-
Die Erfindung betrifft ein Prüfgerät zur Bestimmung eines Wertes für die Härte des Werkstoffs eines Prüfobjekts, insbesondere aus einem gummielastischem Material.
-
Für die Bestimmung der Härte eines Werkstoffs, insbesondere eines gummielastischen Werkstoffs, ist besonders verbreitet und als Standard etabliert, die Härtebestimmung nach Shore, insbesondere Shore A. Hierbei wird ein Prüfkörper mit einer kegelförmigen Spitze mit einer Anfangs-Auflagekraft von 550 mN auf das Prüfobjekt aufgesetzt. Der Prüfkörper ist in einem Messträger entgegen einer Federkraft verschiebbar gelagert und der Messträger wird für einen Messvorgang um 2,5 mm in Richtung des Prüfobjekts verschoben. Dabei wird der Prüfkörper um einen Verschiebeweg relativ zum Messkörper entgegen der Federkraft verschoben und durch die bis auf maximal 8050 mN ansteigende Federkraft um ein von der Härte des Werkstoffs des Prüfobjekts abhängiges Maß in das Prüfobjekt eingedrückt. Der Verschiebeweg des Prüfkörpers relativ zum Messträger wird gemessen und bildet als auf den Verfahrweg des Messträgers bezogene Prozentzahl den Härtewert.
-
Wegen des Verfahrwertes des Messträgers von 2,5 mm wird bei der Härtebestimmung von gummielastischen Werkstoffen nach Shore typischerweise eine Materialdicke der Werkstoffproben von wenigstens 6 mm eingesetzt. Da eine Härtemessung auch an fertigen Produkten wichtig ist und Produkte aus solchen Werkstoffen, insbesondere O-Ringe, häufig geringere Materialdicken aufweisen, hat sich für geringere Materialdicken die Härtemessung nach micro-IRHD als weiterer Standard etabliert.
-
Bei der Härtemessung nach dem micro-IRHD-Verfahren wird ein Prüfkörper mit einer kugelförmigen Prüfspitze mit einer Vorkraft von 8,3 mN auf das Prüfobjekt aufgelegt und danach mit einem Zusatzgewicht von 145 mN belastet, wodurch der Prüfkörper um eine von der Härte des Prüfobjekts abhängige Tiefe weiter in das Prüfobjekt eingedrückt wird. Aus der Messung der Eindringtiefe wird ein Härtewert nach dem micro-IRHD-Standard bestimmt.
-
In der
DE 2 209 930 A ist eine Vorrichtung zur Härtemessung nach Shore mit einer Anfangskraft und einer wegabhängigen Messkraft, welche durch eine Feder aufgebracht ist, zeigt. Diese Schrift bildet damit lediglich ein Beispiel einer Härtemessung nach Shore, wie bereits oben beschrieben.
-
Die
DE 1 679 634 U beschreibt als Ausgangspunkt das Erfordernis der Ausdehnung der Härtemessung auf einen anderen Bereich, ohne allerdings das Messverfahren im Einzelnen zu beschreiben. Hier ist ein Waagbalken vorgesehen, mit welchem das Prüfgewicht der Eindringteile ausgeglichen und die effektive Gewichtsbelastung verringert werden kann, so dass ein handelsübliches Härteprüfgerät verwendet und dessen Messbereich in einen als Mikrogebiet bezeichneten anderen Messbereich ausgedehnt werden kann.
-
In der
DE 103 29 318 A1 ist ein Härteprüfgerät beschrieben, welches sich im Vergleich zum Stand der Technik insbesondere durch eine andere Art der Feder auszeichnet. Die Feder ist hier als Viergelenkpunkt-Linearfeder ausgeführt.
-
In der
DE 93 18 389 U1 ist ein transportables elektronisches Handgerät zur Härteprüfung nach Shore gezeigt. Es ist auch hier das typische Messprinzip mit einer durch eine Feder aufgebrachten wegabhängigen Messkraft beschrieben.
