DE3750237T2

DE3750237T2 - Vorrichtung zur Feststellung von Oberflächenmikrofehlern in einem Metallwerkstück.

Info

Publication number: DE3750237T2
Application number: DE3750237T
Authority: DE
Inventors: Torre Carlo La
Original assignee: Fiat Auto SpA
Current assignee: Fiat Auto SpA
Priority date: 1986-04-11
Filing date: 1987-04-08
Publication date: 1994-12-15
Anticipated expiration: 2007-04-09
Also published as: DE3750237D1; EP0241013B1; IT1189660B; EP0241013A2; IT8667296A0; EP0241013A3

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Feststellung von Oberflächenmikrofehlern in einem Metallwerkstück. Eine derartige Vorrichtung ist aus der FR-A-2 261 526 und der US-A-3,611,120 bekannt.
Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich bezieht sich diese Erfindung auf eine Vorrichtung, welche für eine Prüfung von Fahrzeugbauteilen wie Nockenwelle, Kurbelwelle, Antriebsachsen, Kolben von Einspritzpumpen usw. geeignet ist, um Mikrofehler wie Oberflächenmikrorisse festzustellen. Bauteile der oben erwähnten Art werden im allgemeinen einem Schleifen unterzogen, während dem aufgrund der örtlichen Überhitzung des Materials Zugspannungen erzeugt werden können. In dieser Hinsicht kann ein plötzliches Abkühlen des Werkstoffes Mikrorisse hervorrufen, welche bekannterweise als ein Ausgangspunkt für Risse wirken, die zu einem nachfolgenden Bruch des Werkstoffes führen können, in welchem sie erzeugt wurden.
Die bis heute während der Produktion verwendeten Prüfanlagen benutzen entweder magnetoskopische Technologien oder eindringende Flüssigkeiten, wobei dieses Anlagen sind, in welchen die Endkontrolle allein optisch ist und deshalb von dem subjektiven Urteil des Bedieners abhängt. Um eine objektive Auswertung zu erzielen, wurden auch photoelektronische Sensoren verwendende Anlagen vorgeschlagen. Diese Anlagen können jedoch nur im Versuchsstadium verwendet werden, da die in der Werkshalle vorherrschenden Betriebsbedingungen (ungenügende Reinigung der zu prüfenden Werkstücke, Schwierigkeit der Untersuchung von Werkstücken mit komplizierter Geometrie usw.) sie unzweckmäßig machen. Weiterhin ist die entsprechende Vorrichtung äußerst aufwendig.
Es ist ebenso bekannt, verschieden induzierte Stromfühler zu verwenden, welche üblicherweise aus zwei Stäben aus Ferrit (oder einem geeigneten ferromagnetischem Werkstoff) gebildet und parallel zueinander nebeneinander mit einem Abstand von wenigen Millimetern getrennt angeordnet sind. An dem unteren Abschnitt der beiden Stäbe sind Kupferwicklungen vorgesehen. Folglich wird ein offener magnetischer Kreis erzeugt, welcher in der Lage ist, das Vorkommen von Rissen durch Messen des Unterschiedes in der Impedanz der zwei Wicklungen zu ermitteln. Verschieden induzierte Stromfühler der oben erwähnten Art sind jedoch ungenügend empfindlich. Das ist, weil derartige Fühler ein schlechtes Auflösungsvermögen aufgrund der Tatsache bieten, daß das zwischen den zwei Ferritelementen erzeugte magnetische Feld in der Meßzone nicht konzentriert (oder fokusiert) wird. Überdies hängt die Auflösungskraft des Fühlers von dem Abstand zwischen den Ferritstäben ab, welche aufgrund der Dicke der für die Wicklungen verwendeten Leitungen nicht näher zusammen als bis zu einem bestimmten Grenzwert angeordnet werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Feststellung von Oberflächenmikrofehlern in einem Metallwerkstück bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile von Vorrichtungen der bekannten Art beseitigt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch I gelöst.
Die vorliegende Erfindung wird durch die Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele deutlicher werden, welche nachfolgend anhand von nichteinschränkenden Beispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, in denen:
Fig. 1 eine Vorderansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemaßen Vorrichtung ist;
Fig. 2 ein Schnitt an der Linie V-V der Fig. 1 in einem vergrößerten Maßstab ist; und
Fig. 3 eine schematische Vorderansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 31, die mit einem Fühler 33 und einem Prozessor 34 versehen ist. Insbesondere weist der Fühler 33 zwei Paar 35, 36 von ferromagnetischen Kernen auf, auf denen verschiedene Wicklungen 37, 38 gewickelt sind. Im einzelnen sind die Paare 35 und 36 so angeordnet, daß die jeweiligen Kerne genau gegenüber sind. Die jeweiligen Wicklungen 37, 38 sind in Serie geschaltet. Vier Anschlußklemmen bilden die Endklemmen der Paare von Wicklungen 37, 38, welche folglich zu dem Prozessor 34 führen. Die Paare von Kernen 35, 36 haben ihre jeweiligen Endabschnitte 39, 40 geeignet zusammenlaufend, um gegenüberliegend bearbeitete Oberflächen darzustellen, welche durch einen Luftspalt b (s. Fig. 2) getrennt sind, dessen Breite in der Größenordnung von einigen Zehn um ist. Wie in Fig. 2 zu sehen ist, sind die Endabschnitte 39, 40 der Kerne 35, 36 nach außen durch eine zylindrische Oberfläche begrenzt, und jeder von ihnen ist im Querschnitt als ein Kreissektor mit einem 90º-Winkel an seinem Mittelpunkt gebildet.
Der Prozessor 34 verrichtet die Funktion des Messens des Unterschiedes in den Impedanzen der Wicklungen 37, 38.
Die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung weist ebenfalls einen Fühler 43 und einen Prozessor 44 auf. Der Fühler 43 ist im wesentlichen gleich dem Fühler 33 der Vorrichtung 31, und deshalb werden gemeinsame Teile durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet. Der Fühler 43 ist mit einer weiteren Wicklung 45 versehen, deren Anschlußklemmen mit verschiedenen Ausgängen des Prozessors 44 verbunden sind, um verschiedene Spannungen in den durch die jeweiligen Kerne 35, 36 getragenen Wicklungen 37, 38 zu induzieren. Die gegenüberliegenden Anschlußklemmen der Wicklungen 37, 38 führen zu verschiedenen Eingängen des Prozessors 44, welcher die verschiedenen induzierten Spannungen mißt und deren Amplitude und Phasenverschiebung berechnet.
Die Wirkungsweise der vorhergehend beschriebenen Vorrichtungen ist wie folgt. Zuerst legen die verschiedenen Prozessoren an die verschiedenen Wicklungen ein Signal an, welches eine optimale Frequenz in der Größenordnung von einem oder wenigen Mhz hat. Jeder Fühler überfährt dann die Oberfläche 12 des Werkstückes 2, um die ganze relevante Oberfläche des Werkstückes 2 abzutasten.
Die Vorrichtungen 31 und 41 arbeiten in derselben Weise. Im einzelnen berechnen sie den Unterschied in der Impedanz der verschiedenen Wicklungen, wie es vorhergehend beschrieben ist. Konkreter, wenn die zwei Wicklungen 37 der Vorrichtung 31 in Reihe geschaltet sind, ebenso die zwei Wicklungen 38, ist es offensichtlich, daß der durch den Prozessor 34 berechnete Impedanzunterschied den Unterschied zwischen der Summe der Impedanzen der Wicklungen 37 und der Summe der Impedanzen der Wicklungen 38 darstellt. Von dem Vorhergehenden kann die Vorrichtung 41 von der Arbeitssichtweise analog in Betracht gezogen werden. In dieser Hinsicht erzeugt der Prozessor 44 eine Erregerspannung durch die jeweilige Wicklung 45, und berechnet die Amplitude und Phasenverschiebung der induzierten, über die Anschlußklemmen 37, 38 gemessenen Spannungen. In diesem letzteren Fall entsprechend zu dem mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen, setzt sich die durch das Paar von Wicklungen 37, 38 induzierte Spannung offensichtlich aus der Summe der Spannungen über den Enden von jeder Wicklung zusammen, wenn die durch die gleichen Bezugszeichen bezeichneten Wicklungen in Serie verbunden sind.
