DE2605739C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Oberflächenhärte eines Werkstückes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Oberflächenhärte eines Werkstückes durch Aufbringen einer vorgegebenen Belastung auf einen auf die Werkstückoberfläche aufgesetzten Eindringkörper, so daß in die Werkstückoberfläche eine bleibende Verformung eingeprägt wird.

Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Messung der Oberflächenhärte eines Werkstückes mit einem Eindringkörper, der auf die Werkstückoberfläche aufgesetzt wird und auf den eine vorgegebene Belastung aufgebracht wird, so daß in die Werkstückoberfläche eine bleibende Verformung eingeprägt wird.

Verfahren und Vorrichtungen dieser Art werden "> beispielsweise bei der bekannten Brinell-Härtemessung angewendet, bei der eine gehärtete Stahlkugel bestimmten Durchmessers mittels einer Standardbelastung in die Oberfläche einer Probe eingedrückt wird, deren Härte gemessen werden soll. Danach wird

mi dann mittels eines Mikroskops der Durchmesser der so in der Werkstückoberfläche erzeugten bleibenden Verformung gemessen. Auf Grund des gemessenen Wertes wird die Brinell-Härtezahl aus Tabellen entnommen.

r> Diese Brinell-Härtemessung ist verhältnismäßig zeitaufwendig und daher insbesondere für Fertigungsverfahren schlecht geeignet.

Es ist ferner bereits bekannt (US-PS 1 192670) einen Eindringkörper durch Aufbringen einer BeIa-

-'Ii stung in eine Werkstückoberfläche einzudrücken, bis eine bestimmte, vorgegebene Eindringtiefe erreicht ist, und es wird die zur Erzielung dieser Eindringtiefe erforderliche Belastung gemessen, um aus ihr auf die Oberflächenhärte des Werkstückes zu schließen. So-

r> mit werden mit diesem bekannten Verfahren in den Werkstückeberflächen bleibende Verformungen erzeugt, und die hierzu erforderliche Belastung ist ein Maß für die Oberflächenhärte des Werkstückes.
Dieses bekannte Verfahren unterscheidet sich also

in ganz grundsätzlich von dem Verfahren der eingangs erwähnten Art, bei dem mit einer vorgegebenen Belastung unterschiedlich große, bleibende Verformungen in der Werkstückoberfläche erzeugt werden, die ein Maß für deren Härte darstellen.

S-. Es ist feiner bereits bekannt (DE-PS 1055 349), einen Luftstrahl zu benutzen, um eine sich bewegende Materialbahn in einem kleinen Bereich aus ihrer Bewegungsebene herauszudrücken bzw. zu biegen, und der sich dabei ergebende Staudruck oder die durch den Rückstoß entstehende Verschwenkung der Düsen zur Zufuhr des Luftstrahls sind ein Maß für die Zugspannung der sich bewegenden Materialbahn. Dabei ist es von entscheidender Bedeutung, daß die Düse während des Meß- bzw. Überwachungsvorganges

4-> nicht in unmittelbarer Berührung mit der Materiaibahn steht, sondern daß eine nichtbieibende Verformung der Materialbahn allein durch das Auftreffen der Luftstrahlen stattfindet.

Ein derartiges Verfahren eignet sich lediglich für

-,n Materialbahnen, die überhaupt nennenswert elastisch verformt werden können, jedoch nicht für solche Werkstücke, deren Oberfläche praktisch nicht elastisch verformbar ist, sondern bei denen Härtemessungen der eingangs erwähnten Art, also durch Her-

γ, Stellung bleibender Verformungen durchgeführt werden.

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Oberflächenhärte eines Werkstückes durch Erzeugen

ho einer bleibenden Verformung herzustellen, das bzw. die eine schnelle Bestimmung der Oberflächenhärte ermöglichen und insbesondere eine automatische Messung innerhalb eines Fertigungsablaufes gestatten.