-
Ein Problem in der täglichen Praxis ist, dass der Benutzer typischerweise wesentlich besser mit dem länger eingeführten und umfangreicher benutzten Standard der Härtemessung nach Shore vertraut ist, bei Prüfobjekten kleinerer Abmessungen aber das Prüfverfahren nach micro-IRHD anwendet. Die bei den beiden Verfahren ermittelten Härtewerte sind nicht zuverlässig ineinander umwandelbar.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Prüfgerät anzugeben, welches die Vergleichbarkeit von Härtemessungen nach Shore gemäß dem bestehenden Standard und Härtemessungen an Prüfobjekten kleiner Abmessungen verbessert.
-
Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 angegeben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
-
Die Erfindung ermöglicht durch die Überlagerung einer zweiten, von dem Prüfobjekt weg gerichteten Kraftkomponente die Einstellung eines präzisen Verlaufs der Kennlinie der wegabhängigen ersten Kraftkomponente, bei gleichzeitig geringer minimaler Eindrückkraft als Anfangskraft des wegabhängigen Kraftverlaufs aus der Überlagerung der verschiedenen auf den Prüfkörper wirkenden Kraftkomponenten. Die minimale Eindrückkraft in einer Ausgangsposition für einen Messvorgang ist vorteilhafterweise kleiner als 10 mN. Insbesondere kann bei bevorzugter vertikaler Messrichtung auch das als weitere Kraftkomponente in Richtung des Prüfobjekts wirkende Gewicht des Prüfkörpers durch die zweite Kraftkomponente der zweiten Mittel kompensiert werden. Vorzugsweise ist die zweite Kraftkomponente dann betragsmäßig größer als die Gewichtskraft und die erste Kraftkomponente ist vorteilhafterweise in der Ausgangsposition insbesondere durch Vorspannung der ersten Mittel größer als die minimale Eindrückkraft.
-
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorteilhafterweise eine Bestimmung der Härte in einem zu dem Shore-Standard entsprechenden Messvorgang möglich, wodurch auch die bestimmten Härtewerte von Prüfobjekten kleiner Abmessungen besser vergleichbar zu den Härtewerten nach Shore für Proben größerer Dicke, insbesondere desselben Werkstoffs sind.
-
Der Prüfkörper ist analog zu Messgeräten nach dem Shore-Standard in einem Messträger entgegen einer wegabhängigen Rückstellkraft vertikal verschiebbar gelagert. In einer Startposition für einen Messvorgang liegt der Prüfkörper in einer vertikalen Ausgangsposition mit einer definierten minimalen Eindrückkraft auf dem Prüfobjekt, welches sich auf einem Objektträger abstützt, an. Der Messträger befindet sich dabei bezüglich des Objektträgers in einer vertikalen Ausgangslage. Messträger und Objektträger sind für einen Messvorgang aus der Ausgangslage vertikal relativ zueinander verfahrbar, wobei vorteilhafterweise eine Verfahrung um einen vorgegebenen Verfahrweg ausgeführt wird, welcher vorzugsweise kleiner als 0,5 mm, insbesondere kleiner als 0,3 mm ist. Infolge der mit der Verschiebung des Prüfkörpers relativ zu dem Messträger ansteigenden ersten Kraftkomponente bewirkt die relative Verfahrung von Messträger und Objektträger zum einen eine Verschiebung des Prüfkörpers relativ zu dem Messträger entgegen der vom Verschiebeweg abhängigen ersten Kraftkomponente und zum anderen eine größere Eindringtiefe der Prüfspitze in das Prüfobjekt.
-
Die zweiten Mittel zur Erzeugung der zweiten Kraftkomponente sind vorzugsweise als Wippe ausgeführt, deren einer Arm entgegen der Richtung der ersten Kraftkomponente mit der zweiten Kraftkomponente auf den Prüfkörper einwirkt und deren zweiter Arm einen Gewichtskörper aufweist, welcher eine Position des Masseschwerpunkts der Wippe auf der Seite des Gewichtskörpers bewirkt. Masseschwerpunkt der Wippe, Drehachse des Wippenlagers und Anlagepunkt des ersten Arms am Prüfkörper liegen vorteilhafterweise in einer gemeinsamen, vorzugsweise zumindest annähernd horizontalen Ebene. Vorteilhafterweise liegt der erste Arm über ein Wälzlager an dem Prüfkörper an.
