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Härteprüfgerät mit einem im Prüfkopf verschiebbar angeordneten
Prüfkörper
Die Erfindung bezieht sich auf ein Härteprüfgerät mit einem im Prüfkopf verschiebbar angeordneten Prüfkörper.
Die bekanntesten bisherigen Prüfmethoden für die Härteprüfung sind die nach Brinell, Vickers und Rockwell.
Bei der Härteprüfung nach Brinell wird eine harte, geeichte Stahlkugel unter einer bestimmten geeichten Last in das zu prüfende Werkstück eingedrückt und aus der optisch ermittelten Fläche des Eindruckes sowie unter Berücksichtigung der Last die Härtezahl ermittelt.
Bei der Härteprüfung nach Vickers, die derjenigen nach Brinell ähnelt, wird eine Diamantpyramide mit einem bestimmten Flächenwinkel in die Oberfläche des Werkstückes eingedrückt und ebenfalls aus der optisch ersichtlichen Fläche des Eindruckes unter Berücksichtigung der Last die Härte des geprüften Gegenstandes errechnet.
Schliesslich wird bei der Härteprüfung nach Rockwell ein Diamantkegel oder eine besonders harte Stahlkugel in zwei Stufen in die Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes eingedrückt und aus der bleibenden Eindrucktiefe die Härte des geprüften Gegenstandes ermittelt.
Die bei den Härteprüfungen nach Brinell und Vickers angewendete optische Ermittlung des Prüfergebnisses setzt eine hohe Oberflächengüte des zu prüfenden Werkstückes voraus. Wegen des hohen Preises der Geräte, der hauptsächlich durch die optische Ablesevorrichtung bedingt ist, sowie wegen des erforderlichen hochqualifizierten Bedienungspersonals sind die genannten Geräte meist für Klein- und Mittelbetriebe unrentabel.
Das letztgenannte Gerät zur Härteprüfung nach Rockwell ist derzeit das am vielseitigsten verwendete Härteprüfgerät und durch seine vielseitigen Ausführungsformen, wie z. B. auch zur Messung der Härte von InnenflÅachen das- am meisten verbreitete.
Es sind nun auch Rückprallhärteprüfer bekannt, bei welchen eine im Prüfkopf verschiebbar gelagerte Prüfmasse durch Federkraft zum Aufschlag auf die Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes gebracht wird, wobei die Einstellung der Feder entsprechend der Lage der Prüffläche vorgenommen wird.
An sich ist es bekannt, den auf piezoelektrische Elemente ausgeübten Druck zur Anzeige der diesem Druck entsprechenden Spannung zu benutzen.
Auch ist es bekannt, einen'Elektromagneten zum Antrieb bzw. zur Beeinflussung eines Prüfkolbens zu benutzen.
Bei dem Gegenstand der Erfindung handelt es sich im Gegensatz zu dem Bekannten um ein Härteprüfgerät mit in einem Prüfkopf verschiebbar angeordneten Prüfkörper, welcher am zu prüfenden Material zum Aufschlag gebracht wird. Das wesentliche Kennzeichen der Erfindung besteht darin, dass zur Erzeugung der elektrischen Spannung, welche dem der Härte des Prüflings entsprechenden Rückprall proportional ist, zwischen der Prüfspitze und der Schwungmasse des Prüfkopfes zwei Piezoelement angeordnet sind, deren Spannung an einer elektrischen Anzeigevorrichtung ablesbar ist.
Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung besteht noch darin, dass bei unter einem Winkel zur Waagrechten liegender Prüffläche, die entsprechend diesem Winkel notwendige Grösse der magnetischen Energie der Spule mit einem Schalter über dem Winkel zugeordnete Widerstände geschaltet werden kann.
Gegenüber den bekannten den modernen Anforderungen nicht mehr entsprechenden Rückprallhärte-
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prüfern, die nur in Ausnahmefällen anwendbar sind, ergibt sich bei dem Gegenstand der Erfindung der besondere Vorteil der Messgenauigkeit, ferner der Vorteil, dass der Härteprüfer als zylindrischer Körper gedrängter Bauart bei entsprechend langer Kabelverbindung mit der elektrischen Stromquelle leicht ortsveränderlich ist und auch an sonst schwer zugänglichen Stellen anwendbar, u. zw. sowohl in aufrechter Lage als auch in jeder Winkellage bis zu einem Winkel von 1800 verwendbar ist. Mit diesem Gerät sind die Härtemessungen nach der Skala von Vickers in grossen Bereichen möglich.
