Für dynamische Zug-, Druck- und Biegeversuche sind servopneumatische Prüfmaschinen eine gute Lösung. Im Gegensatz zu den hydraulischen Modellen arbeiten sie leise, kostengünstig und sind einfach zu handhaben.
Dr. Marcus Jarchow ist Mitarbeiter bei der Dynamess Prüftechnik GmbH in Aachen
Alle Produkte – von der Nähmaschinennadel bis zum Autositz – müssen heute eine aufwendige Qualitätskontrolle durchlaufen. Besonders effektiv lassen sich solche Prüfungen mit servopneumatischen Prüfmaschinen durchführen. Diese sind prädestiniert für den unteren Prüfkraftbereich von wenigen Newton bis zu 50 kN. Typische Anwendungen sind quasi-statische sowie dynamische Zug-, Druck- und Biegeversuche. DiePrüfungen lassen sich an unterschiedlichsten Bauteilen und Produkten durchführen.
Nähmaschinennadeln werden millionenfach in Tausenden von Varianten in einem aufwendigen Prozess aus Rohdraht hergestellt. Die Güte der Nadeln ergibt sich als Produkt aus einer Vielzahl von Parametern. Hierzu zählen unter anderem
– die Qualität des Rohdrahtes,
– die Genauigkeit der mechanischen Fertigung und
– die Oberflächenvergütung in Form einer Chromschicht.
Bei Industrienähmaschinen werden die Nadeln heftig in Anspruch genommen. Zu den wichtigsten Belastungen gehören das Biegen beim Ausweichen der Nadel und das Knicken beim Auftreffen auf das Nähgut. Eine gute Nadel zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit bei gleichzeitiger Flexibilität aus. Diese Eigenschaften lassen sich nur durch das exakte Einhalten der Prozessparameter in der Fertigung erzielen.
Zum Überprüfen der Fertigungsqualität und der Prozesssteuerung werden Stichproben von Nadeln parallel zur Fertigung durchgeführt. Entscheidend bei diesem Vorgang ist eine spezielle Biegeprüfung. Mit Hilfe dieses Tests lassen sich die Nachgiebigkeit der Nadel im elastischen Bereich und die Festigkeit bis zum Bruch ermitteln. Wegen der relativ kleinen Kräfte im Bereich unter 1 kN kommt eine servopneumatische Tischprüfmaschine zum Einsatz, die mit einem x-y-Tisch ausgerüstet ist. Abhängig vom Nadeltyp wird über diesem Tisch die korrekte Biegelänge gemessen und zudem das Durchtakten der Stichprobe von bis zu 20 Nadeln in einem Halter realisiert.
Die Maschine ist zudem mit einer automatischen Kontaktpunkt-Erkennung ausgerüstet, die das Auftreffen des Biegestempels auf die Nadel registriert. Mittels einer speziell für diesen Anwendungsfall programmierten Auswerte-Software werden alle relevanten Parameter, ermittelt und prokotolliert. Diese charakterisieren die elastische Nachgiebigkeit und die Festigkeit des Werkstücks.
Ihre volle Leistungsfähigkeit zeigen servopneumatische Prüfmaschinen jedoch erst bei dynamischen Tests. Darunter werden Prüfungen verstanden, bei denen die Prüfkräfte und -wege schnell aufgebracht werden. Zudem sind die Kräfte nicht quasi-statisch und wirken nicht nur in eine Richtung. Vielmehr sind sie schwingend mit einer eingestellten Prüffrequenz.
Mit dynamischen Erprobungen lassen sich beispielsweise die Lebensdauer eines Produkts oder dynamische Kennwerte bestimmen. Bei der Ermittlung der Lebensdauer wird in der Regel die gewünschte Beanspruchung über Lastwechsel erzeugt. Die Zahl der Lastwechsel hängt von dem zu prüfenden Produkt ab und beginnt bei einigen Dutzend – etwa bei Druckknöpfen für Bekleidungsstücke. Zum anderen Extrem zählen die Achsträger für Kraftfahrzeugen. Hier wird die Last mehrere Millionen Mal gewechselt.
Anders sieht es aus, wenn dynamische Kennwerte ermittelt werden sollen. Hierbei wird der Prüfling nur mit wenigen Lastwechseln schwingend belastet. Aus den Messdaten lassen sich dann Werte wie dynamische Steifigkeit oder Verlustarbeit ermitteln, die das dynamische Verhalten der Probe beschreiben.
