DE3842546A1 - Verfahren und vorrichtung zur zerstoerungsfreien messung der haerte eines prueflings - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur im wesentlichen zerstörungsfreien Messung der Härte eines Prüflings, bei dem ein Prüfkörper aus härterem Werkstoff als der Prüfling bis zu einer vorbestimmten Eindringtiefe in letzeren eingedrückt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bekannt sind die Meßverfahren nach Brinell, Rockwell und Vickers. Diesen bekannten Verfahren ist gemeinsam, daß der Prüfkörper unter einer bestimmten Last in den Prüfling eingedrückt, die Größe des vom Prüfkörper im Prüfling hinterlassenen Eindrucks gemessen und aus diesen beiden Werten die Härte ermittelt wird. Nach­ teilig an den bekannten Verfahren ist der vergleichs­ weise hohe prüftechnische Aufwand im Hinblick auf die Vielfalt der Prüfkörper sowie die verschiedenen Be­ lastungen in Abhängigkeit von der zu erwartenden Härte des jeweils zu untersuchenden Prüflings.

Das aus DE-OS 37 10 741 bekannte Verfahren der eingangs genannten Art vermeidet die geschilderten Nachteile. Bei ihm wird der Prüfkörper um ein vorbestimmtes stets gleich großes Maß in den Prüfling eingedrückt. Als Wert für die Härte des Prüflings wird die zum Eindrücken benötigte Kraft herangezogen. Da die zum Eindringen des Prüfkörpers aufgewendete Kraft unterschiedlich ist, zum Beispiel beim Erreichen der vorbestimmten Eindring­ tiefe gegen Null geht, wird die Maxialkraft als Wert für die Härte des Prüflings verwendet. Der Toleranzbereich des bekannten Verfahrens ist groß.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Er­ findung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur im wesentlichen zerstörungsfreien Messung der Härte eines Prüflings zu schaffen, bei dem unter Bei­ behaltung eines geringen prüftechnischen Aufwands die Meßgenauigkeit verbessert ist. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Eindring­ arbeit des Prüfkörpers bis zum Erreichen der Ein­ dringtiefe gemessen und als Wert für die Härte des Prüflings verwendet wird.

Der Erfindung liegt folgende Erkenntnis zugrunde: Entscheidend für das Ergebnis der Prüfung der Härte eines Prüflings ist die Eindringarbeit des Prüfkörpers, das ist die auf den Prüfkörper entlang des Weges in dem Prüfling bis zum Erreichen der - vorgegebenen - Eindringtiefe aufzubringenden Kraft. Diese Eindring­ arbeit ist proportional der Härte des Prüfling. Das Verfahren nach der Erfindung führt zu reproduzierbaren und automatisch auswertbaren Meßergebnissen. Ein Weg- Kraft-Diagramm kann aufgenommen werden.

In Ausgestaltung der Erfindung werden die zur Aus­ führung der Eindringarbeit am Prüfkörper wirkende Kraft sowie der vom Prüfkörper im Prüfling bis zum Erreichen der vorgegebenen Eindringtiefe zurückge­ legte Weg kontinuierlich gemessen. Die Meßwerte für die Kraft und den Weg werden kontinuierlich in einem Summenspeicher eines Computers abgelegt. Nach Erreichen der vorgegebenen Eindringtiefe werden die Meßwerte aus dem Summenspeicher aufaddiert und ausgewertet.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper an einem Prüfkopf befestigt ist, der als Kolben ausgebildet und Bestandteil eines Hydraulik- Systems ist, wobei der Druck auf den Kolben als Maß für die auf den Prüfkörper wirkende Kraft und sein Hub als Maß für den zurückgelegten Weg bis zum Er­ reichen der vorgegebenen Eindringtiefe verwendet ist. Das Hydraulik-System gestattet die Kombination von Aufbringen der Kraft für das Eindringen des Prüf­ körpers in den Prüfling einerseits mit der Messung sowohl dieser Kraft als auch des zurückgelegten Wegs andererseits. Die Genauigkeit der Messung wird da­ durch erhöht.

Im einzelnen werden das Verfahren zur Messung der Härte eines Prüflings sowie die Vorrichtung zur Durch­ führung dieses Verfahrens nachfolgend anhand einer schematischen Darstellung dieser Vorrichtung beschrieben.

