WO2000043769A1 - Device and method for testing bearing elements using ultrasound - Google Patents

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WO2000043769A1
WO2000043769A1 PCT/EP2000/000348 EP0000348W WO0043769A1 WO 2000043769 A1 WO2000043769 A1 WO 2000043769A1 EP 0000348 W EP0000348 W EP 0000348W WO 0043769 A1 WO0043769 A1 WO 0043769A1
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ultrasound
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ultrasonic
incidence
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Hans Andreas Linder
Bernhard Caspers
Jürgen Hennicke
Hans-Jürgen THOMA
Hubert Müller
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Cfi Ceramics For Industry Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for testing a test specimen by means of ultrasound, preferably a spherical or cylindrical ceramic bearing element, for defects on the surface and in the area near the surface.
  • Bearing rollers are subjected to a 100% individual test using eddy current and light reflection on the surface of the bearing element.
  • a sample bearing element is used to calibrate this combined test method, on the surface of which an 800 ⁇ m long surface groove is made.
  • eddy current testing of ceramic bearing elements is not possible.
  • Ceramic bearing elements in particular made of silicon nitride (Si3N4), makes the availability of a production-oriented, quick test method that meets the requirement for safe usage behavior of the bearing elements more and more urgent. For this it is necessary that defects can be detected on the element surface and in the area close to the surface to a depth of approx. 2.5 mm.
  • US Pat. No. 5,005,417 describes a device in which an ultrasonic measurement takes place under water on a ball made of silicon nitride.
  • the ball is supported in a hemispherical depression in such a way that water flows through a nozzle let into the depression and thus rotates by one rotation.
  • axis can be offset.
  • the sphere is irradiated from the side with an ultrasound beam focused on its surface.
  • the direction of the ultrasound beam is eccentric, ie not directed towards the center of the ball, so that a large part of the ultrasound runs along the ball as a surface wave.
  • either the entire bearing with the recess or the ultrasound head can be rotated about an axis that is perpendicular to the axis of rotation of the ball.
  • the superimposed rotations make it possible to scan the entire spherical surface with the focus of the ultrasound.
  • a similar device is described for the measurement of cylindrical elements.
  • US-5 060 517 and US-5 184 513 describe an automatic test apparatus for ceramic spherical bearing elements.
  • the balls are taken from a supply by grippers and placed on rotating elements in a water bath.
  • a ball to be tested can be rotated almost arbitrarily via the rotation elements while it is irradiated with ultrasound from the side.
  • the ultrasound source can also be moved on an axis around the ball, so that the entire surface of the ball can be scanned.
  • US Pat. Nos. 5,056,368 and 5,398,551 relate to similar devices for measuring a sphere, special emphasis being placed on a complementary curvature of the sound source.
  • US Pat. No. 5,606,129 describes a test method for rotationally symmetrical vessels, in particular glass vessels, wherein the vessel to be tested is set in rotation by an air stream and is scanned by means of a test device. The test device is held in a fixed position with respect to the rotational movement of the vessel.
  • EP 429 302 AI describes an ultrasonic test method for detecting defects on balls and a corresponding device using at least two test heads.
  • the ball to be tested is located on a roller block that allows the ball to rotate.
  • the use of a roller block has the
  • a device for detecting material and processing errors on balls by sonicating the ball with ultrasound is known, at least two ultrasound transducers being provided.
  • the axes of the ultrasonic transducers are spatially offset from one another, one beam of rays being directed vertically and the other or the other being directed obliquely at the surface of the sphere.
  • DE 41 03 808 AI describes a quality assurance test device for the dimension and crack examination of thin-walled tube elements with ultrasound, several ultrasound transducers being used. A large number of ultrasonic transducers are required for rapid and reliable testing of elongated, thin-walled, tubular elements, which scan the test specimen on helical or spiral paths. The test device described is unsuitable for testing spherical test specimens.
  • test specimens in particular ceramic bearing elements such as balls and rollers, are tested with increased reliability and errors down to a size of 50 ⁇ m in the surface and near-surface area are quantitatively recognized.
  • a device for testing a test body preferably a spherical or cylindrical ceramic bearing element
  • a test body which contains manipulation devices for the relative movement between the test body and the ultrasonic test head and two or more ultrasonic test heads which are arranged in such a way that the planes of incidence of the ultrasound are the azimuth angle
  • n is the number of ultrasonic probes used and x is an integer from 0 to n-1.
  • the device according to the invention thus works with at least two ultrasound probes.
  • the time required for a test with the same number of measured values can be reduced to at least half (in the case of n ultrasonic test heads to one nth) in comparison with the time required for a test with a device which has only one ultrasonic test head .
  • This is a huge advantage in view of the fact that thousands of bearing elements have to be measured individually during production.
  • the number of measuring points (ie locations of the measurement on the sample) and / or measured values and thus the precision can be at least doubled (with n ultrasound probes) - with the same measuring duration. Or a combination of both effects can be selected, ie increased precision with a shortened measuring time by increasing the number of measured values by a factor ⁇ 2 (generally: ⁇ n).
  • An increase in precision can be achieved not only by a higher number of measured values, but also by the fact that the ultrasonic probes are designed and / or arranged in such a way that they sonicate a surface element or volume element of the test body under different conditions when this is manipulated using the manipulation devices in is positioned in their respective sound field.
  • the test specimen is measured, that is to say by means of ultrasound, under at least two different conditions, so that the likelihood of overlooking a defect decreases, which may be difficult to detect with regard to a single measurement condition.
  • a measurement condition is the direction of irradiation of the ultrasonic probes on the test specimen.
  • the ultrasound probes are arranged such that the ultrasound incidence planes have an azimuth angle of
  • n is the number of ultrasonic probes used and x is an integer from 0 to n-1.
  • the angle ⁇ e is preferably selected in the range of 0.5 times ⁇ 'to 1.5 times ⁇ ', so that the ultrasound beam is divided favorably into a part that penetrates into the depth and runs along the surface.
  • the nominal Angle ⁇ ' is calculated from the value of the surface wave velocity V 0 and the longitudinal wave velocity of the fluid V F specific to the material of the test specimen:
  • the device according to the invention preferably contains an automated feed and discharge of the test specimens in order to ensure fully automatic functioning.
  • This also includes a selection device in which the test specimens are separated depending on the result of the test.
  • the manipulation devices are advantageously designed such that, in addition to the holder, they also allow the held test specimen to rotate about an axis of rotation. Then the entire surface of the test body can be guided along the ultrasonic test heads during the rotation.
  • At least one of the ultrasonic probes can be pivotable about a pivot axis, preferably through an angle of up to 190 °.
  • the sound source can then be guided along the surface of the test specimen held.
  • the manipulation devices allow rotation of the test body and the ultrasonic test heads can also be pivoted. Then every point on the surface of the test specimen can be reached due to the two available degrees of freedom of movement.
  • the pivot axis is preferably perpendicular to the axis of rotation in order to maximize the surface area that can be reached.
  • the manipulation device can be designed such that it is essentially formed by the end faces of two rotatable drive axes, between which the test specimen can be held and rotated.
  • the drive axles or the end faces are axially displaceable to allow the test specimen to be clamped.
  • the manipulation device can also contain at least one suction gripper, with the aid of which the test specimens can be gripped and held by means of a negative pressure generated. Such a gripping process can be controlled particularly well via the negative pressure.
  • the suction gripper is preferably a hollow cone.
  • the ultrasonic head (s) is preferably pivoted by an angle of up to 100 ° and the test sequence after an intermediate rotation of the test body by preferably 90 ° the ultrasonic swivel axis is repeated, so that the test area unchecked in the first step is now checked.
  • the device contains a hollow spherical bearing or a hollow cylindrical bearing, depending on the complementary shape of the bearing elements to be tested (ball or cylinder).
  • the test specimen can be rotatably held in the bearing cavity.
  • at least one nozzle directed into the hollow interior is arranged in the bearing, through which a flowing medium can be directed onto the test body in order to take it along due to its viscosity and thus to set it in motion.
  • the bearing can contain two nozzles, which are preferably perpendicular to one another. Then, with two mutually perpendicular rotation components, any rotation of an inserted ball can be generated or an inserted cylinder can be brought into rotation about its longitudinal axis and can be displaced independently of it in the direction of the same.
  • the said bearing advantageously consists of two separable halves, which can be moved apart for inserting and removing the test specimen.
  • the invention also includes a method for testing a test body, preferably a spherical or cylindrical ceramic bearing element, for defects on the surface and in the area near the surface, in which the test is carried out by means of ultrasound, is measured on the test body with at least 2 ultrasound test heads simultaneously and during the test the test specimen and an ultrasonic test head are moved relative to each other.
  • a test body preferably a spherical or cylindrical ceramic bearing element
  • EP 429 302 A1 known method is characterized in that the measurements under n, where n corresponds to the number of ultrasound probes used, different ultrasound incidence planes are made, the azimuth angle of
  • n has the meaning given above and x denotes an integer from 0 to n-1.
  • the arrangement of the ultrasound probes according to the invention sonicates a surface element or volume element of the test body under different conditions.
  • the test specimen is therefore measured by means of ultrasound under at least two different conditions, so that the likelihood of overlooking a defect which possibly with regard to one of the
  • the ultrasound beam strikes the test specimen from different directions. This is of great importance because some defects cannot be recognized from all directions of radiation.
  • An example is elongated cracks, which are often only sufficient if they are transverse to the ultrasound beam.
  • test specimens are preferably fed in and out automatically and / or selected automatically and separated depending on the test result. This ensures a fully automatic, series-ready process.
  • the test specimen can be rotated during the measurement, which is preferably carried out at a speed of more than 30 U / s. During the rotation, the entire surface of the test body can be guided along the ultrasonic test heads.
  • the sound source is guided along the surface of the test specimen.
  • the ultrasonic test heads are pivoted and the test body rotated at the same time.
  • the pivot axis and the axis of rotation should not be parallel, preferably even perpendicular to each other. Because then in principle every point on the surface of the test specimen can be reached due to the two available degrees of freedom of movement.
  • the test specimen can be held in a bearing which is complementary to it and the flow of a medium, preferably water, can be directed onto it in order to set it in motion.
  • a medium preferably water
  • the coupling medium for the ultrasound which is present anyway, is used without great mechanical effort and completely non-destructively for the test body optimally used.
  • a particular flow can be selected from a direction that has a component that sets the cylinder in rotation and a second (generally much smaller) component that simultaneously ensures a movement of the cylinder in the longitudinal direction.
  • two non-parallel, preferably perpendicular flows of the medium can be directed onto the test body. Then, with two independent rotation components, any rotation of an inserted ball can be generated or an inserted cylinder can be brought into rotation about its longitudinal axis and can be displaced independently of it in the direction of the same.