Die Zeichnung zeigt eine beispielsweise Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung, u. zw. in einem vertikalen Längsschnitt des Prüfkörpers mit schematischer Schaltungsanordnung.
Mit 1 ist das Gehäuse bezeichnet, in dem eine Schwungmasse 2 verschiebbar angeordnet ist. In einer zylindrischen Ausnehmung der Schwungmasse 2 ist eine Feder 3 vorgesehen, die sich gegen ein Plättchen 6 abstützt, wobei zwischen diesem und einem Plättchen 8 noch eine Tellerfeder 7 vorgesehen ist.
Die Schwungmasse 2 bildet den Kern für die elektrische Spule 5 in dem Spulenkörper 4, wobei diese Magnetspule 5 über eine entsprechende elektrische Leitung und über einen Schalter 34, sowie über einen mehrstufigen Widerstand mit dem Stufenschalter 33 an die elektrische Stromquelle ST angeschlossen ist.
Zwischen'zwei aus einer harten Masse bestehenden Isolierkörpern 21 und 27 sind in diesem Falle zwei piezoelektrische Elemente 23 und 25 vorgesehen, während von diesen nach unten zu in einem isolierenden Gehäuse 26 der aus besonderem Stahlmaterial oder Hartkeramik bestehende Schlagstift 28 anschliesst, bei dessen'Auftreffen auf das zu prüfende Werkstück und den Rückprall die piezoelektrischen Elemente zusammengedrückt werden, u. zw . nach Massgabe des Rückpralles, der ein Mass für die Härte des Materials bildet. Der Schlagstift 28 mit der Prüfspitze 15 ist in einem Einsatz 12 des unteren Haftmagnetkernes 30 geführt, welcher durch eine Schraubkappe 14 an dem Gehäuse 1 befestigt ist.
Innerhalb des Gehäuses 1 sind noch Einsätze 9 und 10 vorgesehen, wobei in einer Randausnehmung des Kernes des Haftmagneten 30 eine zweite Magnetspule 13 in einem Spulenkörper 11 angeordnet ist, welche über eine entsprechende elektrische Leitung und über einen Schalter 32 ebenfalls mit der elektrischen Stromquelle ST verbunden ist. Zwischen den einzelnen Elementen 23 und 25 sind Kupfer-oder Silberplättchen 22, 24,26 vorgesehen, wobei zwischen den Plättchen 24 und 26 elektrische Leitungsdrähte a bzw. b angeschlossen sind, die im Sinne der oben gezeichneten Pfeile im Schaltungsschema der Zeichnung über eine Diode 35, einen Kondensator 36 zu einem elektrischen Anzeigegerät, z. B. einen Elektroschreiber 37 bzw. ein Röhrenvoltmeter 38 führt.
Die beiden Zylinder 23 und 25 sind mit aus Hartkeramik bestehenden Zylinderteile 21 und 27 oben und unten in eine aus Isoliermaterial bestehende Hülse 29 eingebaut und oben mit einer Schraube 20 zusammengeschraubt. Ein Stift 17 schliesst an den oberen Teil dieser Hülse und an die Prüfmasse 2 an und ist mittels einer Mutter 18 festgezogen. Der Stift 17 dient im Deckel des Gehäuses 1 als Führung und zugleich als Montagehilfe. Damit beim Zusammenschrauben oder beim Prüfen der Stift 17 in die Schwungmasse eingedrückt wird, ist oben eine gehärtete Scheibe 19 eingebaut. Die Rückstellfeder 3 hat die Aufgabe, die Prüfmasse oder Schwungmasse wieder in die Ausgangsstellung c zu bringen, das Gummiplättchen 16 dient hiebei zu Dämpfungszwecken.
