DE102005012365B4

DE102005012365B4 - Prüfmaschine zur Durchführung einer instrumentierten Eindringprüfung

Info

Publication number: DE102005012365B4
Application number: DE102005012365A
Authority: DE
Inventors: Harald Kohlhoff
Original assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2005-03-10
Filing date: 2005-03-10
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2025-03-11
Also published as: DE102005012365A1

Abstract

Prüfmaschine zur Durchführung einer instrumentierten Eindringprüfung mit einer Halteeinrichtung für die zu messende Probe, einem von einer Vorschubeinrichtung verschiebbaren Eindruckkörper und einer Kraftmesseinrichtung zur Messung der von dem Eindruckkörper auf die zu messende Probe ausgeübten Kraft, wobei der Eindruckkörper (5) unterhalb der zu messenden Probe (3) angeordnet ist und seine Eindringbewegung entgegengesetzt zur Schwerkraft gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindruckkörper (5), dem eine Abbefehler-freie erste Wegmesseinrichtung (12) zur Messung seines Verschiebeweges zugeordnet ist, auf der Kraftmesseinrichtung (6) sitzt und diese durch sein Eigengewicht in Messrichtung vorbelastet und dass die Vorschubeinrichtung als weggebendes Element (7) unterhalb der Kraftmesseinrichtung (6) angeordnet ist und dafür ausgebildet ist, die Kraftmesseinrichtung (6) zusammen mit dem Eindruckkörper (5) entgegengesetzt zur Schwerkraft linear zu verschieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Prüfmaschine zur Durchführung einer instrumentierten Eindringprüfung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Es sind Verfahren zur Bestimmung der mechanischen Materialparameter in der Werkstoffprüfung bekannt, die die Methode des instrumentierten Eindringversuchs, auch als Universalhärte-Prüfung bezeichnet, verwenden. Dabei wird ein Eindringkörper, der zum Beispiel aus einem pyramidenförmigen Diamanten, der einen Vickers-Eindringkörper definiert, in eine als Testmaterial dienende Probe gedrückt und der entstehende Widerstand wird in Form der gemessenen Kraft und dem im Material zurückgelegten Eindringweg ermittelt. Stationäre Prüfmaschinen dieser Art sind allgemein bekannt, zum Beispiel aus der US 5,005,424 und der DE 34 24 514 C2 . Dabei ist eine über einem Eindruckkörper angeordnete Kraftmesseinrichtung mit diesem verbunden, darunter ist die auf einem Gegenlager liegende Probe vorgesehen, wobei das Gegenlager mit einem Rahmen und einer Vorschubeinrichtung verbunden ist und den Kraftschluss zur Kraftmesseinrichtung herstellt. Allen Prüfmaschinen gleich ist hierbei der Mangel, dass die Masse des Eindruckkörpers, seiner Halteeinrichtung und eines Teils der Kraftmesseinrichtung vor dem Kontakt mit der Probe direkt als Kraft in negativer Richtung auf die Kraftmesseinrichtung wirkt. Die genannten Teile der Prüfmaschine erfahren daher einen Lastwechsel bzw. einen Nulldurchgang, wenn die Kraft auf der Probe ihr Eigengewicht überschreitet. Es wird versucht, diesen Mangel durch Verfahren zum Masseausgleich zur Vorspannung über Gegengewichte und/oder Federn auszugleichen, aufgrund der auftretenden Reibungsverluste in den dazu notwendigen Lagern werden jedoch insbesondere für Messungen mit kleiner Messunsicherheit merkbare Fehler erzeugt.
DE 929819 C beschreibt einen Härteprüfer mit einem gegen eine Probe zudrückenden Eindringkörper, der mittels einer Membran und einer mit der Membran in Wirkverbindung stehenden Druckquelle verschiebbar ist. Die Eindringtiefe wird mit einer pneumatischen Eindrucktiefenmessvorrichtung gemessen.