  • the ultrasonic pulses used for the test preferably have a nominal frequency of more than 25 MHz in order to enable optimal error detection. They are advantageously, preferably via a liquid coupling medium
  • the ultrasound pulse repetition frequency is preferably more than 12000 Hz.
  • the angle ⁇ e is preferably selected in the range of 0.5 times ⁇ 'to 1.5 times ⁇ ', so that the ultrasound beam is divided favorably into a part that penetrates into the depth and runs along the surface.
  • the nominal angle ⁇ ' is calculated from the specific value of the surface wave velocity V 0 and the longitudinal wave velocity of the fluid Vp for the material of the test body:
  • the measurements are carried out under at least two different ultrasound incidence planes. It is preferred to measure from four directions, with the azimuth angles of 0 °, 45 °, 90 ° and 135 ° (ie the four directions are 45 ° apart).
  • the measurement from different directions has the advantage that anisotropic defects (eg elongated cracks) can no longer or only rarely be overlooked.
  • the measurement is preferably carried out in one
  • Grid network made, typically with a grid spacing of 50 to 100 microns. Then defects down to a size of 50 ⁇ m can still be detected.
  • Figure 1 shows two bearing elements.
  • Figure 2 shows the conditions on the test body during ultrasonic testing.
  • Figure 3 shows the ultrasonic echoes obtained.
  • Figure 4 shows the measurement of the echo with a time window.
  • Figure 5 shows the measurement grid
  • FIG. 6 shows the azimuth angles at which measurements can be made, for example.
  • Figure 7 shows a measuring device for balls with suction cup.
  • FIG. 8 shows a measuring device for balls with a selection device.
  • Figure 9 shows a measuring device for balls with a bearing.
  • FIG. 10 shows a complete test station for balls.
  • FIG. 11 shows a measuring device for cylinders with rotating rollers.
  • Figure 12 shows a measuring device for cylinders with a bearing.
  • Figure 13 shows the scheme of the test method.
  • the invention proposes a test method which is based on the use of an ultrasonic test method in which the focused, focused ultrasonic beam scans the entire surface of the test body (in the following, by way of example, a bearing element) point-by-point, systematically and completely, and thus the material and processing errors up to down to 50 ⁇ m in the surface and near surface area.
  • the tested bearing elements are separated into the quality classes "operational" and "not operational”.
  • Figure 1 shows two bearing elements in the form of a ball la and a roller (cylinder) Ib.
  • Coupling medium water coming, striking the bearing element, longitudinal dinale ultrasound beam splits into a surface wave (VA Sutilov: “Physics of Ultrasound", Springer-Verlag Vienna, New York (1984)), which is particularly sensitive reflected by surface defects 3, and into a shear wave, which is inclined at an angle ⁇ 45 ° penetrates into the component and detects defects in the near-surface area of the component.
  • VA Sutilov "Physics of Ultrasound", Springer-Verlag Vienna, New York (1984)
  • FIG. 3 shows the ultrasonic echoes which are received with this arrangement.
  • the peaks originate (from left to right) from the ultrasound transmission pulse, from the surface echo and (double peak) as an error echo from surface and / or volume defects.
  • FIG. 7 A first system for ultrasonic bearing ball testing is shown in Figure 7. With the vacuum suction lifter 6, the ball la to be measured is brought from a magazine 8 into the measuring position between the two ultrasound heads 7a and 7b and by the
  • Vacuum suction cone 4a held. After this positioning, the vacuum suction lifter is removed in order to release the ball rotation about the stepping motor-driven axis of rotation 5.
  • the two ultrasound probes are pivoted in the angular range from -50 ° to + 50 ° around the pivot axis 4b and part of the surface of the ball is checked (see FIG. 5).
  • one ultrasonic probe 7a is oriented perpendicular to the surface of the sphere and focused on a spherical layer lying far inside, and is thus able to detect material defects on this spherical layer in a highly sensitive manner.
  • the other ultrasound probe 7b is focused on the surface of the sphere and at an angle to the surface in the range from 7.5 ° to 22.5 ° (in the case of Silicon nitride ceramic as a spherical material and water as a fluid) inclined and able to detect defects in the surface and near the surface.
  • FIG. 6 shows the surface 2 of a bearing element with a surface defect 3 (an elongated crack). Since the detection sensitivity of a near-surface defect strongly depends on the orientation of the surface defect with respect to the incident ultrasound beam, the different azimuthal beam direction of the ultrasound beam prevents an elongated error from being struck only parallel to the ultrasound beam and therefore cannot be detected.
  • a measuring grid spacing of 50 - 150 ⁇ m proved sufficient to detect material inhomogeneities in the range> 50 - 150 ⁇ m (Knoop substitute defect length) depending on the quality of the ground ball surface.
  • the ceramic ball 1 a to be tested is brought into a starting position by means of a ball dispenser, from where it places a siphon 6 in the measuring position between the two conical and evenly formed end faces of the drive axles 5 a and 5 b of two
  • Stepper motors positioned. By axially shifting one or both Stepper motor axes 5a, the ceramic ball is clamped between the two axes and, after uncoupling the suction lifter, is moved at a high rotational speed (30-100 U / s).
  • the ultrasonic probes 7a, 7b are moved synchronously about the axis 4b from -50 ° to + 50 ° and scan the ceramic ball in the area near and near the surface for material defects, the two
  • Ultrasonic probes 7a, 7b are set to azimuth angles of 0 ° and 90 °.
  • the test sequence is repeated after the ball has been rotated by the suction lifter by 90 ° about the axis 4b, so that the surface areas of the ball hidden in the first step by the stepper motor axes 5a and 5b are also checked.
  • the ball clamping is released by the axial return movement of the stepper motor and the ball falls into a selection device 9 consisting of a sensor, which, according to the test result, transfers the tested ball to the containers of the quality classes e.g. KL1, KL2 and KL3 assigned.
  • FIG. 9 A third variant of the production-oriented ultrasonic testing of ceramic bearing balls is shown in FIG. 9.
  • the ball la to be tested is set in a very rapid rotation within a bearing, which is formed from the two concentric spherical caps 10a and 10b, by high-pressure water jets.
  • a bearing which is formed from the two concentric spherical caps 10a and 10b, by high-pressure water jets.
  • four ultrasound probes adjusted to the surface of the ball are permanently installed (only two 7a, 7b are shown).
  • Two water jet drive systems 12a, 12b which are arranged at right angles to one another with their spray nozzles 11a, 11b, are used for checking the entire spherical surface.
  • the side control of the two spray nozzles are controlled by computer-controlled valves 13 which, as a function of time, transfer from the sole drive of the first water jet to the sole drive of the second water jet.
  • the four ultrasound heads are used to implement the azimuthal scanning angles 0 °, 45 °, 90 °, 135 °, which are permanently installed in the spherical caps in accordance with these orientations.
  • the entire ball surface area can advantageously be detected here without the ball having to be reclamped.
  • FIG. 10 The loading of the ultrasound test device in a complete test station is shown in FIG. 10, in which the balls to be tested are brought into the measuring position on a conveyor belt and are separated according to quality classes via a conveyor belt and corresponding sorting devices.
  • the cylindrical bearing element ceramic roller is checked by ultrasound according to the principle shown in FIG.
  • the roller 1b is taken out of a magazine 8 with the aid of a suction lifter 6 and brought into the measuring position between the two driving stepper motors (axes 5b).
  • a roller block which consists of the rollers 14a and 14b and the pressure rollers 15a and 15b, serves for better axial centering of the ceramic roller.
  • the ultrasonic probes 7a, 7b and two further ultrasonic probes, not shown in the sketch, are set to the azimuthal angles of incidence 0 °, 45 °, 90 ° and 135 ° and are scanned in the axial direction over the roller rotating at high speed. After the test, the suction lifter 6 returns the ceramic roll to the magazine 8.
  • the rollers 1b are rotated with water jets to shorten the test cycle times in cylindrical bearings 16 and are axially displaced by the four built-in high-frequency ultrasound heads for defects in the surface and near the surface Area checked.
  • the process works in
  • FIG 13 finally shows the scheme of the test method.
  • a control computer 17 controls a robot 18, which takes care of the component supply.
  • the ultrasound scanning then takes place at the measuring station 20 by means of the ultrasound transmitters and receivers 19.
  • An evaluation computer 21 finally determines the result of the measurement and controls the selection device 9, which classifies the storage elements into containers for the different quality classes.

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Abstract

The invention relates to a device and a method for the in-series, non-destructive ultrasound testing of ceramic bearing elements (rollers and balls) for defects ⊃50 νm. The inventive method provides for the transport of the test pieces throughout, the test itself and the evaluation of the test. According to the invention, at least two ultrasound testing heads are used to take the necessary measurements at various azimuth angles α at the same time. During the measuring process, the ball rotates about an axis of rotation at the same time as the ultrasound testing heads are pivoted about the pivot axis which is arranged perpendicular thereto.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Prüfung von Lagerelementen mittels Ultra- schallDevice and method for testing bearing elements using ultrasound
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Prüfung eines Prüfkörpers mittels Ultraschall, vorzugsweise eines kugelförmigen oder zylindrischen keramischen Lagerelementes, auf Fehler an der Oberfläche und im ober- flächennahen Bereich.The present invention relates to a device and a method for testing a test specimen by means of ultrasound, preferably a spherical or cylindrical ceramic bearing element, for defects on the surface and in the area near the surface.
Es ist bekannt, dass hochbelastete metallische Lagerelemente (Lagerkugeln undIt is known that highly stressed metallic bearing elements (bearing balls and
Lagerrollen) einer 100 % -Einzelprüfung mittels Wirbelstrom und Lichtreflektion an der Lagerelement-Oberfläche unterzogen werden. Zur Kalibrierung dieses kombinierten Prüfverfahrens dient ein Musterlagerelement, an dessen Oberfläche eine 800 μm lange Oberflächennut eingebracht ist. Wegen der extrem niedrigen elektri- sehen Leitfähigkeit der ingenieurkeramischen Werkstoffe ist eine Wirbelstromprüfung keramischer Lagerelemente allerdings nicht möglich.Bearing rollers) are subjected to a 100% individual test using eddy current and light reflection on the surface of the bearing element. A sample bearing element is used to calibrate this combined test method, on the surface of which an 800 μm long surface groove is made. However, because of the extremely low electrical conductivity of the engineering ceramic materials, eddy current testing of ceramic bearing elements is not possible.
Der zunehmende Einsatz keramischer Lagerelemente, insbesondere aus Silicium- nitrid (Si3N4), macht die Verfügbarkeit eines produktionsgerechten, schnellen Prüf- Verfahrens, das die Forderung nach gesichertem Einsatzverhalten der Lagerelemente erfüllt, immer dringlicher. Dazu ist es erforderlich, dass an der Elementoberfläche und im oberflächennahen Bereich bis zu einer Tiefe von ca. 2.5 mm Fehler erfasst werden können.The increasing use of ceramic bearing elements, in particular made of silicon nitride (Si3N4), makes the availability of a production-oriented, quick test method that meets the requirement for safe usage behavior of the bearing elements more and more urgent. For this it is necessary that defects can be detected on the element surface and in the area close to the surface to a depth of approx. 2.5 mm.