-
Die Größe der zweiten Kraftkomponente ist vorteilhafterweise veränderlich einstellbar, wozu in bevorzugter Ausführung die Position des Masseschwerpunkts der Wippe relativ zu der Drehachse des Wippenlagers verstellbar ist, insbesondere durch Verschiebung des Gewichtskörpers auf dem zweiten Arm der Wippe relativ zum Wippenlager.
-
Die Wegmessung erfolgt vorteilhafterweise berührungslos über an sich bekannte Wegaufnehmer mit einem bezüglich des Messträgers feststehenden Sensor und einer mit dem Prüfkörper verschobenen und mit dem Sensor zusammenwirkenden Marke.
-
Die ersten Mittel zur Erzeugung der ersten Kraftkomponente sind vorteilhafterweise einstellbar, wodurch insbesondere eine Kennliniensteigung als wirksame Federkonstante mit hoher Präzision einstellbar ist. Die ersten Mittel können vorteilhafterweise eine gewendelte Feder, insbesondere eine Druckfeder enthalten. Die Feder ist vorzugsweise in der Ausgangsposition vorgespannt auf einen Kraftwert der ersten Kraftkomponente, welcher größer ist als die minimale Eindrückkraft. Durch die zweite Kraftkomponente kann vorteilhaft die erste Kraftkomponente und die Gewichtskraft des Prüfkörpers mit hoher Präzision auf die für die Ausgangsposition gewünschte minimale Eindrückkraft kompensiert werden.
-
Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt:
-
1 ein prinzipielles Messschema,
-
2 eine Schrägansicht eines Teils eines Messträgers,
-
3 eine Seitenansicht zu einem Messträger nach 2,
-
4 ein Detail einer Verdrehsicherung.
-
In 1 ist schematisch das Messprinzip eines Härteprüfgerätes nach der vorliegenden Erfindung skizziert, wobei in der linken Bildhälfte eine Ausgangssituation (A) und in der rechten Bildhälfte eine Endsituation (B) eines Messvorgangs dargestellt ist. Die 1 gibt keine realen Größenverhältnisse wieder, sondern überhöht Abmessungen teilweise zur Veranschaulichung des Prinzips.
-
Ein Prüfobjekt PO ist auf einem Objektträger OT, z. B. einem Prüftisch des Härteprüfgerätes aufgelegt und vertikal abgestützt. Zusätzliche Einrichtungen zur horizontalen Positionierung des Prüfobjekts in der Auflageebene des Objektträges können vorgesehen sein und sind an sich bekannt. Das Prüfobjekt kann insbesondere ein O-Ring sein, von welchem in 1 nur der Schnurquerschnitt dargestellt ist.
-
In einem angedeuteten Messträger MT ist ein Prüfkörper PK vertikal verschiebbar geführt. In den Vertikalführungen auftretende Reibungskräfte seien als vernachlässigbar gering betrachtet. Geeignete technische Lösungen, z. B. unter Verwendung von Kugelführungen sind an sich bekannt. Über eine Wegmesseinrichtung mit einer vorzugsweise mit dem Prüfkörper verbundenen Marke und einem vorzugsweise ortsfest bezüglich des Messträgers angeordneten Wegaufnehmer WA kann eine vertikale Verschiebung des Prüfkörpers relativ zum Messträger mit hoher Auflösung, z. B. mit einem Messfehler < 1 μm, gemessen werden. Die Richtung der Verschiebbarkeit des Prüfkörpers sei auch als Messrichtung verstanden.