Wenn Mikrofehler, wie z. B. Oberflächenmikrorisse nicht vorhanden sind, ist der Unterschied in der Impedanz oder induzierten Spannung Null, während er einen signifikanten Wert annimmt, wenn ein Mikroriß in Übereinstimmung mit dem Luftspalt liegt. Der Luftspalt hat eine sehr kleine Breite (in der Größenordnung von einigen zehn um), und es wurde beobachtet, daß damit eine hohe Auflösung und Empfindlichkeit erzielt werden kann, und somit Mikrorisse festgestellt werden können, welche durch übliche Methoden nicht festgestellt werden wurden.
Es wurde beobachtet, daß der Mikroriß einfacher festzustellen ist, wenn er in dieselbe Richtung wie der Luftspalt läuft. Auf jeden Fall ist es offensichtlich, daß der oben genannte Nachteil nicht in den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen trifft, in denen die Empfindlichkeitsbereiche der verschiedenen Fühlervorrichtungen nicht auf eine einzelne Richtung beschränkt sind.
Die Vorteile von den Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindungen sind durch eine Überprüfung ihrer Merkmale ersichtlich. In dieser Hinsicht sind diese Vorrichtungen in der Lage, Mikrofehler, wie z. B. Mikrorisse festzustellen, welche praktisch durch die oben genannten Vorrichtungen der bekannten Art nicht feststellbar sind, und zusätzlich haben sie den Vorteil, daß sie in Werkshallen verwendet werden können, da ihr Betrieb keine peinlich genaue Reinigung der zu überprüfenden Werkstücke erfordert, noch ist ihre Anwendung wesentlich durch die Geometrie der zu überprüfenden Werkstücke begrenzt.
Schließlich ist es offensichtlich, daß Abwandlungen an den vorhergehend beschriebenen Vorrichtungen vorgenommen werden können, ohne die vorliegende Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann, um zu verhindern, daß der Luftspalt in Übereinstimmung mit den Endabschnitten der Kerne übermäßig durch ein unerwünschtes Material belegt wird, welches die Messungen verfälschen könnte, ein stromleitendes oder nicht-stromleitendes, nicht-ferromagnetisches Trennelement verwendet werden, um den zwischen den benachbarten Enden liegenden Bereich vollständig zu belegen. Dieses Element kann beispielsweise eine übliche Kupferfolie sein.
In einer vollständigeren Ausführungsform kann jeder Fühler der oben genannten Vorrichtungen durch eine pneumatisch unterstützte Bewegungsvorrichtung gehalten werden. Dieses wurde den direkten Kontakt zwischen dem Fühler und dem zu untersuchenden Werkstück beseitigen, mit einem sich ergebenden längeren Leben des Fühlers, welcher sich nicht durch Reibung verschlechtern würde. Demgemäß würde sich die Untersuchungsgeschwindigkeit des Werkstückes ebenfalls erhöhen, so daß die Überprüfung zeitgleich mit der Produktion ausgeführt werden kann.
Geeigneterweise kann das Gehäuse von jedem Sensor innerhalb einer stromleitenden Ummantelung eingeschlossen sein, um so den Vorteil der Begrenzung des verteilten Flusses nur auf die in die Messung einbezogenen Bereiche zu erzielen, und gleichzeitig jede Kantenwirkung wesentlich zu reduzieren. Es wird ebenso festgestellt werden, daß es für die Endabschnitte der Kerne der in den Fig. 1 und 3 gezeigten Fühler nicht notwendig ist, äußerlich durch zylindrische Oberflächenabschnitte begrenzt zu werden, da sie von jedem geeigneten vieleckigem Querschnitt (rechtwinklig, quadratisch usw.) sein können.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform ist eine Vorrichtung denkbar, die mit einer Anzahl von nebeneinanderliegenden Fühlern versehen ist, welche beispielsweise an den Knotenpunkten eines Gitters angeordnet sind, um direkt in Kontakt mit der Oberfläche des zu prüfenden Metallwerkstückes gebracht zu werden. In diesem Fall müßte die Vorrichtung mit geeigneten Prozessormitteln versehen werden, welche im Stande sind, die durch die Fühler gelieferten Signale elektronisch abzutasten.