Bestandteil der Vorrichtung ist ein Säulengestell 1. Das Säulengestell 1 ist auf eine Bodenplatte 11 montiert. Den oberen Abschluß des Säulengestells 1 bildet eine Traverse 12. Zwischen der Bodenplatte 11 und der Traverse 12 ist ein Schlitten 13 in dem Säulengestell 1 auf und ab beweglich. Der Antrieb des Schlittens 13 erfolgt über eine Spindel 14 mit Kugelgewinde-Mutter 15, die an der Traverse 12 befestigt ist. Ein Prüfling 10, dessen Härte festgestellt werden soll, ist auf eine Auflage 16 gelegt, die an der Boden­ platte 11 befestigt ist.

Zentrisch zu der Spindel 14 ist an dem Schlitten 13 auf der der Spindel entgegengesetzten Seite ein Prüfkopf 2 befestigt. Das untere Ende des Prüf­ kopfes 2 bildet ein Prüfkörper 21. Der Prüfkörper 21 ist an einem Kolben 22 befestigt, der in dem das Gehäuse des Kolbens bildenden Prüfkopf 2 geführt ist. Im Ausführungsbeispiel ist an dem Kolben 22 eine Aufnahme 25 für eine Prüfspitze 23 befestigt. Der Kolben 22 weist eine versteifte Gummimembran 24 auf, an deren einer Seite die Aufnahme 25 befestigt ist. Der Aufnahme 25 abgewandt ragt die Versteifung der Gummimembran 24 in eine Druckkammer 27 hinein, die von dem Gehäuse des Prüfkopfes 2 und der Gummimembran gebildet ist.

Mit der Druckkammer 27 verbunden ist einerseits ein Drucksensor 3, andererseits ein Druckkolben 4, der von einem Motor 5 angetrieben ist. Der von dem Druck­ kolben 4 nach Antrieb durch den Motor 5 zurückgelegte Weg wird über einen Präzisions-Wegaufnehmer 6 fest­ gestellt.

Die Spindel 14 ist antreibbar einmal von Hand, zum anderen von einem Schrittmotor 7. Die Stellung der Spindel 14 und damit des Schlittens 13 und des Prüfkopfes 2 ist über einen Rotationsgeber 8 feststellbar.

Der Drucksensor 3, der Wegaufnehmer 6 und der Rotations­ geber 8 sind mit einem Analogieeingang 91 eines Computers 9 verbunden; der Schrittmotor 7 und der Motor 5 für den Druckkolben 4 mit einem Steuerein- und -ausgang 92 des Computers 9. In dem Computer 9 findet eine Signalaufbereitung 93 statt. Der Computer 9 ist außerdem mit einer Auswertelektronik 94 mit Mikroprozessor-Steuerung versehen. Er weist schließlich Steuer- und Eingabetasten 95 sowie ein Alpha-Numerisches Display 96 auf.

Der Prüfling 10, dessen Härte zu messen ist, wird auf die Aufnahme 16 gelegt. Mit einem Handrad wird dann der Prüfkopf 2 auf ca. 10 mm Abstand zum Prüfling 10 gedreht. Während dieses Drehvorgangs wird die genaue Position über den Rotationsgeber 8 an der Gewindespindel 14 abgenommen. Nach Betätigung einer Kalibrierungstaste an dem Computer 9 merkt letzterer sich die Position des Prüfkopfes 2.

Wird der Steuerung jetzt manuell oder automatisch signalisiert, daß der Prüfling 10 unter dem Prüfkopf 2 liegt, steuert der Computer 9 den Schrittmotor 7 im Schnellgang bis auf ca. 0,5 mm oberhalb des Prüf­ lings 10. Danach steuert der Computer 9 nur den Schrittmotor 7 den Prüfkopf 2 "im Schleichgang" bis auf den Prüfling 10.

Das Auftreffen der Prüfspitze 23 des Prüfkopfes 2 auf den Prüfling 10 wird durch minimale Druckerhöhung in dem Hydraulik-System registriert. Nach diesem An­ fahrvorgang erfolgt die Messung der Härte des Prüf­ lings 10, wozu der Kolben 22 so weit ausgefahren wird, bis die Prüfspitze 23 ca. 0,1 mm in den Prüfling 10 eingedrungen ist.

