluations provide characteristic values that describe deformation processes (in this case, machining) at the highest mechanical and thermal stresses.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch Testvorrichtung Materialkennwerte gewonnen werden, die in der industriellen Praxis bedarfsgerecht einsetzbar sind. Der Einsatz der Testvorrichtung ermöglicht die Bestimmung von Materialparametern für konstitutive Gleichungen, die in Simulationssysteme eingebunden werden können und eine hohe Vorhersagequalität haben.A particular advantage of the invention is that material characteristic values are obtained by means of a test device which can be used as required in industrial practice. The use of the test device allows the determination of material parameters for constitutive equations, which can be integrated in simulation systems and have a high predictive quality.

Die Erfindung wird in Figuren dargestellt, wobei diese im Einzelnen zeigen:The invention is illustrated in figures, which show in detail:

1: eine schematische Darstellung der Testvorrichtung, 1 : a schematic representation of the test device,

2: eine perspektivische Darstellung der Testvorrichtung und 2 a perspective view of the test device and

3: Ansicht auf Prüfkörper und Schneidkeil bei der Spanbildung. 3 : View on test specimen and cutting wedge during chip formation.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung der Testvorrichtung 10. Die Bestimmung der Datenbasis in einem Zerspanprozess erfolgt durch die In-situ-Analyse der Kraft-, Verformungs- und Temperaturmessdaten über den gesamten Versuchsablauf. Es wird eine Relativbewegung vc im Zerspanprozess zwischen Werkzeug 14 und Werkstück 20 in einer Längsrichtung eines als Prüfstab eingesetzten Werkstücks 20 vorgenommen. Die Schnitttiefe h wird durch einen relativen Versatz zwischen Werkzeug und Werkstück vor der Bearbeitung eingestellt.The 1 shows a schematic representation of the test device 10 , The determination of the database in a machining process is carried out by the in situ analysis of the force, deformation and temperature measurement data over the entire test procedure. There is a relative movement v c in the cutting process between tool 14 and workpiece 20 in a longitudinal direction of a workpiece used as a test rod 20 performed. The cutting depth h is set by a relative offset between the tool and the workpiece before machining.

Die Daten werden durch zwei optische Kamerasysteme 100, 110 berührungslos und durch eine Kraftmesseinrichtung 120 aufgenommen. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperaturmessung auch über ein Pyrometer erfolgen. Es wird ein als Versuchswerkzeug verwendeter Schneidkeil 14 zur Spanabhebung an einem Material 20 verwendet. Als Werkstück wird ein Stab eingesetzt, dessen ebene Oberseite zum Schneidkeil 14 gerichtet ist und bei dem die Schnittbreite b durch die Breite des zum Schneidkeil gerichteten Materials bestimmt ist. Der Querschnitt des Stabs ist so gewählt, dass er in seiner vom Schneidkeil entfernten Unterseite von der Antriebsmechanik sicher gefasst werden kann. Vorzugsweise kann der Querschnitt als ein auf dem Kopf stehendes T ausgebildet sein.The data is transmitted through two optical camera systems 100 . 110 contactless and by a force measuring device 120 added. Alternatively or additionally, the temperature measurement can also be carried out via a pyrometer. It becomes a cutting wedge used as an experimental tool 14 for chip removal on a material 20 used. As a workpiece, a rod is used, the flat top to the cutting wedge 14 is directed and in which the cutting width b is determined by the width of the cutting wedge material. The cross-section of the rod is chosen so that it can be safely caught in its underside removed from the cutting wedge by the drive mechanism. Preferably, the cross section may be formed as an upside down T.

