-
Vorrichtung zur Prüfung und Messung von Oberflächen
Gegenstand der
Erfindung ist eine Vorrichtung zum Prüfen und Messen von Oberflächen unterVerwendung
eines Kondensators mit zusammengesetztem Dielektrikum. Dieser besteht aus einem
Di.elektrikum bestimmter Dicke und D.ielektrizitätskonstante, dessen eine Seite
einen leitenden Beleg besitzt, während die andere, belegfreie Seite auf die rauhe
Oberfläche eines Werkstücks, das elektrisch leitend ist oder leitend gemacht worden
ist, gelegt wird. Dieses Dielektrikum wird im folgenden als Meßelektrode bezeichnet.
Ihr wesentliches Merkmal ist, daß der Quotient aus der Dicke und der Dielektrizitätskonstante
des dielektrikums ungefähr gleich sein muß dem Quotienten aus der mittleren Tiefe
der Oberflächenrauhigkeiten und der Dielektrizitätskonstante der zwischen diesen
Rauhigkeiten eingeschlossenen Luft. Die Luft kann aber auch durch andere Gase oder
Flüssigkeiten ersetzt werden.
-
Die Oberfläche eines Werkstücks weicht nun in mehrfacher Art und
Weise von. der idealen geometrischen form ab. Hiervon sind die wichtigsten Abweichungen,
die Formungenau'igkeit, die Welligkeit und die Rauhigkeit. Die Rauhigkeit entsteht
durch Eingriffe in das Werstoffgefüge, z. B. durch Bearbeitung, Korrosion usw.,
während die Welligkeit auf Schwingungen der Bearbeitungsmaschine, Schlag des Werkzeuges
usw. zurückzuführen ist. die Abweichung einer ebenen Fläche von der Ebenheit, eines
Rundkörpers von der Rundheit stellt schließlich die Formungenauigkeit dar.
-
Alle diese Abweichungen von der idealen Gestalt
treten
auf einer vorgegebenen Oberfläche einander überlagert auf. Da auf Grund des Meßergebnisses
die Oberflächengestalt verbessert werden soll, ist es notwendig, die Größe der obengenannten
Abweichungen einzeln zu messen anstatt einen Gesamtwert anzugeben.
-
Erfindungsgemäß wird dies bei der Vorrichtung durch besondere Ausgestaltung
der meßelektroden in Verbindung mit entsprechenden Maßnahmen zum Aufsetzen und Anpressen.
der Elektroden auf die Oberfläche erreicht.
-
Die Tiefe der Rauhigkeit, Welligkeit und Formungenauigkeit liegt
im allgemeinen durch aus in der gleichen Größenordnung, während sie in der horizontalen
Ersteckung, (d.h. im Abstand ihrer Erhebungen sich ganz wesentlich unterscheiden.
Es ist daher möglich, durch die Größe und Form der Meßelektrode eine Unterscheidung
der verschiedenen. Oberflächenfehler herbei zuführen. Je kleiner die Meßelektrodenfläche
ist, desto mehr wird nur die Rauhigkeit gemessen, desto größer ist auch der Einfluß
eines bestimmten Oberflächenzustandes, z. B. eines Risses, auf das Meßergebnis.
Am besten erreicht man kleine Meßelel<trodenflächen mit kugelig ausgebildeten
Meßsonden. Da kleine Elektrodenflächen die elektrische Meßeinrichtung empfindileher
verlangen, werden zweckmäßig eine größere Anzahl von Kugelektroden parallel geschaltet.
Andererseits können die Oberflächenfehler in einer Richtung sehr groß, in der dazusenkrechten
Richtung sehr klein sein. Für solche Zwecke empfehlen sich walzenförmige oder schmalkantige
Elektroden. Diese ergeben verschiedene Meßwerte, wenn sie in verschiedener Richtung
auf die Oberfläche aufgesetzt werden. Je größer die Mefifläche wird, desto mehr
wird der Einfluß der Welligkeit und dann der formungenauigkeit ermittelt.
-
Die Messung der Formungenauigkeit erfolgt mit starren Meßelektroden,
die die vorgeschriebene ideale geometrische Form haben. Sie dürfen sich daher nicht
verformen und müssen äußerst biegungsreif sein. Sofern sie das nicht von selbst
sind, müssen sie durch starre Tragkonstruktionen gestützt werden. Wellige Oberflächen
werden dagegen mit elastischen Elektroden geprüft, die sich jeweils bestimmt auf
die Bergspitze der Welle auflegen, von der Formungenauigkeit aber nicht beeinflußt
~werden. Wird die Meßelektrode noch elastischer gemacht, so daß sie nicht nur auf
den Erhebungen der Welligkeit aufliegt, sondern. sich der Welligkeit anschmiegt,
dann kann mit solchen hochelastischen oder schon als plastisch zu bezeichnenden
Meßelektroden die Rauhigkeit gemessen werden, wenn nicht die obenerwähnten Kleinflächen-oder
Kugelelektroden benutzt werden. Bei allen elastischen und hochelastischen plastischen
Meßelektroden kommt es nun darauf an, daß sie gleichmäßig auf die gesamte Oberfläche
gedrückt werden.
