DE3905430A1 - Ultraschall-pruefverfahren und -vorrichtung fuer kugeln - Google Patents
Ultraschall-pruefverfahren und -vorrichtung fuer kugelnInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Prüfverfahren
sowie eine Ultraschall-Prüfvorrichtung, um Fehler an Bauele
mente bildenden Kugeln festzustellen.
Die Oberflächen und das Innere von Bauelemente oder Konstruk
tionsteile bildenden Kugeln wurden mit Hilfe einer Röntgen
strahlenprüfung, einer zyklographischen Prüfung oder einer
Prüfung des Äußeren mit Hilfe von Mikroskopen oder den Augen
untersucht.
Bei der bisher angewendeten Röntgenstrahlenprüfung, zyklo
graphischen Prüfung und Prüfung des Äußeren mit Hilfe von
Mikroskopen oder den Augen wurden jedoch die als Bauelemen
te dienenden und zu prüfenen Kugeln von Hand gedreht. Die
Untersuchungen mit diesen Prüfverfahren sind insofern zeit
aufwendige und mühsame Vorgänge, wobei es nicht sicher ist,
daß die Kugeln auf ihrer gesamten Außenumfangsfläche auch
tatsächlich abgetastet oder besichtigt worden sind.
Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes
Ultraschall-Prüfverfahren anzugeben und eine verbesserte
Ultraschall-Prüfvorrichtung zu schaffen, um Fehler an Bau
elemente bildenden Kugeln zu ermitteln, wobei durch dieses
Verfahren und diese Vorrichtung alle dem Stand der Technik
anhaftenden Nachteile beseitigt werden.
Bei einem Ultraschall-Prüfverfahren zur Ermittlung von Feh
lern an Bauelemente bildenden Kugeln, die in einem Ultra
schallwellen übertragenden Medium angeordnet sind, mit Hilfe
von von einer in das übertragende Medium eingetauchten Ultra
schallsonde übermittelten reflektierenden Ultraschallechos
wird eine Kugel auf zwei Sätzen von Kugel-Treibrollen ange
ordnet, wobei diese Treibrollen während der Ermittlung von
Fehlern, d.h. der Prüfung der Kugel, angetrieben werden, um
die Kugel zu drehen.
Die Ultraschall-Prüfvorrichtung gemäß der Erfindung zur Ermitt
lung von Fehlern an Bauelemeente bildenden Kugeln umfaßt
Kugel-Treibrollen, von denen jede ein Wellenstück und einen
Kugel-Treibabschnitt oder -bereich mit einer kreisförmigen
Ausgestaltung in einem zum Wellenstück rechtwinkligen Quer
schnitt hat, um eine auf den Kugel-Treibrollen angeordnete
Kugel zu drehen, wenn die Treibrollen gedreht werden, und
eine Ultraschall-Fehlerermittlungssonde, um Ultraschallwel
len zu der Kugel zur Abtastung von Fehlern dieser Kugel zu
übertragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung ist
der Kugel-Treibabschnitt oder -bereich einer jeden Kugel-
Treibrolle mit der zu prüfenden Kugel an wenigstens zwei
Punkten in Berührung, wobei die Gestalt des Kugel-Treibab
schnitts kreisförmig ist und diese Abschnitte in die beiden
Punkte einschließenden sowie zum Wellenstück rechtwinkligen
Querschnitten unterschiedliche Durchmesser haben. Durch diese
Anordnung und Ausbildung wird ein Zentrum der Kugel fortschrei
tend während der Drehung verschoben, so daß ein Abtasten durch
die Ultraschallwellen auf der gesamten Außenumfangsfläche
der Kugel bewirkt wird.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nä
her erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt einer Ultraschall-
Prüfvorrichtung in einer Ausführungsform
gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Draufsicht auf zwei Rollensätze, die bei der
Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Anwendung kom
men können;
Fig. 3 eine Draufsicht auf gegenüber der Fig. 2 abgewan
delte Rollensätze;
Fig. 4a und 4b eine Seiten- bzw. Draufsicht von Treibrollen
sätzen und einer zu prüfenden Kugel.