_b5 Zur Lösung dieser Aufgabe wird das Verfahren der eingangs erwähnten Art derart ausgestaltet, daß ein Eindringkörper verwendet wird, der in seinem in Berührung mit der Werkstückoberfläche kommenden

Teil mindestens eine Austrittsöffnung aufweist, die bei in die Werkstückoberfläche eingedrungenem Eindringkörperteilweise abgedeckt ist, und daß durch die teilweise abgedeckte Austrittsöffnung ein unter Druck stehendes Fluid gepreßt und die Strömungsrate des Fluids gemessen wird.

Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird also einerseits nach Art der Brinell-Härtemessung vorgegangen und mittels einer vorgegebenen, auf einen Eindringkörper wirkenden Belastung in der Werkstückoberfläche eine bleibende Verformung eingeprägt, und andererseiis wird der Grad der Verformung, der gemäß der Brinell-Härtemessung durch Ausmessen der Verformung mittels eines Mikroskops bestimmt wurde, sehr einfach und automatisch durch Messung der Strömungsrate des Fluids bestimmt, das aus der im Eindringkörper vorgesehenen, teilweise abgedeckten Austrittsöffnung ausströmt.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art, die sich dadurch auszeichnet, daß im Eindringkörper mindestens ein Durchlaß vorgesehen ist, dessen im eingedrungenen Zustand teilweise abgedeckte Austrittsöffnung sich zumindest teilweise außermittig im Bereich der Eindringfläche des Eindringkörpers befindet, und daß die Eintrittsöffnung des Durchlasses mit einer Quelle für unter Druck stehendes Fluid und einem Druckmeßgerät zur Messung der Strömungsrate des Fluids verbunden ist.

Außerdem betrifft die Erfindung einen Eindringkörper zur Verwendung in der vorstehend erwähnten Vorrichtung, der gekennzeichnet ist durch einen stabförmigen Körper aus gehärtetem Stahl oder Wolframcarbid mit einer an einem Ende vorgesehenen gewölbten Eindringfläche.

Es ist zwar bereits bekannt (DE-AS 1 241 642), einen Körper zur Messung der Spannung einer sich bewegenden Bahn zu verwenden, durch den sich ein Strömungskanal erstreckt, der in eine in einer gewölbten Fläche vorgesehenen Austrittsöffnung mündet, um ein unter Druck stehendes Fluid gegen die sich bewegende Bahn zu leiten, doch erzeugte dieser Körper in der Bahn keine bleibende Verformung und kommt im normalen Betrieb nicht in Berührung mit der Bahn, deren Spannung zu messen ist. Darüber hinaus hat dieser Körper im Bereich der gewölbten Fläche einen porösen Einsatz, durch den das unter Druck stehende Fluid auf einen großen Bahnbereich geleitet wird.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert:

Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 zeigt vergrößert einen Schnitt durch einen Eindringkörper für die Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 zeigt im Schnitt den Einsatz der Erfindung als Härteanzeiger in einer Werkzeughalterung;

Fig. 4 zeigt in einem Diagramm den Arbeitsbereich einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 5 zeigt ineinem Diagramm die Beziehung zwischen der Brinell-Härtezahl und dem Eindruckdurchmesser der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 6 zeigt in einer Vcrgleichsdarstellung die mittels der Erfindung und die mittels üblicher Brinell-Härtemeßgeräte erzielten Ergebnisse.

DieinFig. 1 gezeigte Vorrichtung besteht aus einer hydraulischen Presse 10 mit Amboß 11, deren Druck veränderbar ist. Vorzugsweise ist der gewünschte Druck innerhalb ± 1 % reproduzierbar. Da für die Erfindung eine übliche hydraulische Presse benutzt werden kann, ist eine ins einzelne gehende Beschreibung nicht erforderlich. In der Presse ist ein Eindringkörper 12 befestigt, der vergrößert im Schnitt in Fig. 2 dargestellt ist. Er besteht beispielsweise aus einem Körper aus gehärtetem Werkzeugstahl (minimale Vickers-Härte 850) oder Wolframcarbid, wobei Wolframcarbid bevorzugt wird.

