DE102010040274A1

DE102010040274A1 - Vorrichtung zum Innenprüfen eines eine hohlzylindrische Bohrung aufweisenden Werkstückes

Info

Publication number: DE102010040274A1
Application number: DE102010040274A
Authority: DE
Inventors: Rainer Meier; Dr. Zaus Edgar
Original assignee: Intelligendt Systems and Services GmbH
Current assignee: Intelligendt Systems and Services GmbH
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2012-03-08
Also published as: EP2614366A1; US20130180338A1; WO2012031988A1; RU2523093C1; US8578780B2

Abstract

Eine Vorrichtung zum Innenprüfen eines eine hohlzylindrische Bohrung (24) aufweisenden Werkstückes (22) umfasst eine Ultraschallwandleranordnung mit einer Mehrzahl von Ultraschallwandlerelementen (10), die in zumindest einer Reihe nebeneinander in einem elastisch verformbaren, die Form eines Segmentes eines Hohlzylinders aufweisenden Träger (2) angeordnet sind, der eine Mehrzahl von sich in seine Längsrichtung erstreckenden und in radialer Richtung über die Sende- bzw. Empfangsflächen der Ultraschallwandlerelemente (10) mit einem Überstand (s) vorstehenden Gleitnoppen (26) aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Innenprüfen eines eine hohlzylindrische Bohrung aufweisenden Werkstückes.
Werkstücke mit einer eingebrachten hohlzylindrischen Bohrung, beispielsweise hohle Schrauben oder Wellen, werden häufig ausgehend von der Bohrungsseite mit Ultraschall geprüft. Eine solche Prüftechnik wird auch als Boresonic-Prüfung bezeichnet. Hierzu wird in der Regel ein Ultraschallwandler in die Bohrung eingeführt und dort entlang einer schraubenförmigen Bahn geführt. Bei den eingesetzten Ultraschallwandlern handelt es sich dabei entweder um konventionelle Einzelwandler oder um aus einer Vielzahl von einzelnen Wandlerelementen aufgebaute Ultraschallwandlerarrays, die in Gruppenstrahlerprüftechnik betrieben werden. Insbesondere die Gruppenstrahlerprüftechnik mit einem Ultraschallwandlerarray, das in einer schraubenförmigen Bewegung am Innenumfang der hohlzylindrischen Bohrung geführt wird, erfordert aufgrund der Vielzahl von Messkanälen eine aufwendige Schleifringübertragung der Signale zu und von den einzelnen Wandlerelementen des Ultraschallwandlerarrays.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Innenprüfen eines eine hohlzylindrische Bohrung aufweisenden Werkstückes, insbesondere einer hohlen Schraube oder Welle anzugeben, die es mit geringem technischen Aufwand ermöglicht, das Werkstück ausgehend von der Innenoberfläche der Bohrung zuverlässig zu prüfen.
Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen enthält die Vorrichtung eine Ultraschallwandleranordnung mit einer Mehrzahl von Ultraschallwandlerelementen, die in zumindest einer Reihe nebeneinander in einem elastisch verformbaren, die Form eines Segmentes eines Hohlzylinders aufweisenden Träger angeordnet sind, der eine Mehrzahl von sich in seine Längsrichtung erstreckenden und in radialer Richtung über die Sende- beziehungsweise Empfangsflächen der Ultraschallwandlerelemente mit einem Überstand vorstehende Gleitnoppen aufweist.
Die Erfindung berücksichtigt dabei die Tatsache, dass einerseits insbesondere in kleinen Bohrungen die Ankopplung der Ultraschallwandlerelemente in Tauch- bzw. Vorlauftechnik mit einer langen Vorlaufstrecke nicht möglich ist, da hierfür nicht ausreichend Platz vorhanden ist, und die Laufzeit des Ultraschalls in der Vorlaufstrecke länger sein müsste als seine Laufzeit innerhalb des Prüflings, da andernfalls die innerhalb der Vorlaufstrecke entstehende Mehrfachechos sich mit dem eigentlichen Nutzsignal aus dem Prüfling überlagern würden. Eine Ankopplung in unmittelbaren Kontakt mit der Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes ist jedoch andererseits für ausgedehnte Ultraschallwandleranordnungen problematisch, weil sich durch kleine und unvermeidbar von Wandlerelement zu Wandlerelement variierende Koppelspalte große Änderungen der von den Wandlerelementen empfangenen Messsignale ergeben können. Durch die Verwendung von Gleitnoppen, die mit einem definierten Überstand über die Sende- beziehungsweise Empfangsflächen der Ultraschallwandlerarrays vorstehen, wird ein definierter schmaler Koppelspalt geschaffen, bei dem – in Verbindung mit einer optimierten Anpassfolie zum Anpassen der Schwingerimpedanz an die Impedanz des Koppelmediums – einerseits das durch den Koppelspalt verursachte sogenannte Klingeln der empfangenen Messsignale weitgehend vermieden werden kann, und bei dem andererseits auch eine gleichmäßige Ankopplung für die einzelnen Wandlerelemente eines Ultraschallwandlerarrays gewährleistet ist.