Wie bereits erwähnt wurde, sind die Kugel-Treibrollen als
eine Kombination von Rollen ausgebildet, von denen jede ein
Wellenstück sowie einen Kugel-Treibabschnitt oder -bereich
hat, der in einem zum Wellenstück rechtwinkligen Querschnitt
kreisförmig ausgestaltet ist. Die Treibrolle kann durch Zusam
menfügen eines Wellenstücks mit zwei sphärischen oder kege
ligen Oberflächenteilen oder durch einstückiges Ausbilden
des Wellenstücks mit zwei sphärischen oder kegelförmigen
Oberflächenteilen oder durch Zusammenfügen von zwei Kreis
scheibenplatten mit gekrümmten bzw. sich verjüngenden Ober
flächen zur Lagerung der zu prüfenden Kugel gefertigt
sein.
Wie die Fig. 2 als konkretes Beispiel zeigt, kann jeder der
beiden Rollensätze aus einem Wellenstück und zwei sphärischen
Flächenteilen oder -abschnitten mit gleichen Außendurchmessern
bestehen. Gemäß Fig. 3 wird jeder der beiden Rollensätze aus
einem Wellenstück und zwei kegeligen Flächenteilen oder -ab
schnitten mit gleichen Außendurchmessern gebildet. Des wei
teren zeigt die Fig. 4, daß jeder der beiden Rollensätze aus
einem Wellenstück und zwei sphärischen Oberflächenabschnit
ten oder -bereichen, die unterschiedliche Durchmesser haben,
besteht.
Gemäß der Erfindung wird eine ein Konstruktionsteil bildende
Kugel auf zwei solchen Rollensätzen angeordnet und mit einer
vorbestimmten Drehzahl oder Umlaufgeschwindigkeit durch Rei
bungskräfte zwischen dieser Kugel und den drehenden Kugel-
Treibrollen gedreht.
Im Fall von Kugel-Treibrollen, die jeweils ein Wellenstück
und zwei sphärische Flächenabschnitte mit gleichen Außendurch
messern haben sowie mit gleicher Drehzahl in beiden Sätzen
gedreht werden, wird die Kugel in Parallelität mit den Rollen
bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit gedreht.
Das Prinzip des Drehens der Kugel, die von einem Rollensatz
mit sphärischen oder kegeligen Oberflächenabschnitten von
unterschiedlichen Durchmessern getrieben wird, wird beispiel
haft unter Bezugnahme auf die Fig. 4 erläutert.
Wie die Fig. 4 zeigt, wird eine Kugel c mit dem Durchmesser
D c auf zwei Sätzen von Rollen, welche jeweils zwei sphäri
sche Oberflächenabschnitte a sowie b mit den Durchmessern
D A bzw. D B haben, angeordnet. Die Durchmesser d A , d B und
e A sowie e B der sphärischen Flächenabschnitte a sowie b und
der Kugel c liegen rechtwinklig zu einer Drehachse X der
Kugel c und verlaufen durch die Berührungspunkte A sowie B
zwischen der Kugel c und den sphärischen Flächenabschnitten
a sowie b. Wenn die Rollen mit einer Drehzahl N gedreht wer
den, so wird die Kugel c mit einer Drehzahl n gedreht. In
diesem Fall ergeben sich die folgenden Umlaufgeschwindigkei
ten:
V A = π e A × N/60 × d A /e A = π Nd A /60
V B = π e B × N/60 × d B /e B = f Nd B /60
V B = π e B × N/60 × d B /e B = f Nd B /60
Das heißt mit anderen Worten, daß die Kugel c mit den Umlauf
geschwindigkeiten V A und V B gedreht wird, deren Verhältnis
ein Verhältnis der Außendurchmesser D A und D B ist, so daß
die Kugel einer Kraft F unterworfen wird, welche aus dem
Unterschied zwischen den Umlaufgeschwindigkeiten V A und V B
resultiert. Deshalb wird die Drehachse X der Kugel c nachein
ander und fortschreitend verschoben, während die Kugel c in
einer vorbestimmten Richtung dreht.
Kugeln, die mit dem Ultraschall-Prüfverfahren und mit der
Prüfvorrichtung gemäß der Erfindung untersucht werden, sind
solche, die als Bauelemente oder Konstruktionsteile für La
ger, abriebfeste Bauteile und gleitende Elemente verwendet
werden.