Die Verformungs- und Temperaturmessdaten werden optisch in Ebenen gewonnen, die senkrecht zur Schnittfläche liegen. Die Schneidkeilkante 16 kann rechtwinklig zur Bewegungsrichtung oder schräg dazu eingestellt sein. Die Kinematik entspricht einer Simulation im Orthogonalschnitt. Vorzugweise werden Verformungs- und Temperaturmessdaten auf gegenüberliegenden Seiten des Werkzeugs gewonnen. Die Vorrichtung ist jedoch so variabel und flexibel gestaltet, dass auch Aufnahmen auf nur einer Seite (auf nur einer Beobachtungsfläche) des Werkstücks möglich sind.Deformation and temperature data are obtained optically in planes perpendicular to the cut surface. The cutting wedge edge 16 can be set at right angles to the direction of movement or at an angle. The kinematics corresponds to a simulation in the orthogonal section. Preferably, strain and temperature data are obtained on opposite sides of the tool. However, the device is designed so variable and flexible that shooting on only one side (on only one observation surface) of the workpiece are possible.

Die Temperaturerfassung erfolgt mit dem ersten Kamerasystem 100, ebenso werden die Umformungen bei der Spanbildung optisch von dem zweiten Kamerasystem 110 erfasst. Eine Kraftmessplattform 120 ist unmittelbar hinter oder unter der Werkzeugaufnahme 12 angeordnet und misst die vorhandenen Reaktionskräfte.The temperature detection takes place with the first camera system 100 Similarly, the reshaping during chip formation optically from the second camera system 110 detected. A force measuring platform 120 is immediately behind or under the tool holder 12 arranges and measures the existing reaction forces.

Die Bewegung des als Prüfstab ausgebildeten Materials erfolgt durch einen Antrieb, mit dem eine hohe Verfahrgeschwindigkeit und eine hohe Anfangsbeschleunigung erreichbar sind. Der Antrieb beschleunigt den Prüfstab auf eine vorher festgelegte Prüf- oder Schnittgeschwindigkeit vc.The movement of the material designed as a test rod is carried out by a drive with which a high travel speed and a high initial acceleration can be achieved. The drive accelerates the test rod to a predetermined test or cutting speed v c .

Als Antrieb des Prüfstabs in der Werkstückführung 12 kann beispielsweise ein Zahnriementrieb vorgesehen sein. Ein alternativer Antrieb kann ein Linearmotor sein, der den Prüfstab in der Längsrichtung direkt antreibt. Jeder andere Antrieb zur Erreichung einer konstanten Schnittgeschwindigkeit dürfte ebenso geeignet sein. Während der kontinuierlichen Spanabnahme steht der Schneidkeil still und der Prüfstab wird bewegt. Die Testvorrichtung ist auf folgende typische Prüfparameter eingerichtet, die hier beispielhaft genannt werden, wobei eine Variation der Prüfparameter über die genannten Wertebereiche hinaus vorgenommen werden kann.
Stablänge größer 1 m (bis 3 m), davon 1/5 oder 1/4 als „Beschleunigungsstrecke”;
Schnittweite (b) 2 mm und größer;
Schnitttiefe (h) 0,05 bis 0,4 mm; in Schritten von 0,01 mm;
Schnittgeschwindigkeit (vc) größer 30 m/min (bis 200 m/min);
Anfangsbeschleunigung (zum schnellen Erreichen einer konstanten Schnittgeschwindigkeit) ca. 10 m/s2;
Kameras
Thermokamera oder Pyrometer Aufnahmegeschwindigkeit ca. 300 Hz und größer;
Umformaufnahmenkamera Aufnahmegeschwindigkeit ca. 180 Hz;
Bildfeld ca. 10 × 10 mm2.As a drive of the test rod in the workpiece guide 12 For example, a toothed belt drive can be provided. An alternative drive may be a linear motor that directly drives the test rod in the longitudinal direction. Any other drive to achieve a constant cutting speed should also be suitable. During continuous chip removal, the cutting wedge stops and the test rod is moved. The test apparatus is set up on the basis of the following typical test parameters, which are mentioned here by way of example, wherein a variation of the test parameters beyond the stated value ranges can be carried out.
Rod length greater than 1 m (up to 3 m), of which 1/5 or 1/4 as "acceleration section";
Cutting width (b) 2 mm and larger;
Depth of cut (h) 0.05 to 0.4 mm; in steps of 0.01 mm;
Cutting speed (v c ) greater than 30 m / min (up to 200 m / min);
Initial acceleration (to reach a constant cutting speed quickly) approx. 10 m / s 2 ;
cameras
Thermal camera or pyrometer recording speed approx. 300 Hz and larger;
Forming camera Recording speed approx. 180 Hz;
Image field approx. 10 × 10 mm 2 .