-
Die meisten Oiberflähen gehören nun zu Rundkörpern, Bohrungen, Kugeln
usw., so daß die Meßelektrode sich sowohl dieser Prüflingsform als auch der Welligkeit
anschmiegen muß. Es kommt also hierbei nicht nur auf die Elastizität und Verformbarkeit
von Dielektrikum und leitenden Beleg an, sondern auch auf die Mittel, den gleichmäßigen
andruck auf jede Stelle der Oberfläche zu erreichen.
-
Hierzu dienen federnde Zug- oder Druckbänder sowie Gummi-, Luft- oder
Flüssigkeitspolster.
-
Außerdem muL die Meßelektrode oder die Werkstückauflage kugelig gelagert
sein, damit nicht durch Verlçanten ein ungleichmäßiger Andruck entsteht.
-
Außer der Erzeugung eines gleichmäßigen Andruckes muß aber auch bei
jeder Messung der stets gleiche Andruck auf die Oberfläche gewähr. leistet sein.
Ist der Andruck zu niedrig, dann liegt die Meßelektrode nicht richtig auf, ist der
Andruck zu hoch, dann werden die Spitzen der Oberfläche verformt, wodurch sich unterschiedliche
Meßwerte ergeben würden. Durch Steigerung des Andruckes ist verhältnismäßig leicht
zu erkennen, wann sich die Meßelektrode angelegt hat und die Verformung der Spitzen
beginnt. Dieser Druck muß aber dann bei jeder Messung eingehalten werden, was durch
Belastung-mit Gewichten oder Federn sowie durch Luft- oder Flüssigkeitsdruck erfolgen
kann. Hierbei können auch Hebelübersetzungen dazwischengeschaltet werden, um beliebig
hohe Drücke zu erzeugen. Die Meßvorrichtung kann entweder unmittelbar auf das Werkstück
aufgesetzt werden oder das Werkstück wird, besonders wenn seine Abmessungen nicht
zu groß sind, in eine in Säulen-oder Brückenbauweise hergestellte Meßvorrichtung
gebracht.
-
Nichtmetallische Oberflächen müssen leitend gemacht werden, wobei
Kathodenzerstäubung für sehr feine Rauhigkeiten sich am besten bewährt hat. Ist
der Werkstoff unempfindlich gegen Feuchtigkeit, so kann; die Oberfläche auch auf
galvanischem Wege mit einem metallischen Überzug versehen werden.
-
Bei größeren Rauhigkeiten, ferner bei Welligkeiten und formungenauigkeiten
wird die Oberfläche durch Aufprägen oder Aufkleben dünner Metallfolie, durch Bespritzen
mit Metall oder einem leitenden Überzug, Bestreichen mit leitendem Lack, Metallpaste
usw., Belegen mit Metallgewebe, -teppichen, matten oder -platten leitend gemacht,
wobei die letzteren Verfahren beispielsweise für die Oberflächenprüfung von Stralendecken
angewendet werden.
-
Die verschiedenen Oberflächenmaßzahlen für Formungenauigkeit, Welligkeit
und Rauhigkeit werden zweckmäßig unmittelbar auf einem Zeigerinstrument angezeigt,
das direkt in t/ooo mm geeicht ist. Es kann aber auch eine Kapazitätsvergleichsmessung
mit Beobachtung eines Nullinstrumentes vorgenommen werden.
-
Abb. I stellt eine Meßelektrode mit kugelförmiger Meßfläche I, dar,
während in Abb. 2 mehrere derartige Meßelektroden 1 parallel geschaltet sind. Sie
können sich in der Führung 2 bewegen und stellen sich so auf das Oberflächenprofil
3 ein. In Abb. 3 erfolgt die Prüfung einer formungenauen Oberfläche 8 durch eine
starre Melelektrode, die eine runde, quadratische oder rechteckige auflagefläche
haben kann. Sie besteht aus dem Dielektrikum 7 mit dem metallischen Beleg 6 und
ist gegen De-
formation durch den starren Stützkörper 5 geschützt.
Bei 4 erfolgt der Angriff der Meßkraft.
-
Eine wellige Oberfläche 14 zeigt die Abb. 4. Hier sind der metallische
Beleg 12 und das Dielektrikum I3 in einem solchen Umfang elastisch, daß sie sich
auf die Erhebungen der Welligkeit auflegen, wenn die bei g auf die Platte 10 wirkende
Meßkraft das elastische Polster ii verformt. Noch elastischer ist in Abb. 5 der
metallische Beleg I7 mit dem Diel-ektrikum I6, der sich den Wellen auf der Oberfläche
I5 anschmiegt. Hierbei wird ebenfalls die bei 20 angreifende Meßkraft über ein Kopfstück
19 und ein elastisches Polster I8 übertragen. Stellt man sich die Welligkeit der
Oberfläche 15 auf einem Rundkörper vor, dann muß sich der Beleg I7 und das Dielektrikum
I6 nicht nur der Welligkeit in Achsrichtung, sondern auch der Rundung in Umfangsrichtung
anlegen. Da hierfür die Elastizität der Meßelektrode nicht ausreichen kann, wird
diese dann plastisch verformt. Hierzu kann der Beleg 17 beispielsweise aus einer
Metallfolie mit einem darauf befindlichen ebenfalls plastisch verformbaren Dielektrikum
16 bestehen oder das Dielektrikum I6 ist eine dielektrische Folie, die nicht fest
mit dem Beleg I7 verbunden ist. Diese plastischen Belege I7 und Dielektriken. 16
müssen natürlich nach jeder Messung durch neue, noch nicht verformte Folien ersetzt
werden. Die plastische Meßelektrode ist daher für Rauhigkeitsmessungen nicht in
allen Fällen am zweckmäßigsten, so daß die Verwendung kugeliger,sd ral. zen oder
drahtförmiger Meßelektropen 21 vorzuziehen ist.