-
Auf den Prüfkörper wirken in Richtung des Prüfobjekts eine veränderliche erste Kraftkomponente fv aus ersten Mitteln K1 und als weitere Kraftkomponente die Gewichtskraft fg des Prüfkörpers, worunter auch Teil-Gewichtskräfte von mit dem Prüfkörper verbundenen Bauelementen, z. B. einer auf dem Prüfkörper befestigten Marke der Wegmesseinrichtung fallen sollen. In der Gewichtskraft und der ersten Kraftkomponente entgegen gesetzter Richtung wirkt auf den Prüfkörper PK eine zweite Kraftkomponente fk von zweiten Mitteln K2. Die Kraftkomponenten fv, fg und fk bewirken eine resultierende Kraft der Größe fe = fv + fg – fk, mit welcher die vorzugsweise kegelförmige Prüfspitze PS auf einer dem Objekträger abgewandten Fläche des Prüfobjekts aufliegt.
-
In der in 1(A) skizzierten Ausgangssituation habe die veränderliche erste Kraftkomponente fv einen Ausgangswert von fvo. Der Wert der ersten Kraftkomponente fv hängt von dem vertikalen Verschiebungsweg ZV des Prüfkörpers relativ zu dem Messträger ab und weist vorzugsweise einen linearen Verlauf zur Verschiebung des Prüfkörpers auf, fv = fvo + D·zv mit D als Federkonstante. Die Gewichtskraft und die zweite Kraftkomponente seien im wesentlichen vom Verschiebungsweg unabhängig.
-
In der Ausgangssituation nach 1(A) stelle sich als resultierende Kraft fe eine vorgegebene definierte minimale Eindrückkraft (oder Auflagekraft) feo = No + fg – fk ein. Dabei kann vorteilhafterweise die Gewichtskraft fg größer sein als feo, so dass keine genaue Einhaltung eines definierten geringen Gewichts des Prüfkörpers erforderlich ist. Vorteilhafterweise kann auch der Ausgangswert fvo der wegabhängig veränderlichen Kraft größer sein als feo, beispielsweise durch Vorspannung einer Feder als krafterzeugendes Element in den ersten Mitteln M1. Der Ausgangswert fvo der ersten Kraftkomponente kann dadurch über einen begrenzten Bereich an sich beliebige Werte annehmen, woraus sich vorteilhafterweise die Möglichkeit ergibt, Kennlinie und Arbeitspunkt der wegabhängigen Kraft in den ersten Mitteln mit hoher Genauigkeit einzustellen. Der für die Ausgangssituation vorgegebene minimale definierte Wert feo für die Eindrückkraft wird auf einfache Weise durch die zweite Kraftkomponente fk erreicht, welche den feo übersteigenden Betrag von fvo + fg kompensiert und hierfür vorteilhafterweise über einen begrenzten Wertebereich einstellbar ist. Eine Einstellung der zweiten Kraftkomponente ist lediglich bei einer anfänglichen Kalibrierung erforderlich. Vorteilhafterweise sind die zweiten Mittel auch für eine später u. U. erforderliche Nachkalibrierung nachträglich verstellbar ausgeführt. In der Ausgangssituation nach 1(A) zu Beginn eines Messvorgangs mit dem definierten Ausgangswert feo für die Eindrückkraft sei die von der Wegmesseinrichtung bestimmte vertikale Position der Wegmarke RM bezüglich des Wegaufnehmers WA mit PMO bezeichnet.
-
Der Messträger MT ist vertikal in Messrichtung relativ zu dem Objektträger aus der in 1(A) skizzierten Ausgangssituation verfahrbar, wobei hierfür sowohl der Objektträger als auch der Messträger bezüglich eines Geräterahmens des Prüfgeräts vertikal verfahrbar sein können. Die relative vertikale Verfahrung des Messträgers gegen den Objektträger erfolgt vorteilhafterweise um einen festen Verfahrweg ZF in eine Endsituation des Messvorgangs, welche in 1(B) skizziert ist.