Während des Herunterfahrens im Schnellauf wird von dem Computer 9 eine Kalibrierphase des Prüfkopfes 2 durchgeführt; das heißt der natürliche Nullpunkt der Druckmessung wird bei unbelastetem System er­ mittelt. Danach bewegt der Druckkolben 4 den unteren Teil des Prüfkopfes 2 um ca. 0,1 mm abwärts und er­ mittelt den Enddruck im Hydraulik-System. Diese Werte werden im Computer 9 gespeichert und zur Korrektur­ berechnung des eigentlichen Prüfvorgangs benutzt.

Während der Prüfphase, das ist das Eindringen der Prüfspitze des Prüfkopfes 2 in den Prüfling 10, werden von dem Computer 9 kontinuierlich der Systemdruck und die Bewegung des Druckkolbens 4 über den Präsionswegaufnehmer 6 und damit die Bewegung des Kolbens 22 vom Nullpunkt gemessen und in einem Summen­ speicher abgelegt. Innerhalb des gesamten Eindring­ vorgangs führt der Computer 9 eine Vielzahl, ca. 2000, solcher Messungen aus.

Die Auswertung erfolgt dadurch, daß alle Summen­ speicher aufaddiert werden und zur Anzeige bzw. Auswertung gelangen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dieses Ergebnis direkt vom Computer 9 auf eines der bekannten Prüfverfahren umzurechnen. Ein Weg-Kraft-Diagramm kann aufgenommen werden.

Weitere Auswertmöglichkeiten sind vorgesehen, die zum Beispiel in folgendem bestehen: Es kann eine Bereichsgrenzerkennung - zu weich, gut, zu hart - durchgeführt werden. Es können statistische Be­ rechnungen, zum Beispiel in der Form der Gauß′schen Verteilungskurve, mit einem Ausgang für die Produktions­ steuerung angefertigt werden. Es kann eine Computer­ schnittstelle für eine übergeordnete Datenverarbeitung mit graphischer Auswertung, Protokolldruck usw. angelegt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur im wesentlichen zerstörungsfreien Messung der Härte eines Prüflings, bei dem ein Prüfkörper aus härterem Werkstoff als der Prüf­ ling bis zu einer vorbestimmten Eindringtiefe in letzeren eingedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringarbeit des Prüfkörpers bis zum Erreichen der Eindringtiefe gemessen und als Wert für die Härte des Prüflings verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Ausführung der Eindringarbeit am Prüfkörper wirkende Kraft sowie der vom Prüf­ körper im Prüfling bis zum Erreichen der vorge­ gebenen Eindringtiefe zurückgelegte Weg konti­ nuierlich gemessen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte für die Kraft und den Weg konti­ nuierlich in einem Summenspeicher eines Computers abgelegt und nach Erreichen der vorgegebenen Ein­ dringtiefe die Meßwerte aus dem Summenspeicher aufaddiert und ausgewertet werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper (21) an einem Prüfkopf (2) befestigt ist, der als Kolben (22) ausgebildet und Bestandteil eines Hydraulik-Systems ist, wo­ bei der Druck auf den Kolben als Maß für die auf den Prüfkörper (21) wirkende Kraft und sein Hub als Maß für den zurückgelegten Weg bis zum Erreichen der vorgegebenen Eindringtiefe verwendet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf der dem Prüfkörper (21) entgegenge­ setzten Seite des Kolbens (22) angeordnete Druck­ kammer (27) mit einem Drucksensor (3) und mit einem Druckkolben (4) verbunden ist, der über einen Motor (5) angetrieben ist, zwischen dem und dem Druckkolben (4) ein Wegaufnehmer (6) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kolben (22) eine versteifte Gummimembran (24) aufweist, an deren einer Seite eine Aufnahme (25) für eine Prüfspitze (23) als Prüfkörper (21) befestigt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper (21) an einem Schlitten (13) befestigt ist, der in einem Säulengestell (1) sowohl von Hand als auch über einen Schrittmotor (7) verstellbar ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 7 zur Durch­ führung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (3), der Wegaufnehmer (6) und ein Rotationsgeber (8) für die Stellung des Schlittens (13) mit einem Analogie­ eingang (91) des Computers (9), der Schritt­ motor (7) und der Motor (5) für den Druck­ kolben (4) mit einem Steuerein- und ausgang (92) des Computers (9) verbunden sind.