Die Materialien der zu prüfenden Kugeln unterliegen keinen
speziellen Beschränkungen. Es können keramische Materialien
und Metalle verwendet werden. Da die keramischen Materialien
insbesondere in bezug auf ihre Festigkeit durch feine Fehler
in diesen nachteilig beeinflußt werden, ist die Erfindung
insbesondere auf Kugeln aus keramischen Materialien anwend
bar. Keramische Kugeln werden vor allem aus Siliziumnitrid,
Siliziumkarbid, Zirkoniumdioxid oder Aluminiumoxid gefertigt,
die die Anforderungen an hohe Festigkeit und hohe Härte für
eine Verwendung als Lagerbauteile, abriebfeste Teile, Gleit
bauteile u.dgl. erfüllen.
Gemäß der Erfindung ist die Sondenlagerung imstande, um die
Kugel einschließlich einer Mittelachse einer drehenden Fläche
der Kugel zu drehen, so daß das Abtasten von Fehlern an und
in der Kugel auf deren gesamter Außenumfangsfläche ohne ir
gendeinen mühsamen und/oder beschwerlichen Vorgang ausgeführt
werden kann.
Das bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete Medium
für die Übertragung des Ultraschalls ist im allgemeinen Was
ser. Jedoch können auch andere Flüssigkeiten, wie Turbinen-,
Zylinderöl u.dgl., für diesen Zweck zur Anwendung kommen.
Gemäß Fig. 1 umfaßt die Ultraschall-Fehlerprüf- oder -ermitt
lungsvorrichtung nach der Erfindung zwei Sätze von Kugel-
Treibrollen 11 mit jeweils zwei Kugeln von 10 mm Durchmesser,
um keramische Kugeln 10, die untersucht werden sollen, zu
drehen, einen Kugel-Antriebsmotor 14 zur Drehung der Treib
rollen 11 mit Hilfe von Getrieberädern 12 und eines Antriebs
riemens 13, einen Sonden-Tragarm 16, an dem eine Sonde 15
befestigt ist, und einen Sonden-Antriebsmotor 17, der durch
den Tragarm 16 die Sonde 15 um die Keramikkugeln 10 dreht.
Die Vorrichtung wird in einem Wasserbehälter 18, der eine
geeignete Menge an Wasser enthält, zum Teil angeordnet. Wie
die Fig. 1 zeigt, werden die Motoren 14 und 17, die die Kera
mikkugeln 10 bzw. die Sonde 15 antreiben, an einem Tragge
stell 23 gelagert, während die beiden Sätze von Kugel-Treib
rollen 11 an einem Lagerbock 24 gehalten werden. Eine in
den Antrieb zwischen dem Motor 14 und den beiden Sätzen von
Kugel-Treibrollen 11 eingegliederte Welle ist drehbar in La
gern 25 aufgenommen.
Kugeln 10 aus Siliziumnitrid mit 10 mm Durchmesser wurden
unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung
geprüft. Nach Aufbringen von einer Kugel 10 auf die Kugel
Treibrollen 11 wurde der Antriebsmotor 14 in Gang gesetzt,
um diese Rollen über die Getrieberäder 12 sowie den Antriebs
riemen 13 zu drehen. In diesem Fall wurde die Drehzahl des
Antriebsmotors 14 für die Rollen 11 bzw. die Kugel 10 so ge
regelt, daß die Kugel auf den Rollen mit 300 U/min gedreht
wurde.
Eine Ultraschallsonde 15 mit einem Schwingungsgeber von 5 mm
Durchmesser und einer Fokusweite von 10 mm wurde mit einer
Fehlerermittlungsfrequenz von 30 MHz verwendet. Die Sonde
15 wurde am Tragarm 16 befestigt und mit einem Ultraschall-
Defektoskop 19 über ein Kabel 20 verbunden. Dann wurde die
Sonde 15 in ihrer Lage so justiert, daß der Abstand zwischen
der Sonde 15 sowie der Oberfläche der Kugel 5 mm betrug und
die Einfallswinkel der Ultraschallwellen im wesentlichen
rechtwinklig zur Oberfläche der Kugel 10 gerichtet waren.
Der Kugel-Antriebsmotor 14 wurde so betrieben, daß die Kugel
10 mit einer Geschwindigkeit von 300 U/min gedreht wurde,
während Wellenformen durch eine Kathodenstrahlröhre 21 des
Defektoskops 19 betrachtet und zugleich die Wellenformen
durch einen mit dem Defektoskop 19 verbundenen Meßschreiber
22 aufgezeichnet wurden. Des weiteren wurde der Antriebsmotor
17 in Gang gesetzt, um die Sonde 15 über einen Winkelbereich
von 180° um die Kugel 10 mit einer Geschwindigkeit von
5 U/min zu drehen und die gesamte Oberfläche der Kugel abzu
tasten.