Verschiedene zerstörungsfreie Prüfverfahren für solche keramischen Bauteile mittelsVarious non-destructive test methods for such ceramic components
Ultraschall sind bekannt.Ultrasound are known.
So beschreibt die US-5 005 417 eine Vorrichtung, bei der unter Wasser eine Ultraschallmessung an einer Kugel aus Siliciumnitrid stattfindet. Die Kugel ist dabei in einer halbkugelförmigen Vertiefung so gelagert, dass sie über eine in die Vertiefung eingelassene Düse mit Wasser angeströmt und damit in Rotation um eine Rotations- achse versetzt werden kann. Von der Seite her wird die Kugel mit einem auf ihre Oberfläche fokussierten Ultraschallstrahl bestrahlt. Die Richtung des Ultraschallstrahls ist exzentrisch, d.h. nicht auf den Mittelpunkt der Kugel gerichtet, so dass ein Großteil des Ultraschalls als Oberflächenwelle die Kugel entlangläuft. Weiterhin kann entweder das gesamte Lager mit der Vertiefung oder aber der Ultraschallkopf um eine Achse gedreht werden, die senkrecht zur Rotationsachse der Kugel steht. Durch die überlagerten Drehungen ist es möglich, mit dem Fokus des Ultraschalls die gesamte Kugeloberfläche abzuscannen. Eine ähnliche Vorrichtung wird ftir die Vermessung von zylindrischen Elementen beschrieben.For example, US Pat. No. 5,005,417 describes a device in which an ultrasonic measurement takes place under water on a ball made of silicon nitride. The ball is supported in a hemispherical depression in such a way that water flows through a nozzle let into the depression and thus rotates by one rotation. axis can be offset. The sphere is irradiated from the side with an ultrasound beam focused on its surface. The direction of the ultrasound beam is eccentric, ie not directed towards the center of the ball, so that a large part of the ultrasound runs along the ball as a surface wave. Furthermore, either the entire bearing with the recess or the ultrasound head can be rotated about an axis that is perpendicular to the axis of rotation of the ball. The superimposed rotations make it possible to scan the entire spherical surface with the focus of the ultrasound. A similar device is described for the measurement of cylindrical elements.
Die US-5 060 517 und US-5 184 513 beschreiben eine automatische Testapparatur für keramische kugelförmige Lagerelemente. Die Kugeln werden von Greifern aus einem Vorrat entnommen und in einem Wasserbad auf Rotationselementen abgelegt. Über die Rotationselemente kann eine zu prüfende Kugel quasi beliebig gedreht werden, während sie von der Seite mit Ultraschall bestrahlt wird. Auch die Ultraschallquelle kann auf einer Achse um die Kugel herum bewegt werden, so dass wiederum die gesamte Oberfläche der Kugel abgescannt werden kann.US-5 060 517 and US-5 184 513 describe an automatic test apparatus for ceramic spherical bearing elements. The balls are taken from a supply by grippers and placed on rotating elements in a water bath. A ball to be tested can be rotated almost arbitrarily via the rotation elements while it is irradiated with ultrasound from the side. The ultrasound source can also be moved on an axis around the ball, so that the entire surface of the ball can be scanned.
Die US-5 056 368 und US-5 398 551 betreffen ähnliche Vorrichtungen zur Ver- messung einer Kugel, wobei besonderer Wert auf eine komplementäre Krümmung der Schallquelle gelegt wird.US Pat. Nos. 5,056,368 and 5,398,551 relate to similar devices for measuring a sphere, special emphasis being placed on a complementary curvature of the sound source.
In US-5 606 129 wird ein Prüfverfahren für rotationssymmetrische Gefäße, insbesondere Glasgefäße, beschrieben, wobei das zu prüfende Gefäß durch einen Luftstrom in Rotation versetzt und dabei mittels eines Prüfgeräts abgetastet wird. Das Prüfgerät wird bezüglich der Rotationsbewegung des Gefäßes in einer fixen Position gehalten.US Pat. No. 5,606,129 describes a test method for rotationally symmetrical vessels, in particular glass vessels, wherein the vessel to be tested is set in rotation by an air stream and is scanned by means of a test device. The test device is held in a fixed position with respect to the rotational movement of the vessel.
Bei den genannten Vorrichtungen handelt es sich um solche, die jeweils nur einen Ultraschallprüfkopf aufweisen. Es sind jedoch auch Vorrichtungen und Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung keramischer Bauteile mittels Ultraschall bekannt, die sich durch Verwendung mindestens zweier Ultraschallprüfköpfe auszeichnen. So beschreibt EP 429 302 AI eine Ultraschallprüfmethode zur Detektion von Fehlern auf Kugeln und eine entsprechende Vorrichtung unter Verwendung von mindestens zwei Prüfköpfen. Die zu prüfende Kugel befindet sich dabei auf einem Rollenbock, der eine Rotation der Kugel erlaubt. Die Verwendung eines Rollenbocks hat denThe devices mentioned are those which each have only one ultrasound probe. However, devices and methods for the non-destructive testing of ceramic components by means of ultrasound are also known, which are distinguished by the use of at least two ultrasound probes. For example, EP 429 302 AI describes an ultrasonic test method for detecting defects on balls and a corresponding device using at least two test heads. The ball to be tested is located on a roller block that allows the ball to rotate. The use of a roller block has the
Nachteil, dass eine sichere Fixierung des Prüfköφers in der gewünschten Position nicht in jedem Fall gewährleistet ist.Disadvantage that a secure fixation of the test body in the desired position is not guaranteed in every case.
Auch aus DE 30 04 079 AI ist eine Vorrichtung zum Erkennen von Material- und Bearbeitungsfehlern an Kugeln durch Beschallung der Kugel mit Ultraschall bekannt, wobei mindestens zwei Ultraschallschwinger vorgesehen sind. Die Achsen der Ultraschallschwinger sind gegeneinander räumlich versetzt angeordnet, wobei ein Schallstrahlenbündel senkrecht und das andere oder die anderen schräg auf die Oberfläche der Kugel gerichtet sind.From DE 30 04 079 AI a device for detecting material and processing errors on balls by sonicating the ball with ultrasound is known, at least two ultrasound transducers being provided. The axes of the ultrasonic transducers are spatially offset from one another, one beam of rays being directed vertically and the other or the other being directed obliquely at the surface of the sphere.
DE 41 03 808 AI beschreibt eine Qualitätssicherungs-Prüfeinrichtung zur Ab- messungs- und Riss-Untersuchung von dünnwandigen Rohrelementen mit Ultraschall, wobei mehrere Ultraschallwandler verwendet werden. Für eine rasche und zuverlässige Prüfung langgestreckter, dünnwandiger, rohrförmiger Elemente werden eine Vielzahl von Ultraschallwandlern benötigt, die auf wendeiförmigen bzw. spiralförmigen Pfaden den Prüfköφer abtasten. Die beschriebene Prüfeinrichtung ist für die Prüfung kugelförmiger Prüfköφer ungeeignet.DE 41 03 808 AI describes a quality assurance test device for the dimension and crack examination of thin-walled tube elements with ultrasound, several ultrasound transducers being used. A large number of ultrasonic transducers are required for rapid and reliable testing of elongated, thin-walled, tubular elements, which scan the test specimen on helical or spiral paths. The test device described is unsuitable for testing spherical test specimens.
Die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen sind hinsichtlich der Zeit, die für Prüfung eines kugel- oder zylinderförmigen Prüfköφers benötigt wird, und/oder derThe methods and devices described are in terms of the time required for testing a spherical or cylindrical test body and / or
Zuverlässigkeit, mit der gerade oberflächennahe Fehler detektiert werden können, noch nicht zufriedenstellend.Reliability with which just near-surface defects can be detected is not yet satisfactory.
Angesichts des genannten gattungsbildenden Standes der Technik war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ultraschall-Prüfverfahren so zu verbessern, dass es für den schnellen, wirtschaftlich effektiven Einsatz tauglich ist. Gleichzeitig sollten die Prüfköφer, insbesondere keramische Lagerelemente wie Kugeln und Rollen, mit erhöhter Verlässlichkeit geprüft werden und dabei Fehler bis hinunter zu einer Größe von 50 μm im Oberflächen- und oberflächennahen Bereich quantitativ erkannt werden.In view of the generic state of the art mentioned, it was an object of the present invention to improve an ultrasound test method in such a way that it is suitable for fast, economically effective use. At the same time the test specimens, in particular ceramic bearing elements such as balls and rollers, are tested with increased reliability and errors down to a size of 50 μm in the surface and near-surface area are quantitatively recognized.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Prüfung eines Prüfköφers (vorzugsweise eines kugelförmigen oder zylindrischen keramischen Lagerelementes) gelöst, welche Manipulationseinrichtungen zur Relativbewegung zwischen Prüfköφer und Ultraschallprüfkopf und zwei oder mehr Ultraschallprüfköpfe enthält, die so angeordnet sind, dass die Einfallsebenen des Ultraschalls die Azimut- WinkelThis object is achieved by a device for testing a test body (preferably a spherical or cylindrical ceramic bearing element) which contains manipulation devices for the relative movement between the test body and the ultrasonic test head and two or more ultrasonic test heads which are arranged in such a way that the planes of incidence of the ultrasound are the azimuth angle
x • 180° ± 0,2 - 180c nx • 180 ° ± 0.2 - 180 c n
aufweisen, wobei n die Anzahl der verwendeten Ultraschallprüfköpfe und x eine ganze Zahl von 0 bis n-1 bedeutet.have, where n is the number of ultrasonic probes used and x is an integer from 0 to n-1.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet also mit mindestens zwei Ultraschallprüfköpfen. Dadurch kann die für eine Prüfung mit gleicher Anzahl an Messwerten notwendige Zeit im Vergleich mit der Zeit, die bei Prüfung mit einer Vorrichtung, die nur einen Ultraschallprüfkopf aufweist, benötigt wird auf mindestens die Hälfte (bei n Ultraschallprüfköpfen auf ein n-tel) verringert werden. Dies ist ein enormer Vorteil angesichts der Tatsache, dass bei der Produktion Tausende von Lagerelementen einzeln zu vermessen sind.The device according to the invention thus works with at least two ultrasound probes. As a result, the time required for a test with the same number of measured values can be reduced to at least half (in the case of n ultrasonic test heads to one nth) in comparison with the time required for a test with a device which has only one ultrasonic test head . This is a huge advantage in view of the fact that thousands of bearing elements have to be measured individually during production.