In einem Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung bestand der Eindringkörper gemäß Fig. 2 aus einem Material in Form eines Kreisschnittes mit einem Durchmesser von 1,27 cm und wies am Ende eine ebene Fläche 13 senkrecht zu seiner Achse auf, während das andere Ende eine teilkugelförmige Eindringfläche 14 mit einem Radius von 5 mm hatte. Eine axiale Mittelbohrung 15 mit einem Durchmesser von 1,52 mm verlief durch den Hauptteil des Eindringkörpers und war am oberen Ende mittels eines Stopfens 16 verschlossen. Am unteren Ende verzweigte sich die Bohrung 15 zu zwei gleichen Durchlässen 17 und 18 mit jeweils einem Durchmesser von 0,69 mm, deren Achsen unter einem Winkel von 37^c20'verliefen. Die Öffnungen der Durchlässe 17 und 18 lagen in der teilkugelförmigen Fläche 14, und die Mitten dieser Öffnungen hatten einen Absland von 3,2 mm voneinander. Mit der Bohrung 16 war eine sich radial erstreckende Bohrung 19 verbunden. Die Gesamtlänge des Eindringkörpers betrug etwa 19 mm.

Der Eindringkörper 12 ist in einer entsprechenden Halterung 20 befestigt, und die Bohrung 19 wird über einen Schlauch 21 mit einem Sheffield-Einsäulendruckregler mit 5000: 1 Verstärkungsrohr verbunden, und der Druckregler ist über einen Schlauch 23 an die üblicherweise zur Verfugung stehende Druckluftleitung angeschlossen.

Das Prüfteil 24 wurde auf den Amboß 11 gelegt, so daß sich seine obere Prüffläche mit einer Abweichung von weniger als 5° senkrecht zur Achse des Stempels der Presse erstreckte.

Um die Härte des Prüfmatcrials zu messen, wird auf den Eindringkörper ein vorbestimmter Druck ausgeübt, so daß er in die Oberfläche des Prüfteüs eingedrückt wird. Wenn die teilkugelförmige Eindringfläche 14 des Eindringkörpers in das Prüfmaterial gelangt, werden die Öffnungen der Durchlässe 17 und 18 in Abhängigkeit von der Eindringtiefe des Eindringkörpers und damit in Abhängigkeit von der Härte des Prüfmatcrials ganz oder teilweise verschlossen. Es hat sich gezeigt, daß der Umfang der Abdekkung der Öffnungen ein Maß für den Durchmesser des im Prüfmaterial erzeugten Eindrucke? und damit ein Maß für die Härte ist. Dieser Umfang der Abdekkung wird mittels des Druckreglers bzw. des Druckmessers 22 bestimmt, der den von der Abdeckung der Öffnungen erzeugten Widerstand gegen Luftaustritt mißt. Es hat sich herausgestellt, daß die erforderliche Zeitspanne zur Ablesung der Härte bei diesem Verfahren weniger als 3 Sekunden beträgt. Ferner hat sich gezeigt, daß bei einer Aufbringzeit von 10 Sekunden für den Eindringkörper die angezeigte Brinell-Härte bis zu fünf Brinell-Härtezahlen verringert wird, doch reicht für alle praktischen Anwendungsfälle die kürzere Zeitspanne aus.

Selbstverständlich muß die Vorrichtung geeicht werden, und dies erfolgt mittels Avery-Brinell-Prülblöcken oder durch direkte Brineil-Mikroskopmessung. Das letztgenannte Verfahren erfordert die Be-

rcchnung auf Grund der Brinell-Formel, falls eine andere Belastung als die Briiidl-Standardlast verwendet wird.

Härtemessungen mitteis der Erfindung können an »gußrohen'< Oberflächen mit einem durchschnittlichen OberflüchcnzustdiicJ durchgeführt weiden, und es hat sich gezeigt, daß man eine Genauigkeit von ±30 Brinell-Härtezahlen erreichen kann, was ausreicht, um beispielsweise einen Hartguß zu ermitteln, dessen ßrinell-Härtezahl etwa 400 beträgt, während der Normalbereich in der Größenordnung von 2 I Obis 2SO Brinell-Härte liegt. Wenn jedoch die Gußoberflächc beispielsweise spanabhebend bearbeitet ist, lassen sich ohne zusätzliche Kosten oder mit geringem Aufwand genauere Ergebnisse erzielen.