Bei der an zehn Kugeln aus Siliziumnitrid durchgeführten Ul
traschall-Fehlerprüfung wurden Echos, die vermutlich durch
Fehler hervorgerufen wurden, an zwei Kugeln beobachtet. Teile
der beiden Kugeln, an denen die Echos festgestellt wurden,
wurden geschliffen, wobei Poren- oder Blasenfehler in der
Größenordnung von 80-100 µm in Tiefen von 0,8 mm bzw. 1,2 mm
von der Kugeloberfläche aus gefunden wurden.
Anstelle der Kugel-Treibrollen 11 wurden zwei Sätze von Ku
gel-Treibrollen 30 gemäß Fig. 4a und 4b verwendet. Jeder Rol
lensatz bestand aus zwei Kugeln mit Durchmessern von 10 mm
bzw. 12 mm. Die Prüfvorrichtung wurde im Behälter 18 angeord
net, in den Wasser gefüllt wurde.
Kugeln 10 aus Siliziumnitrid hatten einen Durchmesser von
10 mm und wurden durch einen Trocken-Farbstift markiert.
Eine Kugel 10 wurde auf die Treibrollen 30 gelegt. Anschlie
ßend wurde der Antriebsmotor 14 in Gang gesetzt, um über die
Getrieberäder 12 sowie den Antriebsriemen 13 die Treibrollen
30 zu drehen. In diesem Fall wurde der Antriebsmotor 14 so
geregelt, daß die Kugel 10 aus Siliziumnitrid an den Treib
rollen 30 mit einer Geschwindigkeit von 300 U/min gedreht
wurde. Ein Rotationszentrum der Kugel 10 wurde während dieser
Drehung progressiv verschoben. Die Verschiebung des Rotations
zentrums der Kugel 10 wurde mit Hilfe der sich bewegenden,
an der Kugeloberfläche befindlichen Farbstift-Markierung
mit den Augen beobachtet, und die für ein Drehen der Verschie
bung um 180° erforderliche Zeit wurde gemessen. Als Ergebnis
wurde gefunden, daß sich die Drehung über 180° mit 15 Sekun
den verschob.
Eine Ulstraschallsonde 15 mit einem Schwingungsgeber von
5 mm Durchmesser und einer Fokusweite von 10 mm wurde mit
einer Fehlerermittlungsfrequenz von 30 MHz zum Einsatz ge
bracht. Die Sonde 15 wurde am Tragarm 16 befestigt und mit
dem Ultraschall-Defektoskop 19 über ein Kabel 20 verbunden.
Dann wurde die Sonde 15 in ihrer Lage so justiert, daß der
Abstand zwischen der Sonde sowie der Oberfläche der Kugel
5 mm betrug und die Einfallswinkel der Ultraschallwellen im
wesentlichen rechtwinklig zur Oberfläche der Kugel 10 ver
liefen.
Der Kugel-Antriebsmotor 14 wurde in Gang gesetzt, um die Ku
gel 10 mit einer Geschwindigkeit von 300 U/min zu drehen,
wobei Wellenformen mittels der Kathodenstrahlröhre 21 des
Defektoskops 19 beobachtet und zugleich die Wellenformen an
dem mit dem Defektoskop 19 verbundenen Meßschreiber 22 aufge
zeichnet wurden. Während die Kugel auf diese Weise gedreht
wurde, wurde das Ermitteln von Fehlern in der Kugel für 15
Sekunden durchgeführt.
Bei der Ultraschall-Fehlerprüfung an den zehn Kugeln aus Si
liziumnitrid wurden vermutlich durch Fehler verursachte Echos
an drei Kugeln festgestellt.
Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß das
Ultraschall-Prüfverfahren und die Ultraschall-Prüfvorrich
tung für Bauelemente bildende Kugeln gemäß der Erfindung zu
verlässig und schnell feine Fehler an und in Kugeln ermit
teln kann.