Alternativ hierzu kann - bei gleicher Messdauer - die Zahl der Messpunkte (d.h. Orte der Messung auf der Probe) und/oder Messwerte und damit die Präzision mindestens verdoppelt (bei n Ultraschallprüfköpfen ver-n-facht) werden. Oder aber es kann eine Kombination beider Effekte gewählt werden, d.h. erhöhte Präzision bei verkürzter Messzeit, indem die Zahl der Messwerte um einen Faktor <2 (allgemein: <n) erhöht wird. Vorzugsweise enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung n = 4 Ultraschallprüfköpfe. Eine Steigerung der Präzision lässt sich nicht nur durch eine höhere Anzahl an Messwerten erzielen, sondern auch dadurch, dass die Ultraschallprüfköpfe so ausgelegt und/oder angeordnet sind, dass sie ein Oberflächenelement oder Volumenelement des Prüfköφers unter unterschiedlichen Bedingungen beschallen, wenn dieses mittels der Manipulationseinrichtungen in ihrem jeweiligen Schallfeld positioniert ist. Der Prüfköφer wird, also mittels Ultraschall unter mindestens zwei verschiedenen Bedingungen vermessen, so dass die Wahrscheinlichkeit sinkt, einen Defekt zu übersehen, welcher möglicherweise hinsichtlich einer einzigen Messbedingung schwer zu detektieren ist.As an alternative to this, the number of measuring points (ie locations of the measurement on the sample) and / or measured values and thus the precision can be at least doubled (with n ultrasound probes) - with the same measuring duration. Or a combination of both effects can be selected, ie increased precision with a shortened measuring time by increasing the number of measured values by a factor <2 (generally: <n). The device according to the invention preferably contains n = 4 ultrasound probes. An increase in precision can be achieved not only by a higher number of measured values, but also by the fact that the ultrasonic probes are designed and / or arranged in such a way that they sonicate a surface element or volume element of the test body under different conditions when this is manipulated using the manipulation devices in is positioned in their respective sound field. The test specimen is measured, that is to say by means of ultrasound, under at least two different conditions, so that the likelihood of overlooking a defect decreases, which may be difficult to detect with regard to a single measurement condition.
Eine Messbedingung ist die Einstrahlrichtung der Ultraschallprüfköpfe auf den Prüfköφer. Der Ultraschallstrahl der Ultraschallprüfköpfe kann also den Prüfköφer aus verschiedenen Richtungen treffen, insbesondere unter verschiedenen Azimut- winkeln und/oder aus verschiedenen Einfallswinkeln (in einem System von Kugelkoordinaten (θ, φ, r) mit Ursprung im Brennpunkt des Ultraschalls und mit einer z- Achse (θ = 90°), die dem Lot auf die bestrahlte Fläche entspricht, ist φ der Azimutwinkel und (90°-θ) der Einfallswinkel θe).A measurement condition is the direction of irradiation of the ultrasonic probes on the test specimen. The ultrasound beam from the ultrasound probes can thus hit the test specimen from different directions, in particular at different azimuth angles and / or from different angles of incidence (in a system of spherical coordinates (θ, φ, r) originating in the focal point of the ultrasound and with a z-axis (θ = 90 °), which corresponds to the perpendicular to the irradiated surface, φ is the azimuth angle and (90 ° -θ) the angle of incidence θ e ).
Erfindungsgemäß werden mindestens zwei verschiedene Messbedingungen dadurch gewährleistet, dass die Ultraschallprüfköpfe so angeordnet sind, dass die Ultraschalleinfallsebenen Azimutwinkel vonAccording to the invention, at least two different measurement conditions are ensured in that the ultrasound probes are arranged such that the ultrasound incidence planes have an azimuth angle of
x . 180! ± 0,2 - 180 x . 180! ± 0.2 - 180
aufweisen, wobei n die Anzahl der verwendeten Ultraschallprüfköpfe und x eine ganze Zahl von 0 bis n-1 bedeutet.have, where n is the number of ultrasonic probes used and x is an integer from 0 to n-1.
Der Winkel θe wird vorzugsweise im Bereich 0,5 mal θ' bis 1,5 mal θ' gewählt, so dass eine günstige Aufteilung des Ultraschallstrahles in einen in die Tiefe eindringenden und einen an der Oberfläche entlanglaufenden Teil erreicht wird. Der Nenn- winkel θ' berechnet sich aus dem für den Werkstoff des Prüfköφers spezifischen Wert der Oberflächenwellengeschwindigkeit V0 und der Longitudinalwellenge- schwindigkeit des Fluids VF nach:The angle θ e is preferably selected in the range of 0.5 times θ 'to 1.5 times θ', so that the ultrasound beam is divided favorably into a part that penetrates into the depth and runs along the surface. The nominal Angle θ 'is calculated from the value of the surface wave velocity V 0 and the longitudinal wave velocity of the fluid V F specific to the material of the test specimen:
θ' = aresin (VF/V0) (1).θ '= aresine (V F / V 0 ) (1).
Vorzugsweise enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung eine automatisierte Zu- und Abfuhr der Prüfköφer, um eine vollautomatische Funktionsweise zu gewährleisten. Hierzu gehört auch eine Selektionseinrichtung, in der die Prüfköφer in Abhängigkeit vom Resultat der Prüfung getrennt werden.The device according to the invention preferably contains an automated feed and discharge of the test specimens in order to ensure fully automatic functioning. This also includes a selection device in which the test specimens are separated depending on the result of the test.
Die Manipulationseinrichtungen sind vorteilhafterweise so ausgelegt, dass sie neben der Halterung auch die Rotation des gehaltenen Prüfköφers um eine Rotationsachse erlauben. Dann kann während der Rotation die gesamte Oberfläche des Prüfköφers an den Ultraschallprüfköpfen entlanggeführt werden.The manipulation devices are advantageously designed such that, in addition to the holder, they also allow the held test specimen to rotate about an axis of rotation. Then the entire surface of the test body can be guided along the ultrasonic test heads during the rotation.
Mindestens einer der Ultraschallprüfköpfe kann um eine Schwenkachse schwenkbar sein, vorzugsweise um einen Winkel von bis zu 190°. Die Schallquelle kann dann an der Oberfläche des gehaltenen Prüfköφers entlanggeführt werden.At least one of the ultrasonic probes can be pivotable about a pivot axis, preferably through an angle of up to 190 °. The sound source can then be guided along the surface of the test specimen held.
Besonders bevorzugt ist es, wenn bei der Vorrichtung sowohl die Manipulationseinrichtungen eine Rotation des Prüfköφers erlauben als auch die Ultraschallprüfköpfe geschwenkt werden können. Dann kann jeder Punkt der Oberfläche der Prüf- köφer aufgrund der zwei zur Verfügung stehenden Bewegungsfreiheitsgrade erreicht werden. Vorzugsweise steht die Schwenkachse senkrecht zur Rotationsachse, um die erreichbare Oberfläche zu maximieren.It is particularly preferred if, in the device, the manipulation devices allow rotation of the test body and the ultrasonic test heads can also be pivoted. Then every point on the surface of the test specimen can be reached due to the two available degrees of freedom of movement. The pivot axis is preferably perpendicular to the axis of rotation in order to maximize the surface area that can be reached.
Die Manipulationseinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass sie im wesentlichen durch die Stirnflächen zweier drehbarer Antriebsachsen gebildet wird, zwischen denen der Prüfköφer gehalten und rotiert werden kann. Die Antriebsachsen bzw. deren Stirnflächen sind dabei axial verschiebbar, um ein Einspannen des Prüfköφers zu erlauben.The manipulation device can be designed such that it is essentially formed by the end faces of two rotatable drive axes, between which the test specimen can be held and rotated. The drive axles or the end faces are axially displaceable to allow the test specimen to be clamped.
Die Manipulationseinrichtung kann auch .mindestens einen Sauggreifer enthalten, mit dessen Hilfe die Prüfköφer über einen erzeugten Unterdruck gefasst und gehalten werden können. Ein solcher Greifvorgang lässt sich über den Unterdruck besonders gut steuern. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Sauggreifer um einen Hohlkonus.The manipulation device can also contain at least one suction gripper, with the aid of which the test specimens can be gripped and held by means of a negative pressure generated. Such a gripping process can be controlled particularly well via the negative pressure. The suction gripper is preferably a hollow cone.
Die obengenannten Angestaltungen der Manipulationseinrichtung erlauben einen kraftschlüssigen Antrieb der Prüfköφer. Dadurch wird der Püfköφer sehr präzise in der gewünschten Position gehalten.The above-mentioned configurations of the manipulation device permit a force-locking drive of the test specimens. As a result, the Püfköφer is held very precisely in the desired position.
Da beim kraftschlüssigem Antrieb des Prüfköφers möglicherweise ein Teil von dessen Oberfläche verdeckt wird und für die Prüfung unzugänglich ist, wird der oder die Ultraschallköpfe vorzugsweise um einen Winkel von bis zu 100° geschwenkt und der Prüfablauf nach einem zwischengeschalteten Verdrehen des Prüfköφers um vorzugsweise 90° um die Ultraschallschwenkachse wiederholt, so dass nun der im ersten Schritt ungeprüfte Prüfköφ erb ereich geprüft wird.Since a part of the surface of the test body may be covered by the force-locking drive of the test body and is inaccessible for the test, the ultrasonic head (s) is preferably pivoted by an angle of up to 100 ° and the test sequence after an intermediate rotation of the test body by preferably 90 ° the ultrasonic swivel axis is repeated, so that the test area unchecked in the first step is now checked.
In einer besonderen Ausgestaltung der erfmdungsgemäßen Vorrichtung enthält diese ein hohlkugelförmiges Lager oder ein hohlzylinderförmiges Lager, je nachdem, welche hierzu komplementäre Form die zu prüfenden Lagerelemente haben (Kugel oder Zylinder). In dem Lagerhohlraum kann der Prüfköφer drehbeweglich gehalten werden. Weiterhin ist im Lager mindestens eine in das hohle Innere gerichtete Düse angeordnet, durch welche ein strömendes Medium auf den Prüfköφer gerichtet werden kann, um diesen aufgrund seiner Viskosität mitzunehmen und damit gerichtet in Bewegung zu versetzen. Eine solche Lagerung und Drehung hat den Vorteil, dass keine aufwendigen rotierenden Maschinenteile benötigt werden und dass das ohnehin vorhandene Ankopplungsmedium für den Ultraschall optimal ausgenutzt wird. Insbesondere kann das Lager zwei Düsen enthalten, welche vorzugsweise senkrecht zueinander stehen. Dann kann nämlich mit zwei zueinander senkrechten Rotationskomponenten jede beliebige Rotation einer eingesetzten Kugel erzeugt werden bzw. ein eingesetzter Zylinder kann in Rotation um seine Längsachse gebracht und un- abhängig davon in Richtung derselben verschoben werden.In a special embodiment of the device according to the invention, it contains a hollow spherical bearing or a hollow cylindrical bearing, depending on the complementary shape of the bearing elements to be tested (ball or cylinder). The test specimen can be rotatably held in the bearing cavity. Furthermore, at least one nozzle directed into the hollow interior is arranged in the bearing, through which a flowing medium can be directed onto the test body in order to take it along due to its viscosity and thus to set it in motion. Such storage and rotation has the advantage that no complex rotating machine parts are required and that the coupling medium, which is present anyway, is optimally used for the ultrasound. In particular, the bearing can contain two nozzles, which are preferably perpendicular to one another. Then, with two mutually perpendicular rotation components, any rotation of an inserted ball can be generated or an inserted cylinder can be brought into rotation about its longitudinal axis and can be displaced independently of it in the direction of the same.