Aus der DE 4210599 A1 ist eine Vorrichtung zur mikroskopischen Härteprüfung bekannt, bei der eine Einrichtung zur Lasteinwirkung mit einem Eindringkörper an einem Waagearm eines Waagebalkens gehalten ist, wobei der Eindruckkörper auf einem Kraftaufnehmer sitzt.
Die DE 963109 offenbart einen Härteprüfer, insbeson dere Mikrohärteprüfer mit einem Führungskabel für einen Eindringkörper, der durch hydraulische Mittel absenkbar ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Prüfmaschine zur instrumentierten Eindringprüfung zu schaffen, die eine Messung der Parameter mit sehr geringer Messunsicherheit erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Dadurch, dass der Eindringkörper unterhalb der zu messenden Probe angeordnet ist und seine Eindringbewegung entgegengesetzt zur Schwerkraft gerichtet ist, ist es möglich, alle für die Messung wichtigen Geräteteile für die Messung so anzuordnen, dass die Lastrichtung der Schwerkraft gleichgerichtet ist, das heißt, dass auf alle relevanten Geräteteile durch Eigengewicht eine Vorspannung in Richtung der während der Messung auftretenden Kraftbelastung wirkt. Damit ist kein Element einem Lastwechsel bzw. Nulldurchgang ausgesetzt, der sich negativ auf die Messunsicherheit auswirken würde.
Dadurch, dass eine Wegmesseinrichtung vorgesehen ist, die eine Bewegung der Probenrückseite relativ zum Gegenlager misst, ist es möglich, parasitäre Bewegungen der Probe an der relevanten Stelle des Eindrucks Abbefehler-frei zu messen, das heißt, es wird eine mögliche Durchwölbung der Probe in der Achse des Eindruckkörpers während der Messung Abbefehler-frei erfasst.
In vorteilhafter Weise ist eine Tasteinrichtung mit einem stiftartigen Tastelement Bestandteil der Wegmesseinrichtung, der durch eine Durchbrechung im Gegenlager hindurchragt und auf der Rückseite der Probe anliegt. Durch Erfassen des vom Tastelement bei der Messung durchgeführten Verschiebeweges wird die Durchwölbung erkannt. Selbstverständlich kann die Wegmesseinrichtung zum Antasten der Probenrückseite unterschiedlichster Art sein, opto-mechanisch, wie erwähnt, optisch, akustisch und elektronisch.
In vorteilhafter Weise ist weiterhin eine Gewichtsausgleichseinrichtung für den Eindruckkörper vorgesehen, wodurch die Vorbelastung der Kraftmesseinrichtung durch das Eigengewicht des Eindruckkörpers auf grund des Gewichtsausgleiches einstellbar ist und es können Kraftmesseinrichtungen mit Messbereichen kleiner als das Eigengewicht des Eindruckkörpers eingesetzt werden.
Dadurch, dass mittels der Tasteinrichtung, d.h. mittels des Taststiftes bei nichtvorhandener Probe der Eindruckkörper direkt angetastet werden kann, kann die interne Wegmesseinrichtung, die den Verschiebeweg des Eindruckkörpers misst, durch eine externe Wegmesseinrichtung, die den Taststift als Bestandteil aufweist, überprüft werden.
Besonders vorteilhaft ist, dass durch die Durchbrechung im Gegenlager bei nicht vorhandener Probe der Eindruckkörper mit Prüfgewichten belegbar ist, wobei vorzugsweise das Tastelement als Kraftübertragungselement dient und damit die eingesetzte Kraftmesseinrichtung durch die aufgelegten Prüfgewichte überprüft oder kalibriert werden kann.
Dadurch, dass der Eindruckkörper mit einer Schwingungserzeugungseinrichtung verbunden ist, kann der Berührungspunkt des Eindruckkörpers mit der Probe genau erfasst werden, da der durch den schwingenden Eindruckkörper bei Berührung mit der Probe erzeugte Körperschall durch die Probe an den Taststift weitergeleitet wird, dessen Verschiebeweg durch die Wegmesseinrichtung erfasst wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Prüfmaschine zur Durchführung der instrumierten Eindringprüfung,
2 eine Teilansicht der Prüfmaschine nach 1, bei der die Probe weggelassen ist und Wegmesseinrichtungen überprüft werden und
3 eine Teilansicht der Prüfmaschine nach 1, bei der die Probe weggelassen ist und die Kraftmesseinrichtung überprüft wird.