-
Bei der relativen Verfahrung von Messträger und Objektträger aus der Ausgangssituation nach 1(A) in die Endsituation nach 1(B) um den vorgegebenen Verfahrweg ZF, welcher beispielsweise 0,25 mm betragen kann, wird der Prüfkörper zum einen unter Erhöhung der wegabhängig veränderlichen ersten Kraftkomponente relativ zu dem Messträger verschoben, wobei die damit verbundene relative vertikale Verschiebung der Positionsmarke RM und des Wegaufnehmers WA in eine Position PMM eine genaue Messung des Verschiebewegs ZV ermöglicht. Da die relative Verschiebung des Prüfkörpers aus seiner Ausgangsposition nach 1(A) relativ zum Messträger mit einer Erhöhung der ersten Kraftkomponente auf einen Wert fvm verbunden ist, wird die Prüfspitze PS des Prüfkörpers mit der Eindrückkraft fem um ein von der Härte des Werkstoffs des Prüfobjekts abhängiges Maß ZE tiefer in das Prüfobjekt eingedrückt, wobei gilt ZF = ZV + ZE. Je härter der Werkstoff des Prüfobjekts ist, um so geringer ist die zusätzliche Eindringtiefe ZE und um so größer ist der von der Wegmesseinrichtung gemessene Weg ZV. Der gemessene Weg ZV kann daher als Maß für die Ableitung eines Wertes für die Härte des Werkstoffs dienen. In bevorzugter Ausführungsform wird der gemessene Verschiebewert ins Verhältnis zu dem fest vorgegebenen Verfahrweg ZF gesetzt und das Verhältnis in Form einer Prozentzahl als ermittelter Härtewert HW ausgegeben, HW = 100 (ZV/ZF), welcher einen Wertebereich von 0 bis 100 umfasst und direkt linear proportional zu dem Verschiebeweg ZV ist und damit eine hohe Analogie und Vergleichbarkeit zu den Härtewerten nach Shore A aufweist.
-
Die Gewichtskraft fg und die zweite Kraftkomponente fk sind in allen vertikalen Verfahrpositionen und Verschiebepositionen im wesentlichen konstant, so dass immer gilt fe = fv – konst und die wegabhängige Linearität der ersten Kraftkomponente identisch in der Wegabhängigkeit der Eindrückkaft auftritt.
-
2 zeigt in Schrägansicht eine vorteilhafte Ausführung eines Messträgers MT mit teilweise entfernter Verbindung. Eine Prüftischplatte PP als Objektträger und ein O-Ring als Prüfobjekt PO sind angedeutet. Ein den Messträger und den Objektträger verbindender Maschinenrahmen ist der Übersicht halber nicht mit eingezeichnet. 3 zeigt in schematischer Seitenansicht ein teilweise geschnittenes Bild zu 2.
-
Der Messträger MT enthält nicht im Detail dargestellte Linearführungen für die leichtgängige vertikale Führung eines Prüfkörpers, welcher aus mehreren Bauteilen zusammengesetzt ist und insbesondere ein vertikal langgestrecktes Führungsgestänge FS und einen in dessen unteres Ende eingesetzten Spitzenkörper SK enthalten kann. Eine Wegmesseinrichtung enthält einen ortsfest am Messträger angeordneten Wegaufnehmer WA, welcher berührungslos mit einer mit dem Führungsgestänge des Prüfkörpers verbundenen Marke korrespondiert und vertikale Verschiebungen und/oder Positionen misst.
-
Am oberen Ende des Führungskörpers ist eine gewendelte Druckfeder DF zur Erzeugung der ersten Kraftkomponente angeordnet. Die Druckfeder ist vorteilhaft in einer vertikalen Ausgangsposition des Prüfkörpers vorgespannt.