Das genannte Lager besteht vorteilhafterweise aus zwei trennbaren Hälften, welche zum Einlegen und Entnehmen des Prüfköφers auseinanderbewegt werden können.The said bearing advantageously consists of two separable halves, which can be moved apart for inserting and removing the test specimen.
Zur Erfindung gehört weiterhin ein Verfahren zur Prüfung eines Prüfköφers, vorzugsweise eines kugelförmigen oder zylindrischen keramischen Lagerelementes, auf Fehler an der Oberfläche und im oberflächennahen Bereich, bei welchem die Prüfung mittels Ultraschall erfolgt, am Prüfköφer mit mindestens 2 Ultraschallprüfköpfen gleichzeitig gemessen wird und während der Prüfung der Prüfköφer und ein Ultra- schallprüfkopf relativ zueinander bewegt werden. Dieses gattungsgemäß z.B. aus derThe invention also includes a method for testing a test body, preferably a spherical or cylindrical ceramic bearing element, for defects on the surface and in the area near the surface, in which the test is carried out by means of ultrasound, is measured on the test body with at least 2 ultrasound test heads simultaneously and during the test the test specimen and an ultrasonic test head are moved relative to each other. This generic e.g. from the
EP 429 302 AI bekannte Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen unter n, wobei n der Anzahl der eingesetzten Ultraschallprüfköpfe entspricht, verschiedenen Ultraschalleinfallsebenen vorgenommen werden, die Azimutwinkel vonEP 429 302 A1 known method is characterized in that the measurements under n, where n corresponds to the number of ultrasound probes used, different ultrasound incidence planes are made, the azimuth angle of
x • 180! ± 0,2 - 180°x • 180! ± 0.2 - 180 °
aufweisen, wobei n in die obige Bedeutung hat und x eine ganze Zahl von 0 bis n-1 bedeutet.have, where n has the meaning given above and x denotes an integer from 0 to n-1.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Ultraschallprüfköpfe wird ein Oberflächenelement oder Volumenelement des Prüfköφers unter unterschiedlichen Bedingungen beschallt. Der Prüfköφer wird also mittels Ultraschall unter mindestens zwei verschiedenen Bedingungen vermessen, so dass die Wahrscheinlichkeit sinkt, einen Defekt zu übersehen, welcher möglicherweise hinsichtlich einer derThe arrangement of the ultrasound probes according to the invention sonicates a surface element or volume element of the test body under different conditions. The test specimen is therefore measured by means of ultrasound under at least two different conditions, so that the likelihood of overlooking a defect which possibly with regard to one of the
Messbedingungen schwer oder gar nicht zu detektieren ist. Erfindungsgemäß trifft der Ultraschallstrahl den Prüfköφer aus verschiedenen Richtungen. Dies ist von großer Bedeutung, da manche Defekte nicht aus allen Einstrahlrichtungen erkannt werden können. Ein Beispiel sind längliche Risse, die sich oft nur dann ausreichend darstellen, wenn sie quer zum Ultraschallstrahl liegen.Measurement conditions are difficult or impossible to detect. According to the invention, the ultrasound beam strikes the test specimen from different directions. This is of great importance because some defects cannot be recognized from all directions of radiation. An example is elongated cracks, which are often only sufficient if they are transverse to the ultrasound beam.
Vorzugsweise werden die Prüfköφer automatisch zu- und abgeführt und/oder automatisch selektiert und je nach Prüfresultat getrennt. Damit wird ein vollautomatisches, serienfähiges Verfahren gewährleistet.The test specimens are preferably fed in and out automatically and / or selected automatically and separated depending on the test result. This ensures a fully automatic, series-ready process.
Der Prüfköφer kann während der Messung rotiert werden, was vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von mehr als 30 U/s erfolgt. Während der Rotation kann die gesamte Oberfläche des Prüfköφers an den Ultraschallprüfköpfen entlanggeführt werden.The test specimen can be rotated during the measurement, which is preferably carried out at a speed of more than 30 U / s. During the rotation, the entire surface of the test body can be guided along the ultrasonic test heads.
Mindestens einer der Ultraschallprüfköpfe wird vorteilhafterweise während derAt least one of the ultrasonic probes is advantageously used during the
Messung um eine Schwenkachse geschwenkt, vorzugsweise um einen Winkel von bis zu 190°. Die Schallquelle wird so an der Oberfläche des gehaltenen Prüfköφers entlanggeführt.Measurement pivoted about a pivot axis, preferably by an angle of up to 190 °. The sound source is guided along the surface of the test specimen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn gleichzeitig eine Schwenkung der Ultraschallprüfköpfe und eine Rotation des Prüfköφers erfolgt. Dabei sollten die Schwenkachse und die Rotationsachse nicht parallel liegen, vorzugsweise sogar senkrecht zueinander stehen. Denn dann kann im Prinzip jeder Punkt der Oberfläche der Prüfköφer aufgrund der zwei zur Verfügung stehenden Bewegungsfreiheitsgrade erreicht wer- den.It is particularly preferred if the ultrasonic test heads are pivoted and the test body rotated at the same time. The pivot axis and the axis of rotation should not be parallel, preferably even perpendicular to each other. Because then in principle every point on the surface of the test specimen can be reached due to the two available degrees of freedom of movement.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Prüfköφer in einem komplementär zu ihm geformten Lager gehalten und die Strömung eines Mediums, vorzugsweise von Wasser, auf ihn gerichtet werden, um ihn in Bewegung zu versetzen. Bei einer solchen Drehung wird ohne hohen maschinellen Aufwand und völlig zerstörungsfrei für den Prüfköφer das ohnehin vorhandene Ankopplungsmedium für den Ultraschall optimal ausgenutzt. Bezüglich eines Zylinders als Prüfköφer kann eine besondere Anströmung aus einer Richtung gewählt werden, welche eine Komponente hat, die den Zylinder in Rotation versetzt und eine zweite (i.a. wesentlich kleinere) Komponente, die gleichzeitig für eine Bewegung des Zylinders in Längsrichtung sorgt.In the method according to the invention, the test specimen can be held in a bearing which is complementary to it and the flow of a medium, preferably water, can be directed onto it in order to set it in motion. With such a rotation, the coupling medium for the ultrasound, which is present anyway, is used without great mechanical effort and completely non-destructively for the test body optimally used. With regard to a cylinder as a test specimen, a particular flow can be selected from a direction that has a component that sets the cylinder in rotation and a second (generally much smaller) component that simultaneously ensures a movement of the cylinder in the longitudinal direction.
Insbesondere können zwei nicht parallele, vorzugsweise zueinander senkrechte Strömungen des Mediums auf den Prüfköφer gerichtet werden. Dann kann nämlich mit zwei unabhängigen Rotationskomponenten jede beliebige Rotation einer eingesetzten Kugel erzeugt werden bzw. ein eingesetzter Zylinder kann in Rotation um seine Längsachse gebracht und unabhängig davon in Richtung derselben verschoben werden.In particular, two non-parallel, preferably perpendicular flows of the medium can be directed onto the test body. Then, with two independent rotation components, any rotation of an inserted ball can be generated or an inserted cylinder can be brought into rotation about its longitudinal axis and can be displaced independently of it in the direction of the same.
Die für die Prüfung verwendeten Ultraschallimpulse haben vorzugsweise eine Nennfrequenz von mehr als 25 MHz, um eine optimale Fehlererkennung zu ermöglichen. Sie werden vorteilhafterweise über ein flüssiges Ankopplungsmedium, vorzugsweiseThe ultrasonic pulses used for the test preferably have a nominal frequency of more than 25 MHz in order to enable optimal error detection. They are advantageously, preferably via a liquid coupling medium
Wasser, zu dem Prüfköφer geleitet.Water to the test specimen.
Die Ultraschall-Impulsfolgefrequenz beträgt vorzugsweise mehr als 12000 Hz.The ultrasound pulse repetition frequency is preferably more than 12000 Hz.
Der Winkel θe wird vorzugsweise im Bereich 0,5 mal θ' bis 1,5 mal θ' gewählt, so dass eine günstige Aufteilung des Ultraschallstrahles in einen in die Tiefe eindringenden und einen an der Oberfläche entlanglaufenden Teil erreicht wird. Der Nennwinkel θ' berechnet sich aus dem für den Werkstoff des Prüfköφers spezifischen Wert der Oberflächenwellengeschwindigkeit V0 und der Longitudinalwellenge- schwindigkeit des Fluids Vp nach:The angle θ e is preferably selected in the range of 0.5 times θ 'to 1.5 times θ', so that the ultrasound beam is divided favorably into a part that penetrates into the depth and runs along the surface. The nominal angle θ 'is calculated from the specific value of the surface wave velocity V 0 and the longitudinal wave velocity of the fluid Vp for the material of the test body:
θ' = aresin (VF/V0) (1).θ '= aresine (V F / V 0 ) (1).
Die Messungen werden erfindungsgemäß unter mindestens zwei verschiedenen Ultraschalleinfallsebenen vorgenommen. Bevorzugt ist es, aus vier Richtungen zu messen, mit den Azimutwinkeln von 0°, 45°, 90° und 135° (d.h. die vier Richtungen liegen jeweils 45° auseinander). Die Messung aus verschiedenen Richtungen hat den Vorteil, dass anisotrope Defekte (z.B. längliche Risse) nicht mehr bzw. nur noch selten übersehen werden können.According to the invention, the measurements are carried out under at least two different ultrasound incidence planes. It is preferred to measure from four directions, with the azimuth angles of 0 °, 45 °, 90 ° and 135 ° (ie the four directions are 45 ° apart). The measurement from different directions has the advantage that anisotropic defects (eg elongated cracks) can no longer or only rarely be overlooked.
Um den Prüfköφer vollständig zu erfassen, wird die Messung vorzugsweise in einemIn order to completely capture the test specimen, the measurement is preferably carried out in one
Rasternetz vorgenommen, typischerweise mit einem Rasterabstand von 50 bis 100 μm. Dann können Defekte bis hinab zu einer Größe von 50 μm noch detektiert werden.Grid network made, typically with a grid spacing of 50 to 100 microns. Then defects down to a size of 50 μm can still be detected.
Im folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft erläutert.In the following the invention is explained by way of example with the aid of the figures.