Durch die Ein- bzw. Auskopplung der Ultraschallsignale in bzw. aus dem Werkstück über einen kleinen Koppelspalt, der vorzugsweise zwischen 0,4λ und 1,1λ beträgt, und die dadurch verringerte Bauhöhe der Ultraschallwandleranordnung und durch die Verwendung eines elastisch verformbaren, die Form eines Segmentes eines Hohlzylinders aufweisenden Trägers können eine Vielzahl von Ultraschallwandlerelementen in Umfangsrichtung nebeneinander auf dem Träger angeordnet werden, so dass bei einer axialen Prüffahrt ein größerer Bereich des Innenumfangs der Bohrung erfasst werden kann. Die einzelnen Ultraschallwandlerelemente selbst erzeugen durch ihre vergleichsweise geringe Abmessung, die für die Längsrichtung vorzugsweise in der Größenordnung von λ/2 liegt, Schallbündel mit sehr großen Öffnungswinkeln. Durch Überlagerung der Signalinformation der einzelnen Ultraschallwandlerelemente und insbesondere unter Nutzung der sich bei Axialbewegung der Sonde ergebenden dynamischen Signalverläufe („synthetische Apertur”) wird eine Rekonstruktion der detektierten Anzeigen ermöglicht, die äquivalent zur Prüfaussage der „konventionellen” Gruppenstrahlerprüftechnik ist. Dadurch ist es möglich, eine vollständige Innenprüfung mit wenigen axialen Prüffahrten durchzuführen, so dass eine Bewegung des die Ultraschallwandleranordnung enthaltenden Trägers in Umfangsrichtung und dementsprechend aufwendige Schleifringkontakte zur Signalübertragung nicht mehr erforderlich sind. Dies verringert zusätzlich die Baugröße der Ultraschallwandleranordnung.
Wenn der Träger die Form eines Segmentes eines hohlen Kreiszylinders aufweist, das wenigstens ein Viertel des Umfangs des Kreiszylinders einnimmt, ist es möglich, die Bohrung mit höchstens vier axialen Fahrten vollständig zu prüfen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Ultraschallwandlerelemente im Träger in einer Mehrzahl von zueinander parallelen Reihen angeordnet, so dass sie eine zweidimensionale Matrix bilden. Dadurch wird die Prüfaussage wesentlich verbessert.
Wenn der Träger mit einer der Anzahl der Ultraschallwandlerelemente entsprechenden Anzahl von Durchbrüchen und an seiner Vorderseite mit einer als Anpassschicht dienenden Anpassfolie versehen ist, die die Durchbrüche überdeckt, und die Ultraschallwandlerelemente in die Durchbrüche eingesetzt und mit ihrer Sende- bzw. Empfangsfläche mit der Anpassfolie verklebt sind, ist die Herstellung der Vorrichtung vereinfacht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im Träger zumindest ein Kanal zum Führen eines Koppelfluids angeordnet, der mit in der Vorderseite des Trägers angeordneten Öffnungen kommuniziert. Das Koppelfluid strömt aus den Öffnungen in den durch die Gleitkufen zwischen der Innenoberfläche und den Ultraschallwandlerelementen gebildeten Spalt und verbessert einerseits die akustische Ankopplung der Ultraschallwandlerarrays an die Innenoberfläche des Werkstücks. Darüber hinaus wird durch das Koppelfluid, insbesondere ein Öl, der Verschleiß der Gleitkufen, die insbesondere aus einem keramischen Werkstoff bestehen, verringert, so dass der eingestellte definierte Koppelspalt über eine lange Gebrauchsdauer erhalten bleibt.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine auf die Rückseite des Träges wirkende und an der vom Träger abgewandten Innenwand der Bohrung abstützbare Andrückvorrichtung vorgesehen. Auf diese Weise ist ein gleichmäßiger Koppelspalt auch bei sich ändernden geometrischen Abmessungen der Bohrung – Abweichung von einer idealen kreiszylindrischen Form – gewährleistet.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel verwiesen. Es zeigen:
1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in einem Querschnitt in einer Arbeitsposition an der Innenoberfläche einer in einem Werkstück befindlichen Bohrung,
2 die Vorrichtung in einer schematischen perspektivischen Teildarstellung,
3 die Vorrichtung in Wirkverbindung mit einer Andrückvorrichtung in einer schematischen Prinzipdarstellung,
4 eine alternative Ausgestaltung einer auf die Vorrichtung wirkenden Andruckvorrichtung.
Gemäß 1 umfasst die Vorrichtung einen Träger 2, der mit einer Mehrzahl von quaderförmigen Durchbrüchen 4 versehen ist, die an der konvexen Vorderseite des Trägers 2 von einer Anpassfolie 8 überdeckt sind, mit der die Durchbrüche 4 auf der Vorderseite 6 des Trägers 2 verschlossen sind. In die Durchbrüche 4 sind jeweils Ultraschallwandlerelemente 10 eingebracht und mit der Anpassfolie 8 verklebt. Die Dicke der Anpassfolie 8 beträgt etwa ein Viertel der Wellenlänge λ des zur Prüfung verwendeten Ultraschalls und dient zur Anpassung der akustischen Impedanz der Wandlerelemente 10 an die akustische Impedanz des Koppelfluids. Die Anpassfolie 8 ist außerdem hinsichtlich ihrer schalldämpfenden Eigenschaften optimiert, was dazu beiträgt, das sogenannte Klingeln der Ultraschallsignale zusätzlich zu minimieren.