Fig. 6 zeigt die Ergebnisse stündlicher Probennahmen bei kontinuierlichem Gebrauch. Die Beobachtungsfrequenz ist auf der senkrechten Achse aufgetragen, und die Differenz der Brineli-Härtezahl bei Benutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber den üblichen Verfahren ist auf der horizontalen Achse angegeben. Bei der Ermittlung dieser Ergebnisse ist zu berücksichtigen, daß es nicht möglich ist, die Brinell-Härte zweimal an derselben Stelle zu prüfen, und verglichen wurden Eindrücke, die sich in einem Abstand von etwa 9,5 mm voneinander in demselben Eisenstück befanden. Alle Eindrücke wurden in SG-Eisenteilen hergestellt, bei denen ein Brinell-Härtezahlbereich von 25 über U)O mm üblich ist. Die statistische Auswertung der Differenzen ähnelt der der Poissonschen Verteilung mit einem Erwartungswert von 2, d. h. mit einer maximalen Fehlerabweichung von 6 Punkten von der »absoluten« Anzeige bei einer üblichen Brinell-Härteprüfung.

Bei den Versuchen zeigte sich, daß mittels der Erfindung ein unendlicher Bereich von Brinell-Härtezahlen durch einfache Veränderung der Belastung gemessen werden kann. Dieses ist in dem Diagramm gemäß Fig. 4 dargestellt, in welchem die Brinell-Härtezahien auf der senkrechten Achse gegenüber der Belastung in Pounds auf der horizontalen Achse aufgetragen sind und dem Versuche mit einer Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art zugrunde liegen. Die beiden ausgezogenen Linien bezeichnen den Bereich der Brinell-Härtezahlen, die mit einer vorgegebenen Belastung mit einem Eindringkörper der vorstehend beschriebenen Art gemessen werden können. Man erkennt, daß bei zu geringer Härte des Materials die Öffnungen vollständig abgedeckt werden, während bei zu großer Härte überhaupt keine Abdekkung der Öffnungen erfolgt. Die Punkte auf der mittleren Linie bezeichnen die ungefähre Härte von Aluminium, von Grauguß und von SG-Eisen. Durch Veränderung der Größe und der Winkellage der Öffnungen bzw. Durchlässe 17 und 18 in Fig. 2 lassen sich andere Kombinationen der Belastung und der Brinell-Härtezahlen erreichen.

Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Brinell-Härtezahl (senkrechte Achse) und dem Durchmesser des Eindrucks in Millimeter bei einer Belastung des vorstehend beschriebenen Eindringkörpers von 1815 kg.

Die Erfindung laßt sich ohne weiteres in automati sehen Härtcprüfgcrälcn einsetzen, die bei Beaibei tungsverfahren benötigt werden, und sie eignet sich besonders für hochautomatisierte Verfahren, etwa ir Fördermaschinen, und mit ihr können Kosten infolgt Beschädigung von Schneidwerkzeugen vermieder werden, die durch die Zufuhr von Gußstücken zu derartigen Schneidwerkzeugen entstehen, wenn die Oberfläche der Gußstücke zu hart ist. In dem in Fig. ? Jaigesieilien Anwendungsbeispiel wird der Eindringkörper 25 als Spannstelle oder Klammer verwendet Das zu prüfende Werkstück 26 wird zwischen dem Eindringkörper 25 und einer Klammer 27 gehalten Wird sichergestellt, daß während des Klcmmvorganges eine konstante Last ausgeübt wird, so erhält mar ein die Härte des Werkstückes anzeigendes Signal wobei die Druckmeßeinrichtung, mit der der Eindringkörper 25 über den Schlauch 28 verbunden ist, so eingestellt wird, daß sie die Maschine für den Betrieb anlaufen läßt, wenn die Härte des Gußstückes innerhalb vorgegebener Grenzen liegt bzw. den Betrieb der Maschine unterbricht, wenn die Härte oberhalb dieser Grenze liegt.