Figur 1 zeigt zwei Lagerelemente.Figure 1 shows two bearing elements.
Figur 2 zeigt die Verhältnisse am Prüfköφer bei der Ultraschallprüfung.Figure 2 shows the conditions on the test body during ultrasonic testing.
Figur 3 zeigt die erhaltenen Ultraschallechos.Figure 3 shows the ultrasonic echoes obtained.
Figur 4 zeigt die Messung des Echos mit einem Zeitfenster.Figure 4 shows the measurement of the echo with a time window.
Figur 5 zeigt die Messraster.Figure 5 shows the measurement grid.
Figur 6 zeigt die Azimutwinkel, unter denen beispielsweise gemessen werden kann.FIG. 6 shows the azimuth angles at which measurements can be made, for example.
Figur 7 zeigt eine Messvorrichtung für Kugeln mit Saughalter.Figure 7 shows a measuring device for balls with suction cup.
Figur 8 zeigt eine Messvorrichtung für Kugeln mit Selektionseinrichtung.FIG. 8 shows a measuring device for balls with a selection device.
Figur 9 zeigt eine Messvorrichtung für Kugeln mit einem Lager.Figure 9 shows a measuring device for balls with a bearing.
Figur 10 zeigt eine komplette Prüfstation für Kugeln. Figur 11 zeigt eine Messvorrichtung für Zylinder mit Rotationswalzen.Figure 10 shows a complete test station for balls. FIG. 11 shows a measuring device for cylinders with rotating rollers.
Figur 12 zeigt eine Messvorrichtung für Zylinder mit einem Lager.Figure 12 shows a measuring device for cylinders with a bearing.
Figur 13 zeigt das Schema des Prüfverfahrens.Figure 13 shows the scheme of the test method.
Die Erfindung schlägt eine Prüfmethode vor, die auf dem Einsatz eines Ultraschall- Prüfverfahrens beruht, bei dem der prüfende, fokussierte Ultraschallstrahl die gesamte Oberfläche des Prüfköφers (im folgenden beispielhaft ein Lagerelement) punktweise, systematisch und vollständig abtastet und so die Werkstoff- und Bearbeitungsfehler bis hinunter zu 50 μm im Oberflächen- und oberflächennahen Bereich quantitativ erkennt. Durch einen Vergleich der Werte der reflektierten Ultraschallintensitäten mit einem zulässigen Niveau werden die geprüften Lagerelemente in die Qualitätsklassen "einsatzfähig" und "nicht einsatzfähig" getrennt.The invention proposes a test method which is based on the use of an ultrasonic test method in which the focused, focused ultrasonic beam scans the entire surface of the test body (in the following, by way of example, a bearing element) point-by-point, systematically and completely, and thus the material and processing errors up to down to 50 μm in the surface and near surface area. By comparing the values of the reflected ultrasound intensities with a permissible level, the tested bearing elements are separated into the quality classes "operational" and "not operational".
Figur 1 zeigt zwei Lagerelemente in Form einer Kugel la und einer Rolle (Zylinder) Ib.Figure 1 shows two bearing elements in the form of a ball la and a roller (cylinder) Ib.
Figur 2 zeigt das Messprinzip, wonach zum Nachweis eines Werkstoff- oder Bear- beitungsfehlers an der Lagerelementoberfläche 2 und im oberflächennahen Bereich des Lagerelementes ein hochfrequenter (>25 MHz), gepulster und fokussierter (Fokuslänge in Wasser fw = 25.4 mm) Ultraschallstrahl unter einem Neigungswinkel θe auf die Oberfläche des zu prüfenden Bauteils fokussiert wird. Für θe ergibt sich nach Gleichung (1) beispielsweise bei einer Oberflächenwellengeschwindigkeit von Siliziumnitrid-Keramik von V0 = 5733 m/s und einer Longitudinalwellengeschwin- digkeit von Wasser als Fluid von Vp = 1483 m/s ein günstiger Wertebereich vonFIG. 2 shows the measuring principle, according to which a high-frequency (> 25 MHz), pulsed and focused (focus length in water f w = 25.4 mm) ultrasound beam under one to detect a material or processing error on the bearing element surface 2 and in the region of the bearing element near the surface Inclination angle θ e is focused on the surface of the component to be tested. According to equation (1), for θe, for example, a surface wave velocity of silicon nitride ceramic of V 0 = 5733 m / s and a longitudinal wave velocity of water as a fluid of Vp = 1483 m / s result in a favorable value range of
15° + 7,5°.15 ° + 7.5 °.
Durch die nicht senkrechte Einstrahlungsrichtung werden zwei ganz unterschiedliche Wellenformen des Ultraschallstrahls im keramischen Bauteils angeregt. Der aus demDue to the non-perpendicular direction of radiation, two very different waveforms of the ultrasound beam are excited in the ceramic component. The one from the
Ankopplungsmedium Wasser kommende, auf das Lagerelement auffallende, longitu- dinale Ultraschallstrahl spaltet in eine Oberflächenwelle auf (V.A. Sutilov: "Physik des Ultraschalls", Springer- Verlag Wien, New York (1984)), die besonders empfindlich von Oberflächenfehlem 3 reflektiert wird, und in eine Scherwelle auf, die schräg mit einem Winkel θ = 45° in das Bauteil eindringt und Fehler im oberflächennahen Bereich des Bauteils aufspürt.Coupling medium water coming, striking the bearing element, longitudinal dinale ultrasound beam splits into a surface wave (VA Sutilov: "Physics of Ultrasound", Springer-Verlag Vienna, New York (1984)), which is particularly sensitive reflected by surface defects 3, and into a shear wave, which is inclined at an angle θ = 45 ° penetrates into the component and detects defects in the near-surface area of the component.
Figur 3 zeigt die Ultraschallechos, welche bei dieser Anordnung empfangen werden. Die Peaks stammen (von links nach rechts) vom Ultraschall-Sendeimpuls, vom Oberflächenecho sowie (Doppelpeak) als Fehlerecho von Oberflächen- und/oder Volumenfehlem.FIG. 3 shows the ultrasonic echoes which are received with this arrangement. The peaks originate (from left to right) from the ultrasound transmission pulse, from the surface echo and (double peak) as an error echo from surface and / or volume defects.
Die gemeinsame Erfassung der Fehlerechos der Oberflächen- und Scherwelle durch ein in Figur 4 dargestelltes Zeitfenster und die punktweise Abtastung des Bauteils in einem Raster, das in Figur 5 für Kugel und Rolle dargestellt ist, machen es möglich, die geprüften Lagerelemente im relevanten, hochbelasteten oberflächennahen Bereich auf Fehlerfreiheit zu übeφrüfen.The joint detection of the error echoes of the surface and shear wave through a time window shown in FIG. 4 and the point-by-point scanning of the component in a grid, which is shown in FIG. 5 for ball and roller, make it possible to test the bearing elements tested in the relevant, highly loaded near the surface Check area for correctness.
Ein erstes System zur Ultraschall-Lagerkugelprüfung geht aus Figur 7 hervor. Mit dem Vakuumsaugheber 6 wird die zu messende Kugel la aus einem Magazin 8 in die Messposition zwischen die beiden Ultraschallköpfe 7a und 7b gebracht und von demA first system for ultrasonic bearing ball testing is shown in Figure 7. With the vacuum suction lifter 6, the ball la to be measured is brought from a magazine 8 into the measuring position between the two ultrasound heads 7a and 7b and by the
Vakuumsaugkonus 4a gehalten. Nach dieser Positionierung entfernt sich der Vakuumsaugheber, um die Kugelrotation um die Schrittmotor-angetriebene Rotationsachse 5 freizugeben. Synchron zur Kugelrotation um die Rotationsachse 5 werden die beiden Ultraschallprüfköpfe im Winkelbereich von -50° bis +50° um die Schwenkachse 4b geschwenkt und ein Teil der Kugeloberfläche (vgl. Figur 5) geprüft. Der eine Ultraschallprüfkopf 7a ist bei dieser Anordnung senkrecht zur Kugeloberfläche orientiert und auf eine weit innen liegende Kugelschicht fokussiert und somit in der Lage, Werkstoffehler auf dieser Kugelschicht hochempfindlich nachzuweisen. Der andere Ultraschallprüfkopf 7b ist auf die Kugeloberfläche fokussiert und zur Oberfläche in einem Winkel im Bereich 7,5° bis 22,5° (im Falle von Siliziumnitridkeramik als Kugelwerkstoff und Wasser als Fluid) geneigt und in der Lage, Fehler im Oberflächen- und im oberflächennahen Bereich zu detektieren.Vacuum suction cone 4a held. After this positioning, the vacuum suction lifter is removed in order to release the ball rotation about the stepping motor-driven axis of rotation 5. In synchronism with the ball rotation around the axis of rotation 5, the two ultrasound probes are pivoted in the angular range from -50 ° to + 50 ° around the pivot axis 4b and part of the surface of the ball is checked (see FIG. 5). In this arrangement, one ultrasonic probe 7a is oriented perpendicular to the surface of the sphere and focused on a spherical layer lying far inside, and is thus able to detect material defects on this spherical layer in a highly sensitive manner. The other ultrasound probe 7b is focused on the surface of the sphere and at an angle to the surface in the range from 7.5 ° to 22.5 ° (in the case of Silicon nitride ceramic as a spherical material and water as a fluid) inclined and able to detect defects in the surface and near the surface.
Durch eine Manipulation der Kugel in definierte Anfangsrichtungen wird erreicht, dass der einfallende Ultraschallstrahl aus dem Prüfkopf 7b aus unterschiedlichen azimutalen Richtungen an der Kugeloberfläche läuft und dass die bei den vorherigen Prüfabläufen von der Rotationsachse 5 verdeckte Oberflächenbereiche der Kugel ebenfalls geprüft werden. Dieses ist schematisch in Figur 6 wiedergegeben, die die Oberfläche 2 eines Lagerelementes mit einem Oberflächenfehler 3 (einem länglichen Riss) darstellt. Da die Nachweisempfindlichkeit eines oberflächennahen Fehlers stark von der Orientierung des Oberflächenfehlers zum einfallenden Ultraschallstrahl abhängt, wird durch die unterschiedliche azimutale Einstrahlrichtung des Ultraschallstrahls verhindert, dass ein länglicher Fehler nur parallel zum Ultraschallstrahl getroffen wird und somit nicht nachgewiesen werden kann.By manipulating the ball in defined initial directions it is achieved that the incident ultrasound beam from the test head 7b runs from different azimuthal directions on the ball surface and that the surface areas of the ball hidden by the axis of rotation 5 in the previous test procedures are also checked. This is shown schematically in FIG. 6, which shows the surface 2 of a bearing element with a surface defect 3 (an elongated crack). Since the detection sensitivity of a near-surface defect strongly depends on the orientation of the surface defect with respect to the incident ultrasound beam, the different azimuthal beam direction of the ultrasound beam prevents an elongated error from being struck only parallel to the ultrasound beam and therefore cannot be detected.