Die in 1 dargestellte Prüfmaschine zur Durchführung der instrumentierten Eindringprüfung weist einen Rahmen 2 auf, der als Bestandteil ein Gegenlager 1 in Form einer Platte umfasst oder an das Gegenlager 1 angeflanscht ist. Unterhalb des Gegenlagers ist die Aufnahme- und Messposition einer Probe 3, die von einer Halteeinrichtung in Stellung gehalten werden kann. Zu dieser Halteeinrichtung gehören seitlich am Rahmen angeordnete, z.B. als Linearantriebe ausgebildete Aktoren 4, die verschiebbare Stangen oder dergleichen aufweisen und die eine Probe 3 unterhalb des Gegenlagers in eine beliebige Stellung parallel zum Gegenlager bringen können.
Unterhalb des Gegenlagers 1 liegen mit einer gemeinsamen Längsachse ein Eindruckkörper 5 mit einer z.B. pyramidenförmigen Diamantspitze, eine Kraftmesseinrichtung 6, und ein weggebendes Element 7, mit dem eine Verschiebebewegung in axialer Richtung erzeugbar ist und das auf dem Rahmen 2 befestigt ist. Weiterhin ist ein federnder Niederhalter bzw. Gegenhalter 8 vorgesehen, der Bestandteil der Halteeinrichtung ist und bügelförmig ausgebildet ist, wobei der eine Schenkel zwischen weggebendem Element 7 und Kraftmesseinrichtung 6 angeordnet ist, so dass der gesamte Gegenhalter 8 zusammen mit der Kraftmesseinrichtung 6 und dem Eindruckkörper 5 verschiebbar ist. Der andere Schenkel des federnden Nieder- oder Gegenhalters 8 bildet das Halteelement 16 für die Probe 3, das eine Durchgangsöffnung 17 für den Zugang des Eindruckkörpers zu der Probe aufweist.
Der Rahmen 2 mit dem Gegenlager 1 nimmt die während der Messung auftretenden und über das weggebende Element 7, den Gegenhalter 8, die Kraftmesseinrichtung 6, den Eindruckkörper 5 und die Probe 3 erzeugten Zugkräfte auf und bildet letztendlich einen Kraftschluss zur Probe.
Der Eindruckkörper 5 weist ein Eigengewicht auf, mit dem die Kraftmesseinrichtung 6 in Messrichtung vorbelastet ist. Um das Eigengewicht zu verringern und damit den Einsatz von Kraftmesseinrichtungen mit Messbereichen kleiner als das eigentliche Eigengewicht zu gestatten, ist der Eindruckkörper 5 mit einem Gewichtsausgleich versehen, der aus einem mit dem Rahmen verbundenen und mit einer Flüssigkeit 8 gefüllten Behälter und aus einem oder mehreren mit dem Eindruckkörper 5 verbundenen Auftriebskörper 9 besteht. Damit ist es möglich, die Vorbelastung durch Variation der geometrischen Abmaße der Auftriebskörper 9 oder durch Auflegen von Gewichten auf einen beliebigen Wert einzustellen. Weiterhin ist der Eindruckkörper 5 mit einem Schwingungsgeber 13 verbunden, der den Eindruckkörper 5 in mechanische Schwingungen versetzen kann.
Eine erste, interne Wegmesseinrichtung 12 optischer Natur ist fest mit dem Gegenlager 1 bzw. dem Rahmen verbunden, die die Bewegung bzw. den zurückgelegten Weg des Eindruckkörpers 5 relativ zum Gegenlager 1 erfasst. Dazu weist die Wegmesseinrichtung einen Lichtsender und einen Lichtempfänger auf, wobei die ausgesandte Strahlung an in dem Eindruckkörper 5 vorgesehenen Spiegeln reflektiert und von dem Empfänger erfasst wird, wobei aus der Strahländerung der Weg bestimmt wird.