Während sich der Eindringkörper gemäß Fig. 2 als sehr zufriedenstellend erwiesen hat, ist es auch möglich, einen im wesentlichen kegelstumpfförmigen Eindringkörper zu benutzen, dessen Seitenwände einer verhältnismäßig spitzen Winkel haben und bei dem sich die Durchlässe in die Seitenwände öffnen, wodurch ein größerer Bewegungsbereich für den Eindringkörner zwischen der Lage, in der die Öffnunger nicht abgedeckt sind, und der Lage erreicht wird, ir der sie vollständig abgedeckt sind, vas zu einer größeren Genauigkeit der Messung führt.

Während insbesondere für glatte Oberflächen zwe Öffnungen im Eindringkörper sehr vorteilhaft sind können zur Messung von rauhen Oberflächen beispielsweise vier Öffnungen vorgesehen werden, urr die Wirkung der Oberflächenrauhigkeit auf die Abdeckung der Öffnungen auszugleichen. Die Öffnungen bzw. Durchlässe können entweder vor dem Härten in den Eindringkörper gebohrt oder sie könner mittels Funkenerosion hergestellt werden. Auch be der Herstellung von vier Öffnungen bzw. Durchlässer ergeben sich keine Herstellungsschwierigkeiten.

Bei Einsatz der Erfindung zum automatischen Betrieb in einer Werkzeugmaschine ist es zweckmäßig eine Ventilanordnung vorzusehen, die den Eindringkörper gelegentlich mittels Preßluft reinigt, um so angesammelten Schmutz oder Graphit herauszudrükken. Es hat sich gezeigt, daß bei öffnungen unc Durchlässen der vorstehend erwähnten Abmessunger keine Verstopfungen auftreten, wenn der Eindringkörper für trocken spanabhebend bearbeitete Oberflächen benutzt wird, während sich bei Versuchen mil einem Eindringkörper mit einer teilkugelförmiger Oberfläche von 5 mm Durchmesser und Durchlässer bzw. öffnungen mit einem Durchmesser von 0,33 mm nach 5000 Einsätzen auf öligen Gußstückflächen Verstopfungen ergaben. Dadurch entstanden zwar keine Meßungenauigkeiten, doch wurde die Ansprechgeschwindigkeit des Druckmesser verringert.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung der Oberflächenhärte eines Werkstückes durch Aufbringen einer vorgegebenen Belastung auf einen auf die Werkstückoberfläche aufgesetzten Eindringkörper, so daß in die Werkstückoberfläche eine bleibende Verformung eingeprägt wird, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) es wird ein Eindringkörper verwendet, der in seinem in Berührung mit der Werkstückoberfläche kommenden Teil mindestens eine Austrittsöffnung aufweist;

b) die Austrittsöffnung ist bei in die Werkstückoberfiäche eingedrungenem Eindringkörper teilweise abgedeckt;

c) durch die teilweise abgedeckte Austrittsöffnung wird ein unter Druck stehendes Fluid gepreßt;

d) die Strömungsrate des Fluids wird gemessen.

2. Vorrichtung zum Messen der Oberflächenhärte eines Werkstückes mit einem Eindringkörper, der auf die Werkstückoberfläche aufgesetzt wird und auf den eine vorgegebene Belastung aufgebracht wird, so daß in die Werkstückoberfläche eine bleibende Verformung eingeprägt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Eindringkörper (12)mindestenseinDurchlaß(19,15,17,18) vorgesehen ist, dessen im eingedrungenen Zustand teilweise abgedeckte Austrittsöffnungsich zumindest teilweise außermittig im Bereich der Eindringfläche (14) des Eindringkörpers (12) befindet, und daß die Eintrittsöffnung des Durchlasses mit einer Quelle für unter Druck stehendes Fluid und einem Druckmeßgerät (22) zur Messung der Strömungsrate des Fluids verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringflächc (14) tcilkugelförmig ist und daß zwei oder mehr symmetrisch um die Achse der Eindringflächc (14) verteilte Austrittsöffnungen vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Verwendung in einer Spann- oder Klemmvorrichtung (27) in einer Werkzeugmaschine zur fortlaufenden Messung an Werkstücken.

5. Eindringkörper zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen stabförmigen Körper aus gehärtetem Stahl oder Wolframcarbid mit einer an einem Ende vorgesehenen gewölbten Eindringfläche (14).