Zur Ultraschall-Produktionskontrolle von keramischen Lagerelementen (Durchmesser 4 - 40 mm) erwies sich ein Messrasterabstand von 50 - 150 μm ausreichend, um Werkstoffinhomogenitäten je nach der Güte der geschliffenen Kugeloberfläche im Bereich >50 - 150 μm (Knoop-Ersatzfehlerlänge) nachzuweisen. Um die unter- schiedlichen Fehlerorientierungen zu erfassen, erfolgt die Kugelprüfung vorzugsweise unter den azimutalen Einfallswinkeln von α = 0°, 45°, 90° und 135°. Nach Abschluss der Ultraschallabtastung bringt der Saugheber 6 die geprüfte Kugel in das Magazin 8 zurück.For the ultrasonic production control of ceramic bearing elements (diameter 4 - 40 mm), a measuring grid spacing of 50 - 150 μm proved sufficient to detect material inhomogeneities in the range> 50 - 150 μm (Knoop substitute defect length) depending on the quality of the ground ball surface. In order to record the different error orientations, the ball test is preferably carried out at the azimuthal angles of incidence of α = 0 °, 45 °, 90 ° and 135 °. After the ultrasound scanning has been completed, the suction lifter 6 returns the tested ball to the magazine 8.
Eine hinsichtlich kürzerer Prüftaktzeiten modifizierte Einrichtung geht aus Figur 8 hervor.A device modified with regard to shorter test cycle times is shown in FIG. 8.
Die zu prüfende Keramikkugel la wird über einen Kugelspender in eine Startposition gebracht, von wo aus sie ein Saugheber 6 in die Messlage zwischen die beiden kegel- formig und eben ausgebildeten Stirnflächen der Antriebsachsen 5a und 5b zweierThe ceramic ball 1 a to be tested is brought into a starting position by means of a ball dispenser, from where it places a siphon 6 in the measuring position between the two conical and evenly formed end faces of the drive axles 5 a and 5 b of two
Schrittmotoren positioniert. Durch eine axiale Verschiebung einer oder beider Schrittmotorachsen 5a wird die Keramikkugel zwischen den beiden Achsen eingespannt und nach der Abkopplung des Saughebers mit einer hohen Rotationsgeschwindigkeit (30 - 100 U/s) bewegt. Die Ultraschallprüfköpfe 7a, 7b werden synchron um die Achse 4b von -50° bis +50° bewegt und tasten die Keramikkugel im Oberflächen- und oberflächennahen Bereich auf Werkstoffehler ab, wobei die beidenStepper motors positioned. By axially shifting one or both Stepper motor axes 5a, the ceramic ball is clamped between the two axes and, after uncoupling the suction lifter, is moved at a high rotational speed (30-100 U / s). The ultrasonic probes 7a, 7b are moved synchronously about the axis 4b from -50 ° to + 50 ° and scan the ceramic ball in the area near and near the surface for material defects, the two
Ultraschallprüfköpfe 7a, 7b auf Azimutwinkel von 0° und 90° eingestellt sind. Der Prüfablauf wird wiederholt, nachdem die Kugel vom Saugheber um 90° um die Achse 4b gedreht wurde, damit die im ersten Schritt von den Schrittmotorachsen 5a und 5 b verdeckten Oberflächenbereiche der Kugel ebenfalls geprüft werden. Nach der Prüfung wird die Kugeleinspannung durch die axiale Rückbewegung des Schrittmotors freigegeben und die Kugel fällt in eine Selektionseinrichtung 9 bestehend aus einem Aufnehmer, der entsprechend dem Prüfergebnis die geprüfte Kugel den Behältnissen der Güteklassen z.B. KL1, KL2 und KL3 zuordnet.Ultrasonic probes 7a, 7b are set to azimuth angles of 0 ° and 90 °. The test sequence is repeated after the ball has been rotated by the suction lifter by 90 ° about the axis 4b, so that the surface areas of the ball hidden in the first step by the stepper motor axes 5a and 5b are also checked. After the test, the ball clamping is released by the axial return movement of the stepper motor and the ball falls into a selection device 9 consisting of a sensor, which, according to the test result, transfers the tested ball to the containers of the quality classes e.g. KL1, KL2 and KL3 assigned.
Eine dritte Variante der produktionsgerechten Ultraschallprüfung von Keramiklagerkugeln geht aus der Figur 9 hervor. Hier wird die zu prüfende Kugel la innerhalb eines Lagers, das aus den zwei konzentrischen Kugelkalotten 10a und 10b gebildet wird, durch Hochdruck- Wasserstrahlen in eine sehr schnelle Rotation versetzt. In den die Kugel umgebenden Kugelkalotten befinden sich vier zur Kugeloberfläche justierte Ultraschallprüfköpfe fest eingebaut (dargestellt sind nur zwei 7a, 7b). Zur prüfenden Erfassung der gesamten Kugeloberfläche dienen zwei Wasserstrahl-Antriebssysteme 12a, 12b, die mit ihren Spritzdüsen 11a, 11b zueinander senkrecht angeordnet sind. Der seitlichen Ansteuerung der beiden Spritzdüsen dienen rechnergesteuerte Ventile 13, die als Funktion der Zeit vom alleinigen Antrieb des ersten Wasserstrahls zum alleinigen Antrieb des zweiten Wasserstrahls überführen. Zur Realisierung der azimutalen Abtastwinkel 0°, 45°, 90°, 135° dienen die vier Ultraschallköpfe, die entsprechend dieser Orientierungen in die Kugelkalotten fest eingebaut sind. Im Gegensatz zu den Kugel-Ultraschallprüfeinrichtungen der Figuren 7 und 8 kann hier in vorteilhafter Weise der gesamte Kugeloberflächenbereich ohne Umspannung der Kugel erfasst werden.A third variant of the production-oriented ultrasonic testing of ceramic bearing balls is shown in FIG. 9. Here, the ball la to be tested is set in a very rapid rotation within a bearing, which is formed from the two concentric spherical caps 10a and 10b, by high-pressure water jets. In the spherical caps surrounding the ball, four ultrasound probes adjusted to the surface of the ball are permanently installed (only two 7a, 7b are shown). Two water jet drive systems 12a, 12b, which are arranged at right angles to one another with their spray nozzles 11a, 11b, are used for checking the entire spherical surface. The side control of the two spray nozzles are controlled by computer-controlled valves 13 which, as a function of time, transfer from the sole drive of the first water jet to the sole drive of the second water jet. The four ultrasound heads are used to implement the azimuthal scanning angles 0 °, 45 °, 90 °, 135 °, which are permanently installed in the spherical caps in accordance with these orientations. In contrast to the ball ultrasound testing devices of FIGS. 7 and 8, the entire ball surface area can advantageously be detected here without the ball having to be reclamped.
Die Beschickung der Ultraschall-Prüfeinrichtung in einer kompletten Prüfstation ist in Figur 10 dargestellt, bei der die zu prüfenden Kugeln über ein Förderband in die Messposition gebracht werden und nach der Prüfung über ein Förderband und entsprechenden Sortiereinrichtungen nach Güteklassen getrennt werden.The loading of the ultrasound test device in a complete test station is shown in FIG. 10, in which the balls to be tested are brought into the measuring position on a conveyor belt and are separated according to quality classes via a conveyor belt and corresponding sorting devices.
Das zylinderförmige Lagerelement Keramikrolle wird nach dem in Figur 11 dargestellten Prinzip per Ultraschall geprüft. Hier wird die Rolle lb mit Hilfe eines Saughebers 6 aus einem Magazin 8 geholt und in die Messposition zwischen die beiden antreibenden Schrittmotoren (Achsen 5b) gebracht. Zur besseren axialen Zentrierung der Keramikrolle dient ein Rollenbock, der aus den Walzen 14a und 14b und den Andruckwalzen 15a und 15b besteht. Die Ultraschallprüfköpfe 7a, 7b und zwei weitere, in der Skizze nicht dargestellte Ultraschallprüfköpfe sind auf die azimutalen Einfallswinkel 0°, 45°, 90° und 135° eingestellt und werden in axialer Richtung abtastend über die sich mit hoher Geschwindigkeit drehende Rolle geführt. Nach der Prüfung bringt der Saugheber 6 die Keramikrolle in das Magazin 8 zurück.The cylindrical bearing element ceramic roller is checked by ultrasound according to the principle shown in FIG. Here, the roller 1b is taken out of a magazine 8 with the aid of a suction lifter 6 and brought into the measuring position between the two driving stepper motors (axes 5b). A roller block, which consists of the rollers 14a and 14b and the pressure rollers 15a and 15b, serves for better axial centering of the ceramic roller. The ultrasonic probes 7a, 7b and two further ultrasonic probes, not shown in the sketch, are set to the azimuthal angles of incidence 0 °, 45 °, 90 ° and 135 ° and are scanned in the axial direction over the roller rotating at high speed. After the test, the suction lifter 6 returns the ceramic roll to the magazine 8.
Bei einer zweiten Version der Ultraschall-Lagerrollenprüfung nach Figur 12 werden die Rollen lb zur Abkürzung der Prüftaktzeiten in zylindrischen Lagern 16 mit Wasserstrahlen in Rotation versetzt und durch eine axiale Verschiebung der Rollen von den vier eingebauten Hochfrequenz-Ultraschallköpfen auf Fehler im Oberflächen- und im oberflächennahen Bereich geprüft. Das Verfahren arbeitet inIn a second version of the ultrasonic bearing roller test according to FIG. 12, the rollers 1b are rotated with water jets to shorten the test cycle times in cylindrical bearings 16 and are axially displaced by the four built-in high-frequency ultrasound heads for defects in the surface and near the surface Area checked. The process works in
Analogie zur Keramikkugelprüfung, die in Figur 9 dargestellt ist.Analogy to the ceramic ball test, which is shown in Figure 9.
Figur 13 zeigt abschließend das Schema des Prüfverfahrens. Ein Steuerrechner 17 kontrolliert einen Roboter 18, der die Bauteilzufuhr besorgt. An dem Messplatz 20 erfolgt dann das Ultraschall-Scannen mittels der Ultraschallsender und -empfän- ger 19. Ein Auswerterechner 21 ermittelt schließlich das Ergebnis der Messung und steuert die Selektionseinrichtung 9 an, die die Lagerelemente in Behälter für die verschiedenen Qualitätsklassen einordnet. Figure 13 finally shows the scheme of the test method. A control computer 17 controls a robot 18, which takes care of the component supply. The ultrasound scanning then takes place at the measuring station 20 by means of the ultrasound transmitters and receivers 19. An evaluation computer 21 finally determines the result of the measurement and controls the selection device 9, which classifies the storage elements into containers for the different quality classes.
