DE3710741A1 - Verfahren und vorrichtung zur rechnergesteuerten ermittlung der haerte insbesonders von metallischen werkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur im wesent­ lichen zerstörungsfreien Ermittlung der Härte eines Roh- oder Fertigteils.

Zum Stand der Technik zählt die Härteprüfung nach Brinell. Hier­ bei wird eine gehärtete Stahlkugel mit bestimmter Belastung in das zu untersuchende Material gedrückt. Aus der Belastung der Kugel und der Oberfläche der in den Werkstoff gedrückten, mittels einer Vergrößerungseinrichtung gemessenen Kalotte wird dann die Brinellhärte berechnet. Der gerätetechnische Aufwand bei der Härteprüfung nach Brinell ist somit relativ aufwendig, zumal je nach der zu erwartenden Härte des zu untersuchenden Werk­ stoffs vier verschiedene Kugeldurchmesser und mehrere Last­ stufen verwendet werden, so daß insgesamt 20 Variationsmög­ lichkeiten bestehen.

Bei der Härteprüfung nach Rockwell wird als Eindringkörper bei harten Werkstoffen ein Diamantkegel mit einem Spitzen­ winkel von 120° und bei mittelharten sowie weichen Werk­ stoffen eine gehärtete Stahlkugel von ¹/₁₆″ Durchmesser be­ nutzt. Dabei wird der Eindringkörper zunächst mit einer Vor­ last von 10 Kp in die Oberfläche des Prüfstücks eingedrückt. Die dabei erreichte Eindringtiefe stellt den Ausgangswert für die Tiefmessung dar. Anschließend wird die Belastung um 140 Kp auf insgesamt 150 Kp bei Verwendung eines Diamantkegels bzw. um 90 Kp auf insgesamt 100 Kp bei Verwendung einer Stahlkugel gesteigert und dann wieder auf den Wert der Vorlast gesenkt. Die bleibende Eindringtiefe wird gemessen und die entsprechende Härte an der Skala des Prüfgeräts unmittelbar abgelesen.

Schließlich zählt zu den sogenannten Eindringverfahren noch die Härteprüfung nach Vickers. In diesem Fall wird eine Diamant­ pyramide von 136° Flächenwinkel mit einer beliebigen Last, z. B. 50 Kp oder 100 Kp bei sehr harten Stählen in die Werkstoffober­ fläche eingedrückt. Die Eindrückoberfläche wird aus ihren gemes­ senen Diagonalen bestimmt. Die Härte errechnet sich dann wie bei Härteprüfung nach Brinell durch Division der Belastung durch die Eindrückfläche. Die Vickers-Härte ist unabhängig von der Belastung, die Regelbelastungen betragen 10, 30 und 60 Kp.

Nachteilig an den bekannten Verfahren ist mithin der vergleichs­ weise hohe prüftechnische Aufwand im Hinblick auf die Vielfalt der Eindringkörper sowie die verschiedenen Belastungen in Abhängig­ keit von der zu erwartenden Härte des jeweils zu untersuchenden Werkstoffs. Dabei ist sämtlichen bekannten Eindringverfahren ge­ meinsam, daß ein Eindringkörper unter einer bestimmten Last in das Material eingedrückt, die Größe des von dem Eindringkörper im Werkstück hinterlassenen Eindrucks gemessen und aus diesen beiden Werten der Härtegrad ermittelt wird.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zu schaffen, gemäß welcher es möglich ist, die Härte sämtlicher Werkstoffe mit einem einzigen Eindringkörper nach ein- und derselben Prüfmethode zu untersuchen.

Charakteristisch an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, daß jetzt eine bestimmte Prüftiefe vorgegeben wird, die der Prüfkörper in das zu untersuchende Material eindringen muß. Die für den Eindrückvor­ gang benötigte Kraft wird dann als Maß für die Härte des Werkstücks herangezogen. Neben dem grundlegenden Vorteil, daß mit einem einzigen Prüfkörper alle Werkstoffe mit ein- und derselben Meßmethode geprüft werden können, wird der weitere Vorteil erzielt, daß bei sämtlichen zu untersuchenden Werkstoffen, seien sie nur hart oder weich, ein einwandfreies Meßergebnis erzielt wird.

In Anbetracht der Tatsache, daß die Kraft, mit welcher der Prüf­ körper bei konstanter Geschwindigkeit über die vorgeschriebene Tiefe in den Prüfling eindringen muß, auf jeden Fall einen von Null abweichenden Wert aufweist, können sowohl extrem weiche als auch extrem harte Werkstoffe ohne Austausch des Eindringkörpers und ohne Änderung der Prüfmethode auf ihre Härte hin untersucht werden.

Der Einsatz eines induktiven Wegaufnehmers gemäß Anspruch 1 ist mit dem Vorteil verbunden, daß eine vorbestimmte Eindringtiefe von beispielsweise 0,1 mm automatisch und exakt gemeldet wird, so daß der Eindrückvorgang mit Sicherheit nach Erreichen der vorge­ schriebenen Tiefe abgebrochen wird.

Statt eines induktiven Wegaufnehmers kann nach den Merkmalen des Anspruchs 2 die Eindringtiefe des Prüfkörpers auch mittels Laser­ strahlen überwacht werden.

Die Verwendung eines Stellmotors zum Eindrücken der Prüfspitze in das zu untersuchende Material gewährleistet in Verbindung mit einem bevorzugt aus einem induktiven Wegaufnehmer bestehenden Wegmesser eine genaue Festlegung einer Eindringtiefe sowie eine stets mit derselben Exaktheit wiederholbare Prüfung bei sämtlichen Materia­ lien.