Der Schneidkeil kann vor der Bearbeitung orthogonal zu der Bewegungsrichtung oder mit einer Schrägstellung zur Bewegungsrichtung eingestellt werden. Die Enden des Prüfstabs können vorzugsweise abgeschrägt sein, damit ein sanfter Anschnitt erzeugt wird. Die Dicke 32 des Spans 30 entsteht durch das Maß der Zustellung (Schnitttiefe h) des Schneidkeils. Die Zustellung erfolgt mechanisch. Das Maß der Zustellung (Schnitttiefe h) ist in der Testvorrichtung stufenlos einstellbar.The cutting wedge can be adjusted orthogonal to the direction of movement or with an inclination to the direction of movement prior to machining. The ends of the test rod may preferably be bevelled to produce a gentle gate. The fat 32 of the chip 30 is created by the degree of infeed (cutting depth h) of the cutting wedge. The delivery is mechanical. The degree of delivery (cutting depth h) is infinitely adjustable in the test device.

Die Einspannung des Prüfstabs 20 in der Testvorrichtung erfolgt vorzugsweise mechanisch, wobei ein Verkanten oder Verklemmen während des Vorschubs vermieden wird. Der Prüfstab kann über eine Schraubenverbindung oder eine Klemmverbindung an einem Ende des Prüfstabs oder an beiden Enden des Prüfstabs an den Antriebsmechanismus angekoppelt sein The clamping of the test rod 20 in the test device is preferably carried out mechanically, with a jamming or jamming is avoided during the feed. The test rod may be coupled to the drive mechanism at one end of the test rod or at both ends of the test rod via a screw connection or a clamp connection

Die Testvorrichtung ist so konstruiert, dass Stabgeometrie und Schneidkeilgeometrie variierbar sind. Vorzugsweise wird ein Prüfstab eingesetzt, der rechteckigen Querschnitt hat, mit einer Breite ab 2 mm und einer Höhe von 20 bis 30 mm. Die Breite des Prüfstabs entspricht der Breite des Schneidkeils und entspricht der Schnittbreite b.The test device is designed so that bar geometry and cutting wedge geometry are variable. Preferably, a test rod is used, which has a rectangular cross section, with a width from 2 mm and a height of 20 to 30 mm. The width of the test rod corresponds to the width of the cutting wedge and corresponds to the cutting width b.

Während der Spanabnahme erfolgt die Datenaufnahme. Es werden u. a. folgende wesentliche Daten separiert: Temperatur im Material und/oder am Span, der Winkel unter dem die Scherebene verläuft, die Dicke der primären und sekundären Scherzone sowie die Schnitttiefe und die Dicke des Spans.During the chip removal the data acquisition takes place. It will u. a. the following essential data are separated: temperature in the material and / or chip, the angle under which the shear plane passes, the thickness of the primary and secondary shear zone, and the depth of cut and the thickness of the chip.