Die Ultraschallwandlerelemente 10 haben eine rechteckige Sende- bzw. Empfangsfläche mit einer Länge l in Umfangsrichtung von typisch 2λ bis 3λ und einer Breite b (2) in Längsrichtung von typisch λ/2. In die Durchbrüche 4 sind jeweils an die Rückseite der Ultraschallwandlerelemente 10 angrenzende Dämpfungskörper 12 eingegossen.
Der Träger 2 und die Dämpfungskörper 12 sind elastisch verformbar, wobei der Träger 2 in Abwesenheit von Verformungskräften die Form eines Segmentes eines Hohlzylinders aufweisende und an den Radius der in einem Werkstück 22 befindlichen Bohrung 24 angepasste Grundform aufweist. Der Träger 2 erstreckt sich in eine Längsrichtung senkrecht zur Zeichenoberfläche. Die Ultraschallwandlerelemente 10 sind mit ihren Breitseiten nebeneinander in zumindest einer in Umfangsrichtung des Trägers 2 sich erstreckenden parallel zur Zeichenebene verlaufenden Reihe 100 angeordnet, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine vier Ultraschallwandlerelemente 10 enthaltende Reihe 100 dargestellt ist. In einem praktischen Ausführungsbeispiel umfasst eine von den Ultraschallwandlerelementen 10 gebildete Ultraschallwandleranordnung beispielsweise 6 Reihen 100 mit jeweils 8 Ultraschallwandlerelementen 10.
Auf die Anpassfolie 8 sind zwischen den Ultraschallwandlerelementen 10 eine Mehrzahl von flachen Gleitnoppen 26 aufgeklebt, zwischen denen jeweils die Ultraschallwandlerelemente 10 angeordnet sind, und mit denen ein definierter Koppelspalt 28 zwischen der Innenoberfläche 20 der Bohrung 24 und der Anpassfolie 8, d. h. der Sende- bzw. Empfangsflächen der Ultraschallwandlerelemente 10 erzeugt wird, wenn der Träger 2 mit einer nur in einer Teildarstellung gestrichelt angedeuteten Andrückvorrichtung 30 an die Innenoberfläche 20 angedrückt wird, so dass die Gleitnoppen 26 spaltfrei an der Innenoberfläche 20 anliegen. Der Überstand s der Gleitnoppen 26 über die Anpassfolie 8, d. h. über die Sende- bzw. Empfangsfläche der Ultraschallwandlerarrays 10, und die auf diese Weise entstehende Weite des Koppelspaltes 28 beträgt dabei vorzugsweise zwischen 0,4λ und 1,1λ.
Parallel zu dieser Längsrichtung sind im Träger Längskanäle 32 angeordnet, durch die ein Koppelfluid über die Austrittsöffnungen 40 (2) in den zwischen der Anpassfolie 8 und der Innenoberfläche 20 der Bohrung 24 gebildeten Koppelspalt 28 eingeleitet werden kann.
Die elektrische Kontaktierung der Ultraschallwandlerelemente 10 erfolgt auf der Sende- bzw. Empfangsfläche über eine auf die den Ultraschallwandlerelementen 10 zugewandte Flachseite der Anpassfolie 8 aufgebrachte dünne, nur wenige μm dicke leitfähige Schicht 34, welche über leitfähige Folienstreifen kontaktiert wird, und über Kontaktclips 36, die auf der Rückseite des Trägers 2 angeordnet, beispielsweise aufgeklebt sind, und die über Kontaktzungen – eingegossen in den Dämpfungskörpern 12 – eine leitfähige Verbindung zwischen der Rückseite jedes einzelnen Ultraschallwandlerelementes 10 zum angelöteten Kontaktdraht 38 herstellen.
Gemäß 2 sind die Ultraschallwandlerelemente 10 in einer Mehrzahl von in Längsrichtung des Trägers 2 hintereinander und parallel zueinander angeordneten Reihen 100 im Träger 2 angeordnet. Die Ultraschallwandlerelemente 10 benachbarter Reihen 100 sind in Umfangsrichtung mit einem Versatz 101 zueinander versetzt angeordnet, so dass sich eine matrixförmige Ultraschallwandleranordnung ergibt, deren Spalten 102 schräg zur Längsachse 200 des Trägers 2 und schräg zu seiner Umfangsrichtung orientiert sind. Durch einen solchen Versatz 101 ist gewährleistet, dass bei einer axialen Prüffahrt in der Bohrung das Werkstück an seinem vom Träger 2 überdeckten Teilumfang vollständig erfasst und mit einer guten Umfangsauflösung dargestellt wird.
In der perspektivischen Darstellung der 2 sind außerdem in der Vorderseite des Trägers 2 beziehungsweise der Anpassfolie 8 angeordnete Öffnungen 40 zu erkennen, die in den durch die Gleitnoppen 26 festgelegten Koppelspalt 28 (1) münden und mit den Längskanälen 32 kommunizieren.
3 veranschaulicht in einer Prinzipdarstellung den Träger 2 mit einer auf ihn wirkenden Andrückvorrichtung 30, die sich federnd an der dem Träger 2 gegenüberliegenden Innenoberfläche 20 der Bohrung 24 abstützt und den Träger 2 beispielsweise über eine Federanordnung 42, symbolisch veranschaulicht durch Schraubenfedern, federnd gegen die Innenoberfläche 20 andrückt, so dass der elastisch verformbare Träger 2 auch dann mit seinen in der 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten Gleitnoppen mit identischem Koppelspalt an der Innenoberfläche 20 anliegt, wenn diese von der idealen kreisförmigen Grundform abweicht.
Eine alternative Ausgestaltung einer Andrückvorrichtung 30 ist in 4 veranschaulicht gemäß der in die Bohrung 24 ein aufblasbarer Schlauch 44 eingeführt ist, der ebenfalls den Träger 2 an die Innenoberfläche 20 der Bohrung 24 andrückt und sich nach hinten über eine Gegenschale 46 an der Innenoberfläche 20 abstützt.