Gemäß der Erfindung kann ein Ultraschall-Prüfverfahren Fehler
an Bauelemente bildenden, in einem Ultraschallwellen über
tragenden Medium angeordneten Kugeln mit Hilfe von reflektie
renden Ultraschallechos, die von einer in das übertragende
Medium eingetauchten Ultraschallsonde übertragen werden,
entdecken. Die zu prüfende Kugel wird auf zwei Sätzen von
Kugel-Treibrollen angeordnet, welche angetrieben werden, um
die Kugel während der Prüfung zu drehen. Eine Ultraschall-
Prüfvorrichtung umfaßt Kugel-Treibrollen, von denen jede ein
Wellenstück sowie einen Kugel-Treibabschnitt mit kreisförmi
ger Gestalt in einem zum Wellenstück rechtwinkligen Quer
schnitt hat, um die auf den Treibrollen angeordnete Kugel
bei Drehen der Treibrollen zu drehen, und eine Ultraschall
sonde, die um die Kugel drehbar ist, um Ultraschallwellen
für ein Abtasten von Fehlern der Kugel zu dieser hin zu
übertragen.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausfüh
rungsbeispiele erläutert; es ist jedoch klar, daß dem Fach
mann bei Kenntnis der vermittelten Lehre Abänderungen und
Abwandlungen an die Hand gegeben sind, die als in den Rahmen
der Erfindung anzusehen sind.
Claims (12)
1. Ultraschall-Prüfverfahren zur Ermittlung von Fehlern an
Bauelemente bildenden Kugeln, die in einem Ultraschallwel
len übertragenden Medium angeordnet sind, mit Hilfe von
von einer in das übertragende Medium eingetauchten Ultra
schallsonde übermittelten reflektierenden Ultraschallechos,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Kugel auf zwei Sätzen
von Kugel-Treibrollen angeordnet wird und die Treibrollen
zur Drehung der Kugel während der Ermittlung von Fehlern
der Kugel angetrieben werden,
2. Prüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Satz von Kugel-Treibrollen zwei Treibrollen um
faßt und sämtliche vier Kugel-Treibrollen im wesentlichen
den gleichen Durchmesser haben.
3. Prüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Satz von Kugel-Treibrollen zwei Kugel-Treibrol
len mit unterschiedlichen Durchmessern umfaßt.
4. Prüfverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ultraschallsonde um eine Mittel
achse einer Rotationsfläche der auf den Kugel-Treibrollen
angeordneten Kugel um diese Kugel herum gedreht wird.
5. Ultraschall-Prüfvorrichtung zur Ermittlung von Fehlern
an Bauelemente bildenden Kugeln, gekennzeichnet durch
Kugel-Treibrollen (11, 30, a, b), von denen jede ein Wel
lenstück sowie einen Kugel-Treibabschnitt mit kreisförmi
ger Gestalt in einem zum Wellenstück rechtwinkligen Quer
schnitt hat, um eine auf den Kugel-Treibrollen angeord
nete Kugel (10, c) bei einer Drehung der Kugel-Treibrol
len zu drehen, und durch eine Ultraschallwellen zur Abta
stung von Fehlern der Kugel (10, c) zu dieser übertragen
de Ultraschallsonde (15) .
6. Prüfvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kugel-Treibrollen (11, 30, a, b) aus zwei Treib
rollensätzen bestehen und jeder Satz ein Wellenstück sowie
zwei Kugel-Treibabschnitte umfaßt.
7. Prüfvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß sämtliche vier Kugel-Treibabschnitte von kreisförmi
ger Gestalt sind und im wesentlichen gleiche Durchmesser
(d A , d B ) haben.
8. Prüfvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die vier Kugel-Treibabschnitte sphärische Oberflächen
bereiche (a, b) sind.
9. Prüfvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die vier Kugel-Treibabschnitte Kegel-Oberflächenberei
che haben.
10. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kugel-Treibabschnitt einer jeden
der Kugel-Treibrollen (11, 30, a, b) mit der Kugel (10,
c) an wenigstens zwei Punkten in Berührung ist und die
Kugel-Treibabschnitte eine kreisförmige Gestalt mit unter
schiedlichen Durchmessern in die beiden Punkte einschlie
ßenden sowie zum Wellenstück rechtwinkligen Querschnitten
haben.
11. Prüfvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kugel-Treibrollen (11, 30, a, b) aus zwei Sätzen
von Kugel-Treibrollen bestehen und jeder Satz das Wellen
stück sowie zwei Kugel-Treibabschnitte umfaßt.
12. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen die Ultraschall
sonde (15) lagernden Sonden-Tragarm (16) umfaßt, der um
die auf den Kugel-Treibrollen (11, 30, a, b) angeordnete
Kugel (10, c) um eine Mittelachse (X) einer Rotations
fläche der Kugel herum drehbar ist.
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