Die 3 zeigt schematisch eine Ansicht auf Prüfkörper und Schneidkeil bei der Spanbildung. Folgende Parameter sind zeichnerisch dargestellt:
Prüfstab 12; Schnitttiefe h; Schneidkeil 14; Schneidkeilkante 16; Schneidkeilwinkel α; Anstellwinkel γ des Schneidkeils; Span 30, Spandicke 32. Das Deformationsfeld DF auf einer Beobachtungsfläche (22, 24) ist schematisch gedeutet, woraus im Thermokamerasystem Temperaturen und im Verformungsaufzeichnungsgerät die zuvor genannten plastomechanischen Kenngrößen erfasst werden. Aus den erfassten Daten kann über Rechenalgorithmen auf die konstitutiven Materialparameter geschlossen werden.The 3 schematically shows a view of test specimen and cutting wedge in chip formation. The following parameters are shown graphically:
Test rod 12 ; Cutting depth h; cutting wedge 14 ; Cutting wedge edge 16 ; Cutting wedge angle α; Angle of attack γ of the cutting wedge; chip 30 , Chip thickness 32 , The deformation field DF on an observation surface ( 22 . 24 ) is interpreted schematically, from which temperatures in the thermal camera system and in the deformation recording device, the aforementioned plastomechanical characteristics are detected. From the acquired data it is possible to deduce the constitutive material parameters by means of calculation algorithms.

Weiterhin ist für den Einsatz eines Pyrometers mit Lichtleitfaser-Optik im Schneidkeil 14 eine Bohrung 18 vorhanden. Darin kann eine Lichtleitfaser nahe an die innere Oberfläche des sich abhebenden Spans 30 herangebracht werden kann.Furthermore, for the use of a pyrometer with optical fiber optic in the cutting wedge 14 a hole 18 available. Therein, an optical fiber may be close to the inner surface of the lifting chip 30 can be brought.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Testvorrichtungtest device
1212
WerkstückführungWork guide
1414
Werkzeug (Schneidkeil)Tool (cutting wedge)
1515
Werkzeughalterungtool holder
1616
SchneidkeilkanteCutting wedge edge
1818
Bohrung für LichtleitfaserBore for optical fiber
2020
Werkstück (Prüfstab)Workpiece (test rod)
2222
erste Beobachtungsflächefirst observation area
2424
zweite Beobachtungsflächesecond observation area
3030
Spanchip
3232
Spandickechip thickness
100100
1. Temperaturmessgerät (Thermokamera)1. Temperature measuring device (thermal camera)
102102
Temperaturverarbeitungtemperature processing
110110
VerformungsaufzeichnungsgerätDeformation recorder
112112
Verformungsverarbeitungdeformation processing
120120
Kraftmessgerätforce gauge
122122
Kraftverarbeitungforce processing
DFDF
Deformationsfelddeformation field
vc v c
Relativbewegung (Schnittgeschwindigkeit)Relative movement (cutting speed)
hH
Schnitttiefecutting depth
bb
Schnittbreitecutting width
αα
SchneidkeilwinkelCutting wedge angle
γγ
Anstellwinkelangle of attack

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (10)