Der Härteprüfer gemäss dem linken Teil der Zeichnung wird zum Prüfzweck auf das zu prüfende Werkstück aufgesetzt und an diesem Ort durch Schliessen des Schalters 32 durch den Haftmagnet 13, 30 lösbar fixiert. Darauf wird entsprechend dem zu prüfenden Zweck der Stufenschalter 33 auf eine der gezeichneten Widerstände, deren auch eine grössere Anzahl vorgesehen sein kann, eingestellt und der Taster 34 kurzzeitig geschlossen. Dadurch wird die Magnetspule 5 erregt und dadurch der Kern mit der Masse 2 sowie mit dem Prüfstift 28 und deren Spitze 15 nach unten geschleudert. Der Prüfkopf arbeitet dabei nach dem Schlag-Druckprinzip, wobei die Masse an Stelle des genannten Magneten auch durch eine von Hand auslösbare Feder (in der Zeichnung nicht dargestellt) nach unten geschleudert werden kann.
Beim Aufschlagen der Prüfspitze auf den Prüfling oder das Werkstück wird ein Teil der kinetischen Energie, allenfalls bei Vorhandensein der Feder 7 von dieser gedämpft, einen Rückprall der Prüfspitze von dem Werkstück hervorrufen und der der Härte des Prüflings entsprechende Teil der Energie wirkt sich als Druck auf die piezoelektrischen Elemente aus, wodurch in diesen eine diesem Druck entsprechende elektrische Spannung erzeugt wird, die ein Mass für die Härte des Prüflings ist und mit Hilfe eines Messgerätes, wie z. B. bei 37 und 38 angegeben, in einem Röhrenvoltmeter abgelesen oder auf dem Streifen eines Elek- troschreibers aufgezeichnet werden kann.
Ist der Prüfling von geringerer Härte, so wird die Eindrucktiefe grösser sein und die Tellerfeder wird einen grösseren Teil der kinetischen Energie abbremsen, wodurch die piezoelektrischen Elemente einen geringeren Druck erhalten und demgemäss eine geringere Spannung erzeugen.
Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, können bei einer geänderten Ausführungsform der Er-
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findung (nicht dargestellt) die Tellerfeder 7 und die Scheiben 6 und 8 entfallen. In diesem Falle wirkt nur der Prüfling oder das Werkstück als schlag-bzw. druckbremsend. Hier ist bei Härteunterschieden der Spannungsunterschied viel geringer, er ist jedoch mit einem Röhrenvoltmeter auf jeden Fall messbar. Bei einem harten Werkstück als Prüfling wird z. B. der Druck auf die piezoelektrischen Elemente stärker sein als bei einem etwas weicheren Prüfling, da ein solcher den Schlag weniger abdämpft. Diese Ausführung kann sich in der Praxis besser einführen, weil es damit möglich ist, wie bei der Prüfmethode nach Rockwell, mit einem Vordruck und einem Prüfdruck zu arbeiten.
Dadurch braucht auf eine hohe Oberflächengüte des Prüflings nur ein geringer Wert gelegt zu werden und es ist möglich, auch bei welliger oder unebener Oberfläche einen genauen Messwert zu erhalten.
Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann man an die Stelle eines Schlagmagneten auch oberhalb der Prüfmasse eine entsprechende Feder anordnen, welche in der oberen Ruhelage mittels einer Rast eingerastet ist und durch Handauslösung zur Betätigung auf den Schlagkörper gelangt. Der Prüfkörper wird dann in der Ausgangsstellung c gehalten. Durch einen entsprechenden Riegel od. dgl. kann die Feder mit der Prüfmasse ausgelöst werden. Es kann ein kleiner Hubmagnet vorgesehen sein, dass die Feder wieder spannt, oder eine verschiebbare, von aussen betätigbare Gabel, welche die Feder unter Anheben der Prüfmasse in die Lage bei c bringt.
Um unter Beibehaltung der Messgenauigkeit auch Messungen in einem beliebigen Winkel zur Waagrechten ausführen zu können, wird der Feder mittels einer Stellschraube mit einer Winkelskala eine entsprechende Vorspannung gegeben, z. B. muss beim Prüfen vcn unten, also entgegen der Schwerkraft, wegen des Gewichtes der beweglichen Prüfmasse die Feder eine höhere potentionelle Energie besitzen als bei Prüfen in der umgekehrten Richtung, damit die kinetische Energie beim Aufschlag von unten möglichst genau dieselbe Grösse besitzt wie beim Prüfen von oben.