Bezugszeichenliste: la Kugel lb Zylinder (Rolle) θ Einfalls-/ Ausfallswinkel des Ultraschallstrahls relativ zum Lot α azimutaler EinfallswinkelList of reference symbols: la ball lb cylinder (roller) θ angle of incidence / angle of incidence of the ultrasound beam relative to the plumb line α azimuthal angle of incidence
2 Oberfläche eines Lagerelementes2 surface of a bearing element
3 Oberflächenfehler3 surface defects
4a, 5 Vakuumsaugkonus4a, 5 vacuum suction cone
5, 5a, 5b Antriebsachsen5, 5a, 5b drive axles
4a Rotationsachse4a axis of rotation
4b Schwenkachse4b swivel axis
6 Vakuumsaugheber6 vacuum suction lifters
7a, 7b Ultraschallprüfkopf7a, 7b ultrasonic test head
8 Magazin8 magazine
9 S elektionseinrichtung9 Selection device
10a, 10b Kugel-Kalotten10a, 10b spherical caps
11a, 11b Düsen11a, 11b nozzles
12a, 12b Wasserstrahl- Antriebssysteme12a, 12b water jet propulsion systems
13 Ventil13 valve
14a, 14b Walzen14a, 14b rollers
15 a, 15b Andruckwalzen15 a, 15b pressure rollers
16 zylinderförmiges Lager 16 cylindrical bearings

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Prüfung eines Prüfköφers auf Fehler an der Oberfläche und im oberflächennahen Bereich, enthaltend mindestens zwei Ultraschallprüfköpfe sowie Manipulationseinrichtungen, die eine Relativbewegung zwischen Prüfköφer und Ultraschallprüfkopf ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallköpfe so angeordnet sind, dass die Einfallsebenen des Ultraschalls die n Azimutwinkel1.Device for testing a test body for defects on the surface and in the area near the surface, containing at least two ultrasound test heads and manipulation devices which enable a relative movement between the test body and the ultrasound test head, characterized in that the ultrasound heads are arranged in such a way that the planes of incidence of the ultrasound n Azimuth angle
x ■ 180° ± 0,2 - 180° nx ■ 180 ° ± 0.2 - 180 ° n
aufweisen, wobei n die Zahl der verwendeten Ultraschallprüfköpfe und x eine ganze Zahl von 0 bis n-1 bedeutet.have, where n is the number of ultrasonic probes used and x is an integer from 0 to n-1.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Ultraschallköpfe zu einem mitleren Einfallswinkel der fokussierten Ultraschallimpulse führt, der um 0,5 mal θ' bis 1,5 mal θ' gegen das Einfallslot geneigt ist mit θ' = aresin (VF/V0) ,2. Device according to claim 1, characterized in that the arrangement of the ultrasound heads leads to a mean angle of incidence of the focused ultrasound pulses, which is inclined by 0.5 times θ 'to 1.5 times θ' against the incident solder with θ '= aresine ( V F / V 0 ),
wobei V0 die Oberflächenwellengeschwindigkeit des Prüfköφerwerkstoffes und und Vp die Longitudinalwellengeschwindigkeit des Fluids bedeutet.where V 0 means the surface wave velocity of the test body material and and Vp the longitudinal wave velocity of the fluid.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie vier3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that they have four
Ultraschallprüfköpfe enthält.Contains ultrasonic probes.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Ultraschallprüfköpfe so ausgelegt und/ oder ange- ordnet sind, dass sie ein Oberflächenelement oder Volumenelement des4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least two of the ultrasonic probes are designed and / or arranged so that they are a surface element or volume element of the
Prüfköφers unter unterschiedlichen Bedingungen beschallen, wenn dieses mittels der Manipulationseinrichtungen in ihrem jeweiligen Schallfeld positioniert ist.Sonicates under different conditions, if this is positioned in their respective sound field by means of the manipulation devices.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstrahlrichtung der Ultraschallprüfköpfe auf das Oberflächenelement oder Volumenelement verschieden ist.5. Device according to one of claims 3 or 4, characterized in that the direction of irradiation of the ultrasonic probes on the surface element or volume element is different.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine automatisierte Zu- und Abfuhr der Prüfköφer enthält.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that it contains an automated supply and discharge of the test body.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Selektionseinrichtung zur Trennung der untersuchten Prüfköφer enthält.7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that it contains a selection device for separating the examined bodies.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulationseinrichtungen die Rotation des Prüfköφers um eine Rotationsachse erlauben.8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the manipulation devices allow the rotation of the test body around an axis of rotation.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Ultraschallprüfköpfe um eine Schwenkachse schwenkbar ist.9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that at least one of the ultrasonic probes is pivotable about a pivot axis.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse senkrecht zur Rotationsachse steht.10. The device according to claim 8 and 9, characterized in that the pivot axis is perpendicular to the axis of rotation.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulationseinrichtung die Stirnflächen zweier drehbarer Antriebsachsen enthält, zwischen denen der Prüfköφer gehalten und rotiert werden kann. 11. Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the manipulation device contains the end faces of two rotatable drive axes, between which the test body can be held and rotated.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulationseinrichtung einen Sauggreifer enthält, vorzugsweise einen Vakuumsaugkonus.12. Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the manipulation device contains a suction pad, preferably a vacuum suction cone.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein hohlkugelf 'rmiges Lager oder hohlzylinderförmiges Lager hat, in welchem ein komplementär geformter Prüfköφer drehbeweglich gehalten werden kann und in welchem mindestens eine in das hohle Innere des Lagers gerichtete Düse angeordnet ist, durch welche ein strömendes Medium auf den Prüfköφer gerichtet werden kann, um diesen in Bewegung zu versetzen.13. Device according to one of claims 1 to 12, characterized in that it has a hohlkugelf 'rmiges stock or hollow cylindrical stock, can be used in which a complementarily shaped Prüfköφer rotatably held and in which placed at least one directed into the hollow interior of the bearing nozzle is through which a flowing medium can be directed onto the test specimen in order to set it in motion.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Düsen enthält, welche vorzugsweise senkrecht zueinander stehen.14. The apparatus according to claim 13, characterized in that it contains two nozzles, which are preferably perpendicular to each other.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager aus zwei trennbaren Hälften besteht.15. Device according to one of claims 13 or 14, characterized in that the bearing consists of two separable halves.
16. Verfahren zur Prüfung eines Prüfköφers auf Fehler an der Oberfläche und im oberflächennahen Bereich, bei welchem die Prüfung mittels Ultraschall erfolgt, am Prüfköφer mit mindestens 2 Ultraschallprüfköpfen gleichzeitig gemessen wird und während der Prüfung der Prüfköφer und die Ultra- schallprüfköpfe relativ zueinander bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen unter n, wobei n der Anzahl der eingesetzten Ultra- schallprüfköpfe entspricht, verschiedenen Ultraschalleinfallsebenen vorgenommen werden, die Azimutwinkel von16. Procedure for testing a test specimen for defects on the surface and in the near-surface area, in which the test is carried out by means of ultrasound, is measured on the test specimen simultaneously with at least 2 ultrasound test heads and during the test the test specimen and the ultrasonic test heads are moved relative to one another, characterized in that the measurements under n, where n corresponds to the number of ultrasound probes used, different ultrasound incidence planes are made, the azimuth angles of
x ■ 180° ± 0,2 - 180c n nx ■ 180 ° ± 0.2 - 180 c nn
aufweisen, wobei x eine ganze Zahl von 0 bis n-1 bedeutet. have, where x is an integer from 0 to n-1.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Ultraschallprüfköpfe ein Oberflächenelement oder Volumenelement des Prüfköφers unter unterschiedlichen Bedingungen beschallen, wenn dieses in ihrem jeweiligen Messfeld positioniert ist.17. The method according to claim 16, characterized in that at least two of the ultrasonic probes irradiate a surface element or volume element of the test body under different conditions when it is positioned in its respective measuring field.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfköφer automatisch zu- und abgeführt werden.18. The method according to any one of claims 16 to 17, characterized in that the test specimens are automatically fed in and out.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfköφer nach dem Ergebnis der Messung selektiert und getrennt werden.19. The method according to any one of claims 16 to 18, characterized in that the test specimens are selected and separated according to the result of the measurement.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfköφer während der Messung mit einer Geschwindigkeit von mehr als 30 U/s rotiert wird.20. The method according to any one of claims 16 to 19, characterized in that the test body is rotated during the measurement at a speed of more than 30 U / s.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Ultraschallprüfköpfe während der Messung um eine Schwenkachse geschwenkt wird.21. The method according to any one of claims 16 to 20, characterized in that at least one of the ultrasonic probes is pivoted about a pivot axis during the measurement.
22. Verfahren nach Anspruch 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkung senkrecht zur Rotation erfolgt.22. The method according to claim 20 and 21, characterized in that the pivoting takes place perpendicular to the rotation.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfköφer in einem komplementär geformten Lager gehalten wird und über die auf ihn gerichtete Strömung eines Mediums in Bewegung versetzt wird.23. The method according to any one of claims 16 to 22, characterized in that the test body is held in a complementarily shaped bearing and is set into motion via the flow of a medium directed towards it.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die prüfenden Ultraschallimpulse eine Nennfrequenz von mehr als 2524. The method according to any one of claims 16 to 23, characterized in that the testing ultrasonic pulses have a nominal frequency of more than 25
MHz aufweisen. MHz.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Einfallswinkel der fokussierten Ultraschallimpulse um 0,5 mal θ' bis 1,5 mal θ' gegen das Einfallslot geneigt ist mit θ' = aresin (VF/V0),25. The method according to any one of claims 16 to 24, characterized in that the average angle of incidence of the focused ultrasound pulses is inclined by 0.5 times θ 'to 1.5 times θ' against the perpendicular of incidence with θ '= aresine (V F / V 0 ),
wobei V0 die Oberflächenwellengeschwindigkeit des Prüfköφerwerkstoffes und und Vp die Longitudinalwellengeschwindigkeit des Fluids bedeutet.where V 0 means the surface wave velocity of the test body material and and Vp the longitudinal wave velocity of the fluid.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass Messungen unter vier Ultraschalleinfallsebenen mit den Azimutwinkeln von 0°, 45°, 90° und 135° vorgenommen werden.26. The method according to any one of claims 16 to 25, characterized in that measurements are made under four ultrasound incidence planes with the azimuth angles of 0 °, 45 °, 90 ° and 135 °.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung in einem Rastemetz mit einem Rasterabstand von 50 bis 100 μm erfolgt.27. The method according to any one of claims 16 to 26, characterized in that the measurement is carried out in a grid with a grid spacing of 50 to 100 microns.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Ultraschall-Impulsfolgefrequenz von mehr als 12000 Hz abgetastet wird. 28. The method according to any one of claims 16 to 27, characterized in that is scanned with an ultrasound pulse repetition frequency of more than 12000 Hz.
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