Claims

Vorrichtung zum Innenprüfen eines eine hohlzylindrische Bohrung (24) aufweisenden Werkstückes (22) mit einer Ultraschallwandleranordnung mit einer Mehrzahl von Ultraschallwandlerelementen (10), die in zumindest einer Reihe nebeneinander in einem elastisch verformbaren, die Form eines Segmentes eines Hohlzylinders aufweisenden Träger (2) angeordnet sind, der eine Mehrzahl von sich in seine Längsrichtung erstreckenden und in radialer Richtung über die Sende- bzw. Empfangsflächen der Ultraschallwandlerelemente (10) mit einem Überstand (s) vorstehenden Gleitnoppen (26) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, deren Gleitnoppen aus einem keramischen Werkstoff bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Überstand zwischen 0,4λ und 1,1λ beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ultraschallwandlerelemente in einer Mehrzahl von in Längsrichtung hintereinander angeordneten und parallel zueinander angeordneten Reihen im Träger angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Träger mit einer der Anzahl der Ultraschallwandlerelemente entsprechenden Anzahl von Durchbrüchen und an seiner Vorderseite mit einer als Anpassschicht dienenden Anpassfolie versehen ist, die die Durchbrüche überdeckt, wobei die Ultraschallwandlerelemente in die Durchbrüche eingesetzt und mit ihrer Sende- bzw. Empfangsfläche mit der Anpassfolie verklebt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Anpassfolie auf ihrer dem Träger zugewandten Flachseite mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der auf der Rückseite der Ultraschallwandlerelemente ein elastisch verformbarer Dämpfungskörper angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der in die Dämpfungskörper jeweils eine als Signalanschluss an die Ultraschallwandlerelemente dienende Kontaktzunge eingegossen ist, die Teil eines an der Rückseite des Trägers angeordneten Kontaktclips ist, an den jeweils der Kontaktdraht angelötet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im Träger zumindest ein Kanal zum Führen eines Koppelfluids angeordnet ist, der mit in der Vorderseite des Trägers angeordneten Öffnungen kommuniziert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Träger die Form eines Segmentes eines hohlen Kreiszylinders aufweist, das wenigstens ein Viertel des Umfangs des Kreiszylinders einnimmt
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer auf die Rückseite des Trägers wirkenden und an der vom Träger abgewandten Innenwand der Bohrung abstützbaren Andrückvorrichtung.