Testvorrichtung zur Bestimmung von Materialeigenschaften bei mechanischen und thermischen Beanspruchungen, die durch Bearbeitungsvorgänge im Material hervorgerufen werden, wobei ein als Werkstück (20) zu testendes Material mit einem Werkzeug (14) in mindestens einer Relativbewegung (vc) bearbeitet wird, und die Testvorrichtung (10) eine Werkstückführung (12) und einen motorischen Antrieb zur Erzeugung der Relativbewegung (vc) umfasst, wobei weiter Messgeräte vorhanden sind, • mindestens ein Messgerät (100) zur Erfassung von Temperaturen und ein optisches Messgerät (110) zur Erfassung von Materialverformungen und • ein Kraftmessgerät (120) zur Erfassung der Bearbeitungskräfte, wobei die Messgeräte die Messgrößen gleichzeitig oder nacheinander erfassen.Test device for determining material properties in the case of mechanical and thermal stress caused by machining operations in the material, wherein a workpiece ( 20 ) material to be tested with a tool ( 14 ) is processed in at least one relative movement (v c ), and the test device ( 10 ) a workpiece guide ( 12 ) and a motor drive for generating the relative movement (v c ), wherein further measuring devices are present, • at least one measuring device ( 100 ) for detecting temperatures and an optical measuring device ( 110 ) for detecting material deformations and • a force measuring device ( 120 ) for recording the machining forces, wherein the measuring devices capture the measured variables simultaneously or successively. Testvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgeräte (100, 110, 120) bei einer spanabhebenden Bearbeitung eingesetzt werden und das verformende Werkzeug ein als Schneidkeil ausgebildetes Zerspanwerkzeug (14) ist.Test device according to claim 1, characterized in that the measuring devices ( 100 . 110 . 120 ) are used in a machining and the deforming tool designed as a cutting wedge cutting tool ( 14 ). Testvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgeräte (100, 110, 120) zur Messung oder Aufzeichnung bei Hochgeschwindigkeit vorgesehen sind.Test device according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring devices ( 100 . 110 . 120 ) are provided for measuring or recording at high speed. Testvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturmessgerät (100) und ein Verformungsaufzeichnungsgerät (120) auf gegenüberliegende Flächen des Werkstücks (20) gerichtet sind.Test device according to one of the preceding claims, characterized in that a temperature measuring device ( 100 ) and a deformation recorder ( 120 ) on opposite surfaces of the workpiece ( 20 ) are directed. Testvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtleitfaser über eine Bohrung (18) im Zerspanwerkzeug (14) eingebracht ist, und die Lichtleitfaser zur Temperaturerfassung eines Pyrometers dient.Test device according to one of the preceding claims, characterized in that an optical fiber via a bore ( 18 ) in the cutting tool ( 14 ), and the optical fiber is for temperature sensing of a pyrometer. Testvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftmessgerät (120) während der Relativbewegung (vc) bei stillstehendem Werkzeug (12) hinter einer Aufnahme des Werkzeugs (12) angeordnet ist und während der Relativbewegung bei stillstehendem Werkstück (20) hinter oder unter einer Werkstückhalterung angeordnet ist.Test device according to one of the preceding claims, characterized in that the force measuring device ( 120 ) during the relative movement (v c ) with the tool stopped ( 12 ) behind a picture of the tool ( 12 ) and during the relative movement with the workpiece stationary ( 20 ) is arranged behind or under a workpiece holder. Testvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Messgeräten (100, 110, 120) erfassten Daten an Verarbeitungssysteme (102, 112, 122) übermittelt werden, mit denen Materialparameter ausgebbar sind.Test device according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring devices ( 100 . 110 . 120 ) collected data to processing systems ( 102 . 112 . 122 ) are transmitted, with which material parameters can be output. Verfahren zur Bestimmung von Materialeigenschaften bei thermomechanischern Beanspruchung mit einer Testvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die von den Messgeräten erfassten Daten an Verarbeitungssysteme (102, 112, 122) übermittelt werden, mit denen über Simulationsläufe Materialparameter ermittelt werden.Method for determining material properties in the case of thermo-mechanical stress with a test device according to one of Claims 1 to 7, the data acquired by the measuring devices being sent to processing systems ( 102 . 112 . 122 ), with which material parameters are determined via simulation runs. Verfahren zur Bestimmung von Materialeigenschaften nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zu testende Material (20) mit dem Werkzeug (14) in mehreren Relativbewegungen (vc) bearbeitet wird und die Materialparameter aus den von den Messgeräten (100, 110, 120) nacheinander erfassten Daten ermittelt werden.Method for determining material properties according to claim 8, characterized in that the material to be tested ( 20 ) with the tool ( 14 ) is processed in several relative movements (v c ) and the material parameters from the of the measuring devices ( 100 . 110 . 120 ) collected sequentially. Verfahren zur Bestimmung von Materialeigenschaften nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als konstitutive Gleichung eine Gleichung zur Beschreibung eines Verformungsvorgangs bei hohen Dehnungen, großen Dehnraten und hohen Temperaturen eingesetzt wird.Method for determining material properties according to claim 8 or 9, characterized in that an equation for describing a deformation process at high strains, high strain rates and high temperatures is used as the constitutive equation.
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