Eine zweite Wegmesseinrichtung 11 ist oberhalb des Gegenlagers 1 fest mit diesem verbunden angeordnet, die gleichfalls einen optischen Sender und Empfänger aufweist. Weiterhin ist ein Taststift vorgesehen, der durch eine Öffnung 18 das Gegenlager 1 durchgreift und zur Anlage mit einer installierten Probe 3 dient. Die zweite Messeinrichtung 11 und der Taststift 10 liegen gleichfalls in der Längsachse 14 des Eindringkörpers, wobei sie eine Bewegung der Probenrückseite relativ zum Gegenlager erfassen. Dazu wird die von dem Lichtsender ausgesandte Strahlung an dem Taststift 10 reflektiert und die reflektierte Strahlung ausgewertet.
Selbstverständlich können die erste und zweite Wegmesseinrichtung in physikalisch anderer Weise die jeweilige Bewegung des Eindringkörpers 5 bzw. des Taststiftes 10 oder der Probenrückseite erfassen, dies kann in optischer, opto-mechanischer, akustischer und/oder elektronischer Weise geschehen.
Für die Messung wird die Probe 3 über die seitlich angebrachten Aktoren 4 in die gewünschte Position anliegend an das Gegenlager gebracht. Daraufhin wird das weggebende Element 7 und der Schwingungsgeber 13 aktiviert. Dabei wirkt das weggebende Element 7 so wohl auf den federnden Gegenhalter 8, der während der Messung die Probe kraftschlüssig an das Gegenlager 1 drückt und diese zusätzlich fixiert, als auch auf die Kraftmesseinrichtung 6. Wenn der Eindruckkörper 5 in die Probe 3 gedrückt wird, registriert die Kraftmesseinrichtung 6 den Widerstand und die optische Wegmesseinrichtung 12 erfasst den zurückgelegten Weg des Eindruckkörpers 5 relativ zum Gegenlager 1. Da die Probe naturgemäß nicht vollflächig und eben auf dem Gegenlager 3 aufliegt, kann während des Eindruckvorgangs die auf die Probe 3 ausgeübte Kraft diese in Richtung Gegenlager 1 eventuell verbiegen. Diese spezielle Bewegung wäre von der internen optischen Wegmesseinrichtung 12 nicht als für die Messung fehlerhafte Bewegung erkennbar. Aus diesem Grunde kontaktiert der Taststift 10 die Rückseite der Probe 3 und die obere optische Wegmesseinrichtung 11 erfasst eine Bewegung der Probenrückseite relativ zum Gegenlager 1 und damit auch zur Wegmesseinrichtung 12, wodurch eine Kompensierung bezüglich der Messdaten möglich ist. Aufgrund dieser Maßnahme können parasitäre Bewegungen der Probe 3 an der relevanten Stelle des Eindrucks Abbefehler-frei gemessen werden.
Bei dieser Messung wird berücksichtigt, dass der Eindruckkörper 5 einer mechanischen Schwingung unterliegt, die bei Berührung mit der Probe als Körperschall an den Taststift 10 weitergegeben wird. Die z.B. als Laserinterferometer ausgebildete optische Wegmesseinrichtung 11 detektiert die Schwingung des Taststiftes 10 und ermittelt mit großer Präzision den Punkt der Berührung Probe/Eindruckkörper.
In 2 ist die Prüfmaschine ohne Probe dargestellt, wobei diese Stellung zur Kontrolle bzw. Kalibrierung der Wegmesseinrichtungen 11, 12 dient. Dazu wird der Taststift 10 direkt in Berührung mit der Spitze des Eindruckkörpers 5 gebracht und deren Lage und Bewegung relativ zum Gegenlager 1 und damit zur Wegmesseinrichtung 12 überprüft.