Bei den an erster und zweiter Stelle genannten Ausführungsformen mit der Magnetspule mit und ohne Tellerfeder ist eine elektrische Einrichtung getroffen, die es erlaubt, unter Beibehaltung der Messgenauigkeit in verschiedenen Winkeln zur Horizontalen das Gerät verwenden zu können. Dazu dient der in der Zeichnung zwischen dem Schalter 34 und dem Stufenschalter 33 vorgesehene gestuft ausgebildete Widerstand, der hier nur beispielsweise mit vier Widerständen und einer durchgehenden Leitung gezeichnet ist (rechter Teil der Zeichnung). Dabei kann vorgesehen sein, dass für eine grössere Unterteilung eines Bogens von 1800 eine grössere Stufenzahl der Widerstände vorgesehen ist.
Die Widerstände sind so festgelegt, dass mit steigender Neigung gegen die Horizontale die Widerstände abnehmen, so dass je nach grö- sser werdender Einwirkung des Gewichtes der Schwungmasse im Sinne der Schwerkraft eine grössere elektrische Energie für den Magneten 5 zur Wirkung kommt. Dieses Verhältnis zwischen Widerstand und notwendige Energie kann rechnerisch oder empirisch ermittelt werden. Der Schalter 34 dient wie eingangs erwähnt zum Einschalten des Magneten und ist mit einem Zeitrelais ausgestaltet, das den Stromkreis nach einer halben Sekunde wieder unterbricht.
Mit a und b sind die Anschlüsse an die piezoelektrischen Elemente angedeutet, welche den Stromkreis für die Messgeräte schliessen. Der Stromfluss hält in der Richtung zum Messgerät jedoch nur solange an, solange der Druck zunimmt, oder die Spannung zwischen den Anschlüssen a und b nicht ausgeglichen ist. Sobald der Druck wieder abnimmt, fliesst der Strom wieder von b nach a. Um dies wegen allfällig auftretenden Messschwierigkeiten zu verhindern, muss in die Leitung eine Diode 35, z. B. eine Siliziumdiode mit zirka 1000 V Spitzenspannung eingeschaltet werden. Eine andere Möglichkeit wäre, die Anschlüsse im Augenblick des Beginnes des abnehmenden Druckes umzupolen.
Durch diese Massnahme bzw. durch den in beiden Fällen eingebauten Kondensator 36 mit etwa 100 - 500 mF könnte die Zeit der Spannung oder des Stromdurchflusses, also die Messzeit, erhöht werden. Durch die Verwendung eines trägheitslosen Röhrenvoltmeters 38 und eines Elektroschreibers genügt jedoch auch die Ausführung der ersten Art mit einer Diode 35. Um zwischen zwei Messvorgängen nicht zuwarten zu müssen, bis die Spannung zwischen den Stellen a und b ausgeglichen ist, werden die Leitungen durch einen Schalter 31 kurzgeschlossen.
EMI3.1
angegeben werden.
Der von der Erzeugerin angegebene maximal empfehlenswerte Druck wäre zirka 540 kg/cmz, was einer Spannung von 21000 V entsprechen würde, was jedoch für den vorliegenden Fall bei weitem nicht erforderlich ist ; das Material der gegenständlichen Zylinder ist ein Blei, Zirkon-Blei, Titan-Pulver mit einer keramischen Bindung. Die Zylinder lassen sich für verschiedene Zwecke in verschiedenen Grössen herstellen.
Das Härteprüfgerät nach der Erfindung kann nach einer Mess-Skala nach der Methode Vickers geeicht werden und mit einer solchen Skala verwendet werden, die in an sich bekannter Weise mit mehreren
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Messbereichen verschiedener Grösse versehen ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Härteprüfgerät mit in einem Prüfkopf verschiebbar angeordneten Prüfkörper, welcher am zu prüfenden Material zum Aufschlag gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der elektrischen Spannung, welche dem der Härte des Prüflings entsprechenden Rückprall proportional ist, zwischen der Prüfspitze (28) und der Schwungmasse (2) des Prüfkopfes (1) zwei Piezoelemente (23) und (25) angeordnet sind, deren Spannung an einer elektrischen Anzeigevorrichtung ablesbar ist.