Der Leistungsbereich servopneumatischer Prüfmaschinen liegt bei Nennkräften von 1bis 50 kN. Mit einer 1 kN-Maschine lassen sich Kräfte ab 10 N geregelt realisieren. Wichtiges Merkmal der Maschinen ist, dass sie im geschlossenen Regelkreis betrieben werden. Damit lassen sich gewünschte Verfahrgeschwindigkeiten exakt einhalten, Positionen können präzise angefahren und gehalten werden. Bei dynamischen Kurvenverläufen folgt der Zylinder einer Sollwertvorgabe wie Sinus, Dreieck, Rechteck oder anderen beliebigen Kurvenformen.
Die Maschinen lassen sich mit Kraft-, Weg- oder Dehnungsregelung betreiben, die für viele Prüfungen notwendig sind. Somit können die servopneumatischen Modelle nicht mit Maschinen verglichen werden, die mit der weitverbreiteten Standard-Pneumatik ausgerüstet sind und längst nicht die selben Anforderungen erfüllen können. Mit Zylindern der üblichen Kolben-Bauform lassen sich im allgemeinen Prüffrequenzen bis 10Hz realisieren. Für höhere Dynamiken stehen spezielle Zylinder zur Verfügung, die Prüffrequenzen bis 35 Hz ermöglichen.
Mit servopneumatischen Prüfmaschinen lassen sich auch quasi-statische oder dynamische Versuche an Kfz-Sitzen durchführen. Bei den quasistatischen Tests wird die Sitzlehne bis zum Versagen der Sitzlehnen-Verstellung nach hinten verbogen.
Der servopneumatische Antrieb ermöglicht eine maximale Kraft von 20 kN. Typische Prüffrequenzen für die zyklische Prüfung liegen bei etwa 1 Hz. Der Prüfrahmen erlaubt es, den Prüfzylinder flexibel für die jeweilige Sitzprüfung in Höhe, Breite und Tiefe einzustellen. Zudem lässt er sich über eine kardanische Aufhängung in zwei Achsen winklig anstellen. Als Besonderheit ist die Maschine mit zusätzlichen, seitlich angeordneten Zylindern ausgerüstet, die eine kombinierte Armlehnenprüfung ermöglichen.
Vorteile auf einen Blick: Unkompliziert, leise und sauber
Quasi-statische sowie dynamische Zug-, Druck- und Biegeversuche lassen sich besonders effektiv mit servopneumatischen Prüfmaschinen durchführen. Die Maschinen sind für den unteren Prüfkraftbereich bis 50 kN prädestiniert und weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Hierzu zählen
– die Möglichkeit der dynamischen Schwingprüfung, die bei elektrisch angetriebenen Spindelprüfmaschinen nicht gegeben ist;
– die kostengünstige Anschaffung, denn das bei hydraulischen Maschinen notwendige Hydraulikaggregat mit Leistungselektrik entfällt;
– der kostengünstige Unterhalt, denn die Maschinen lassen sich an das vorhandene Druckluftnetz anschließen. Daraus ergibt sich auch eine unkomplizierte Installation. Es sind weder hydraulische Schläuche notwendig, noch muss der Hydraulikkreis gespült werden;
– ein vergleichsweise geräuscharmer Betrieb, da kein Hydraulikaggregat vorhanden ist;
– die saubere Antriebstechnik. Statt Öl kommt Luft als Medium zum Einsatz;
– ein einfaches Handling. Pneumatische Antriebsachsen lassen sich leicht in beliebige Prüfaufbauten integrieren und können auch als Einzelachsen in einem kundenseitig gestalteten Prüfaufbau eingesetzt werden;
Diese Vorteile machen servopneumatische Prüfmaschinen für viele Anwendungen interessant. Deshalb sollte der Anwender für jede anstehende Prüfaufgabe statt einer elektrischen Spindelprüfmaschine oder einer aufwendigen und teuren hydraulischen Maschine den Einsatz einer servopneumatischen Prüfmaschine in Betracht ziehen. Anhand der Prüfbedingungen lässt sich schnell entscheiden, ob sich die Prüfungen mit einer solchen Maschine durchführen lassen.
Lebensdauerermittlung: Bis zur bitteren Neige
Mit servopneumatischen Prüfmaschinen lassen sich quasi-statische oder dynamische Versuche an Kfz-Sitzen durchführen. Bei den Tests wird die Sitzlehne so lange nach hinten verbogen, bis die Sitzlehnenverstellung ihren Geist aufgibt.
Für die Ermittlung der Lebensdauer wird die Lehne zyklisch maximal belastet und anschließend komplett entlastet. Im Laufe des Versuchs stellt sich ein Verschleiß in der Lehnenverstellung ein. Dieser wird dadurch sichtbar, dass sich die Lehne unter Maximalbelastung zunehmend neigt.
Speziell für diese Prüfung kann die Maschine ohne großen Aufwand mit seitlich angeordneten Zylindern ausgerüstet werden. Dadurch wird eine kombinierte Armlehnenprüfung möglich.
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