Die Prüfspitze kann verschiedenartig gestaltet sein. Bevorzugt ge­ langt jedoch gemäß Anspruch eine Prüfspitze aus einem Diamantkegel mit einem Spitzenwinkel von 120° zur Anwendung.

Die vom induktiven Wegaufnehmer dem Rechner gemeldete Eindring­ tiefe steuert über die Schrittmotorsteuerung den Schrittmotor, wo­ mit wiederum die erforderliche Eindringtiefe der Prüfspitze in den Prüfling geregelt wird.

Ist diese Eindringtiefe von z. B. 0,1 mm erreicht, wird dieser Meß­ wert vom induktiven Wegaufnehmer dem Rechner mitgeteilt, worauf dieser den Schrittmotor abstellt.

Mit Hilfe der Dehnungsmeßstreifen oder eines anderen dafür ge­ eigneten Kraftmeßverfahrens kann jederzeit die aufgewendete Kraft bestimmt bzw. nach Erreichen der gewünschten Eindringstufe von z. B. 0,1 mm die Maximalkraft am Bildschirm des Rechners sichtbar gemacht werden bzw. von einem Drucker ausgedruckt werden.

Alternativ kann diese Maximalkraft von einem digitalen Anzeigege­ rät abgelesen werden. Ein in den Rechner eingegebenes Programm ermöglicht eine Materialauswahl in bezug auf die Härte, so daß z. B. ein bestimmter Härtebereich für Prüflinge toleriert wird, während weichere oder härtere Werkstücke ausgesondert werden.

Der Prüfvorgang läuft wie folgt ab:

Zunächst wird der Schrittmotor (1), die Stromzuführung des in­ duktiven Wegaufnehmers sowie der Rechner eingeschaltet. Durch Hochfahren der Spindel (2) wird der Prüfling (3) gegen die Prüf­ spitze (4) gefahren. Im Augenblick der Berührung von Prüfling mit der Prüfspitze meldet der induktive Wegaufnehmer (5) dem Rechner den Beginn des Prüfvorgangs. Mit Hilfe des Schritt­ motors wird nun die zum Erreichen von 0,1 mm Eindringtiefe in den Prüfling erforderliche Kraft aufgebracht. Ist dies gesche­ hen, wird diese Kraft mit Hilfe der Dehnmeßstreifen (6) ermit­ telt. Diese Kraft wird als Härtewert direkt angegeben. Nach Zurückfahren des Prüfkörpers mit der Prüfspitze mit Hilfe des Schrittmotors kann die nächste Prüfung vorgenommen werden.

Die Anwendung dieses Härteprüfgeräts ist universell überall dort möglich, wo metallische Werkstoffe hergestellt oder ver­ arbeitet werden, wie z. B. Stahlwerke, Maschinenfabriken, Auto­ hersteller. Insbesondere ist eine 100%ige Qualitätsüberwachung dadurch möglich, daß keine Härtewerte aus Eindrücken von Prüf­ körpern ausgemessen werden müssen, wie dies bei der Härtemes­ sung nach Brinell und Vickers erforderlich ist. Auch können verschieden harte Werkstoffe ohne Umrüsten des Prüfgeräts auf ihre Härte untersucht werden, was z. B. mit dem Rockwellver­ fahren nicht möglich ist. Insbesondere der schnelle Ablauf der Prüfung läßt das Gerät zur 100%igen Qualitätsüberwachung von metallischen Werkstücken geeignet erscheinen.

Claims (10)

1. Verfahren zur im wesentlichen zerstörungsfreien Ermittlung der Härte eines Roh- oder Fertigteils, bei welchem ein vom Werk­ stoff her härter als das zu untersuchende Material des Prüflings beschaffener, sich endseitig verjüngender Prüfkörper in das Material des Prüflings eingedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper (1) um ein vorbestimmtes stets gleich großes Maß in das Material des Prüflings (3) eingedrückt und die zum Eindrücken benötigte Kraft direkt als Wert für die Härte des Prüflings (3) herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüf­ körper (1) mit einer an sich bekannten pyramiden- oder kegel­ förmigen Prüfspitze (1) aus Diamant in den zu untersuchenden Prüfling (3) gedrückt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe des Prüfkörpers (1) durch einen induktiven Weg­ aufnehmer (4) bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe des Prüfkörpers (1) mittels Laserstrahlen bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe des Prüfkörpers (1) durch elektronisch gesteuerte Sensoren oder andere wie z. B. elektrostatische Meßverfahren be­ stimmt wird.

6. Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfspitze (1) von einem Motor (2) gesteuert in den Prüfkörper eingedrückt wird, wobei der induktive Wegaufnehmer (4) kraft­ schlüssig mit dem Prüfkörper (1) gekoppelt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfspitze des Prüfkörpers (1) aus einem Diamantkegel mit einem spitzen Winkel von 120° besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte des induktiven Wegaufnehmers (4) dem Rechner (5) zugeführt werden, der durch stetigen Soll-Ist-Vergleich die Eindringtiefe des Prüfkörpers (1) über den Schrittmotor (2) steuert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen der vorbestimmten Eindringtiefe des Prüfkörpers (1) der Schrittmotor (2) mit Hilfe des Rechners (5) durch die Schrittmotorsteuerung (6) automatisch abgeschaltet wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mechanisch mit dem Kraftübertragungshebel (8) zwischen Motor und Prüfkörper gekoppelte Dehnungsmeßstreifen (7) die aufge­ wendete Prüfkraft stetig messen und nach Erreichen der vorge­ gebenen Eindringtiefe des Prüfkörpers (1) in den Prüfling (3) die dazu erforderliche Prüfkraft über den Bildschirm oder den Drucker des Rechners (5) anzeigen.