-
Eine im Messträger um eine horizontale Achse WL gelagerte Wippenanordnung reicht mit einem ersten Arm A1 einer Wippe unter einen fest mit dem Gestänge des Prüfkörpers verbundenen Stützring AR und liegt mit einer Abstützung SL an definierter Position von unten an dem Stützring an. An dem zweiten Arm A2 der Wippe ist ein Gewichtskörper GK angeordnet. Die einzelnen Teile der Wippenanordnung sind so dimensionert, dass der Massenschwerpunkt der Wippenanordnung auf der dem Prüfkörper abgewandten Seite des Wippenlagers liegt und der erste Arm A1 der Wippe über die Abstützung SL die zweite Kraftkomponente auf den Prüfkörper nach oben ausübt. Der Gewichtskörper GK ist vorteilhafterweise in seinem Abstand zum Wippenlager verstellbar auf dem zweiten Arm A2 der Wippe gehalten. Die Verstellbarkeit ist vorteilhafterweise durch eine Schraubgewindeverbindung zwischen Gewichtskörper GK und zweitem Arm A2 gegeben. Der Gewichtskörper ist durch Eindrehen oder Ausdrehen der Gewindeverbindung auf das Wippenlager zu bzw. von diesem weg verstellbar und vorteilhafterweise in beliebiger Position festlegbar, vorzugsweise durch eine Kontermutter KM. Die Versteilbarkeit des Gewichtskörpers ermöglicht auf einfache Weise eine präzise Einstellung der auf den Prüfkörper nach oben gerichtet wirkenden zweiten Kraftkomponente. Die Abstützung SL gewährleistet einen definierten Anlagepunkt und Hebelarm des ersten Arms A1 der Wippe und bildet vorteilhafterweise eine reibungsarme Anlagefläche an dem Prüfkörper.
-
Die ersten Mittel K1 zur Erzeugung der ersten Kraftkomponente enthalten vorteilhafterweise eine gewendelte Stahlfeder DF, deren Länge groß ist gegen den maximalen vertikalen Verschiebeweg ZV des Prüfkörpers, insbesondere wenigstens das 20-fache des maximalen Verschiebewegs beträgt, so dass die Federkennlinie über einen Bereich der Größe des maximalen Verschiebewegs als linear angesehen werden kann. Die Kennliniensteigung im Messbereich, d. h. die für die Messung wirksame Federkonstante ist vorteilhafterweise einstellbar.
-
Mit der Überlagerung der mehreren Kraftkomponenten ist auf vorteilhafte Weise eine sehr genaue Einstellung der für geringe Eindringtiefen kleinen wirksamen Kräfte, insbesondere der geringen Anfangskraft von weniger als 10 mN möglich. Trotz des geringen Verfahrwegs von Messträger relativ zu Objektträger und der geringen Eindringtiefe sind Härtemessungen reproduzierbar mit hoher Präzision durchführbar.
-
4 zeigt eine vorteilhafte Ausführung einer Verdrehsicherung, mittels welcher sichergestellt wird, dass sich der Prüfkörper mit dem Führungsgestänge nicht um die vertikale Achse des Gestänges umdreht, was z. B. unter der Einwirkung vertikaler Zusammendrückung oder Ausdehnung der Feder DF passieren könnte. Hierfür ist das Gestänge mit einem Führungselement, beispielsweise einem eingepressten Stift SF versehen, welcher seitlich von dem Führungsgestänge weg ragt und in einer eigenen, von dem Führungsgestänge seitlich beabstandeten und mit dem Objektträger oder vorzugsweise dem Messträger verbundenen Vertikalführung SV gegen eine Verdrehung um die vertikale Längsachse des Gestänges FS abgestützt ist. Vorteilhafterweise kann der Stift SF in der Führung SV durch ein Wälzlager LS besonders reibungsarm seitlich abgestützt sein, so dass bei der vertikalen Bewegung des Stifts in der Führung SV keine verfälschenden Reibungskräfte auftreten.
-
In 4 ist auch schematisch eine vorteilhafte Variante einer Wegmesseinrichtung skizziert mit einem am Messträger befestigten Wegaufnehmer WA und einem an dem Gestänge befestigten, z. B. aufgeklebten Skalenelement SK oder dergleichen als Referenzmarke.
-
Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.