Claims

1. Vorrichtung zur Feststellung von Oberflächenmikrofehlern in einem Metallwerkstück (2) mit mindestens einem aus unabhängigen parallelen Stabkernen (35, 36) aus ferromagnetischem Werkstoff gebildeten induzierten Stromfühler (33, 43), wobei ein Endabschnitt von jedem der Kerne (35, 36) mindestens eine zugeordnete Wicklung (37, 38) trägt, die Kerne (35, 36) an ihrem anderen Ende zugeordnete Anschlußabschnitte (39, 40) tragen, die nicht mit den Wicklungen (37, 38) bedeckt sind und einen Luftspalt (b) in der Größenordnung von einigen zehn um bilden, die Kerne (35, 36), die Wicklungen (37, 38) und die Anschlußabschnitte (39, 40) in einem nicht-ferromagnetischem Gehäuse (11) untergebracht sind,welches einen Endabschnitt zum Abtasten der Werkstückoberfläche (12) aufweist, und mit einer Prozessoreinheit (34, 44), die vorgesehen ist, die Wicklungen (37, 38) mit einer hohen Frequenz zu überwachen, um die darin induzierten Ströme zu liefern, wobei die Prozessoreinheit (34, 44) mit Mitteln zur Messung der induzierten Stromunterschiede versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Fühler (33, 43) mit wenigstens zwei Paaren von Kernen (35, 36) parallel zu einer gemeinsamen Achse gebildet ist, wobei die Paare von Kernen (35, 36) in einer Folge kreisförmig um die Achse angeordnet sind, wodurch wenigstens zwei empfindliche Richtungen des Fühlers vorgesehen sind;

- die Wicklungen (37, 38) von abwechselnden Kernen (35, 36) in Reihe verbunden sind, um an der Prozessoreinheit (24, 34) die Summe der in die in Reihe verbundenen Wicklungen (37, 38) induzierten Ströme zu liefern;

- ein jeder der Anschlußbereiche (39, 40) integriert mit einem der zugehörigen Kerne (35, 36) ist und mit diesem mittels eines sich kegelförmig verjüngenden Bereiches verbunden ist, wobei jeder Anschlußabschnitt (39, 40) durch eine äußere Oberfläche, die in einem gemeinsamen Zylinder und koaxial zur Achse liegt, und durch zwei radiale Flächen, welche den radialen Flächen des benachbarten Anschlußabschnittes (40, 39) gegenüberliegen, um die Spalten (b) zu definieren, begrenzt ist, und die Vorderflächen der Anschlußabschnitte (39, 40) in gleicher Höhe mit der Endfläche des Gehäuses (11) und davon nach außen frei sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (33, 43) mit zwei Paar von Kernen (35, 36) versehen ist, wobei jeder der Anschlußbereiche (39, 40) einen Kreissektor-Querschnitt aufweist, um ein Paar von Spalten (b) winkelig mit 90º beabstandet zu bilden, und die Wicklungen (37, 38) der sich dimetral gegenüberliegenden Kerne (35, 36) in Reihe verbunden sind.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozessoreinheit (34) mit Mitteln zum Messen der Impedanz der Wicklungen (37, 38) versehen ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (43) eine Hilfwicklung (45) aufweist, welche die Kerne (35, 36) umfaßt und mit entsprechenden Ausgängen der Prozessorseinheit (44) verbunden ist, wobei die Prozessoreinheit (44) Mittel zum Betreiben der Hilfwicklung (45), um unterschiedliche Ströme in die Wicklungen (37, 38) zu induzieren, und Mittel zum Messen der Amplitude und Phase von in die Wicklungen (37, 38) induzierten Ströme aufweist.

5. Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalten (b) mit einem nicht-ferromagnetischen metallischen Werkstoff gefüllt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtferromagnetische metallische Werkstoff im wesentlichen in Form einer Kupferfolie vorliegt.

7. Vorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) innerhalb einer elektrisch leitenden Umhüllung eingeschlossen ist, um den zerstreuten Stromfluß zu begrenzen und die Kantenwirkung zu reduzieren.

8. Vorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch pneumatisch unterstützte Mittel getragen wird, um den direkten Kontakt des Fühlers (33, 43) und des Werkstücks (2) zu vermeiden und die Reibung in der entsprechenden Abtastbewegung zu reduzieren.

9. Vorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anzahl von Fühlern (33, 43) aufweist, die an den Knotenpunkten von einem Gitter angeordnet sind, und die Prozessoreinheit (34, 44) vorgesehen ist, die Anzahl der von den Fühlern (33, 43) gelieferten Signale elektronisch abzutasten.