In 3 ist wiederum die Prüfmaschine ohne Probe 3 dargestellt, wobei hier der Taststift 10 mit Prüfgewichten 15 belastet ist. Um die Kraftmesseinrichtung 6 zu kontrollieren bzw. zu kalibrieren, werden die Messwerte der Kraftmesseinrichtung 6 mit den Belastungen durch die unterschiedlichen Prüfgewichte 15 verglichen.

Claims

Prüfmaschine zur Durchführung einer instrumentierten Eindringprüfung mit einer Halteeinrichtung für die zu messende Probe, einem von einer Vorschubeinrichtung verschiebbaren Eindruckkörper und einer Kraftmesseinrichtung zur Messung der von dem Eindruckkörper auf die zu messende Probe ausgeübten Kraft, wobei der Eindruckkörper (5) unterhalb der zu messenden Probe (3) angeordnet ist und seine Eindringbewegung entgegengesetzt zur Schwerkraft gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindruckkörper (5), dem eine Abbefehler-freie erste Wegmesseinrichtung (12) zur Messung seines Verschiebeweges zugeordnet ist, auf der Kraftmesseinrichtung (6) sitzt und diese durch sein Eigengewicht in Messrichtung vorbelastet und dass die Vorschubeinrichtung als weggebendes Element (7) unterhalb der Kraftmesseinrichtung (6) angeordnet ist und dafür ausgebildet ist, die Kraftmesseinrichtung (6) zusammen mit dem Eindruckkörper (5) entgegengesetzt zur Schwerkraft linear zu verschieben.
Prüfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kontrolle und/oder Eichung der Kraftmesseinrichtung (6) eine mit unterschiedlichen Prüfgewichten (15) belegbare und mit einem stabartigen Kraftübertragungselement (10) versehene Prüfeinrichtung in Schwerkraftrichtung wirkend vorgesehen ist.
Prüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Wegmesseinrichtung (11) zur Messung einer Bewegung der Probe (3) an der zum Eindruckkörper entgegengesetzten Seite der Probe vorgesehen ist.
Prüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tasteinrichtung mit Tastelement (10) zur Bestimmung der Position der zum Eindruckkörper (5) entgegengesetzten Seite der Probe (3) und/oder des Eindruckkörpers (5) vorgesehen ist.
Prüfmaschine nach Anspruch 2 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das stabartige Kraftübertragungselement durch das Tastelement (10) der Tasteinrichtung gebildet ist.
Prüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindruckkörper (5) mit einer Schwingungserzeugungsvorrichtung (13) in Verbindung steht, die den Eindruckkörper (5) in mechanische Schwingungen versetzt.
Prüfmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Schwingung des Eindruckkörpers im Moment seiner Berührung mit der Probe auf diese übertragen und die Schwingung am Probenrücken von der dort anliegenden zweiten Wegmesseinrichtung (11) detektiert wird.
Prüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung Aktoren (4) zur seitlichen Fixierung und Verschiebung der Probe (3) aufweist.
Prüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung ein Gegenlager (1) umfasst, das in Achsrichtung des Eindruckkörpers (5) einen Durchbruch (18) für den optischen und/oder mechanischen Zugang zur Probe (3) aufweist.
Prüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenlager (1) Bestandteil eines Rahmens (2) ist, der zumindest das weggebende Element (7), die Kraftmesseinrichtung (6) und den Eindruckkörper (5) trägt und zur Aufnahme von während der Messung auftretenden Zugkräften dient.
Prüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindruckkörper (5) mit einer Gewichtsausgleichseinrichtung (8, 9) zur Verringerung des Eigengewichts in Verbindung steht.
Prüfmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtsausgleichseinrichtung mindestens einen mit dem Eindruckkörper (5) verbundenen Auftriebskörper (9), der von einer Flüssigkeit umgeben ist, aufweist.
Prüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung das Gegenlager (1) und einen darunterliegenden Halter (8) aufweist, zwischen denen die Probe (3) festlegbar ist.
Prüfmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (8, 16) eine Durchbrechung (17) für den Durchgriff des Eindruckkörpers (5) aufweist.
Prüfmaschine nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (8) federnd ausgebildet ist.