-
Abb. 6 ziegt die Prüfung runder Körper. Der Prüfling 22 befindet
sich auf einem Prisma 23, das auf der Grundplatte 24 kugelig gelagert ist. Die elastische
Meßelektrode 25 wird durch das Spannband 26 und die bei 27 angreifende Meßkraft
auf die Oberfläche des Pru..flings 22 gedrückt. Es kann aber auch, wie in Abb. 7,
der Prüfling 29 von dem band- oder drahtförmigen Spannelement 2(8 ganz umschlungen
werden, so daß durch den Ausgleich der Meßkraft 62 eine besondere Auflagerung hin.
fällig wird. Zweckmäßig wird dabei das Spannelement 28 selbst als Meßelektrode ausgebildet.
-
Nach Ablb. 8 kann dieses Prinzip auch zum Messen von Bohrungen verwendet
werden. In der Bohrung 30 befindet sich die elastische Meßelektrode 3I, die durch
ein federndes Spreizband 32 unter der Meßkraft 33 an die Wandung der Bohrung angedrückt
wird.
-
Die Spann- und Spreizbandandruckeinrichtungen erzeugen, besonders
bei klein-enDurchme;ss-ern, nicht immer einen. gleichmäßigen An druck oder lassen
sich in kleinen Bohrungen nicht unterbringen. Hier zeigt Abb. 9 eine zweckmäßige
Lösung. In der Bohrung 34 befindet sich ein sich elastisch ausdehnende Element,
z. B. eine Gummiblase 35, die auf ihrer Außenseite die Meßelektrode 37 trägt.
-
Wird die Blase mit Luft oder einer Flüssigkeit 36 unter Druck gesetzt,
so legt sie sich allseitig an die Bohrung an uind setzt die Meßelektrode 37 unter
einen gleichmäßig wirkenden Druck. Dieses Verfahren läßt sich auch, wie Abb. 10
zeigt, für Außendurchmesser verwenden. Auf dem Prüfling 38 liegt die Meßelektrode
39 und über dieser ein sich elastisch ausdehnendes Element 40, z. B. eine Blase
oder ein Gummi schlauch usw. Darüber ist ein abstützendes Element 41 angeordnet.
Wird das sich ausdehnende Element 40 durch den Anschluß 42 mit Druckluft oder Druckflüssigkeit
gefüllt, dann wird die elastische Meßelektrode 39 gleichmäßig auf die Oberfläche
des Prüflings 38 gedrückt.
-
In Abb. II ist die offene oder sondenförmige Bauweise der Vorrichtung
dargestellt, mit deren Hilfe beliebig große Prüflinge 43 gemessen werden können.
Mit dem Gehäuse 46 stützt sich die Vorrichtung durch Dreipunktauflage auf der Oberfläche
des Prüflings 43 ab. Die Meß, elektrode 44 wird durch die Druckplatte 45 über eine
kugelige Abstützung durch den Gewichtsträger 47 und die Gewichte 48, an deren stelle
auch federn verwendet sein können, belastet. Bei der Brückenbauweise des Gerätes,
Abb. 12, befindet sich das zu prüfende Werkstück 49 auf dem in oder Höhe verstellbaren
Tisch 54, der in dem Gestell 55 gelagert ist. Die Meßelektrode 50 wird über den
Stützkörper 51 und den Übersetzungshebel 52 durch das Gewicht 53 belastet. Zum Auswechseln
des Prüflings 49 wird die Meßelektrode mit der Brücke 52 hochgeklappt.
-
Hierbei kann das Gewicht 53 durch eine besondere Hebelkonstruktion
ausgekuppelt werden, damit es nicht mit hochgeklappt werden muß.
-
Absb. 13 stellt schließlich die Säulenbauform der Vorrichtung dar.
Bei dieser ist der Prüfling 58 mittels eines Prismas kugelig auf dem Meßtisch 59
gelagert, der durch die Spindel 60 verstellt werden kann. Der Tisch ist auf dem
Gestell 61 befestigt.
-
Die Meßelektrode ist zugleich als Spannband 57 ausgeführt, jedoch
könnte auch jede andere der oben besprochenen Elektrodenhalterungen benutzt werden.
Die Elektrodenhalterung ist an dem Ausleger 56 so befestigt, daß beim Andrücken
des Prüflings 5& mittels der Spindel 60 der richtige Meßdruck erzeugt wird.