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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Musterscheibe für Ultraschall-Scheibenprüfanlagen, Verfahren zur Herstellung derartiger Musterscheiben sowie deren Verwendung.
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Zur Qualifizierung und Überprüfung von Ultraschall-Scheibenprüfanlagen werden beispielsweise Radscheiben mit künstlichen Fehlstellen verwendet. Derartige Fehlstellen werden derart platziert und orientiert, dass charakteristische Fehlerlagen und Orientierungen geprüft werden können. Mit derartigen Testscheiben kann sowohl die Funktionsweise einer Ultraschall-Scheibenprüfanlage als auch die von Ultraschall-Prüfverfahren validiert werden.
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Als künstliche Fehlstellen werden herkömmlicherweise sogenannte Flachbodenbohrungen eingebracht. Allerdings sind aufgrund von geometrischen Restriktionen herkömmlicherweise lediglich eingeschränkte Bohrungsorientierungen möglich. Um das künstliche Fehlerspektrum zu erweitern werden herkömmlicherweise Querbohrungen verwendet.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Musterscheibe für Ultraschall-Scheibenprüfanlagen derart bereitzustellen, dass Flachbodenbohrungen eingebracht werden können, deren Flachoden axial und radial zu einer Rotationsachse einer Scheibe orientiert ist. Hinsichtlich eines Beanspruchungszustands, insbesondere von Radscheiben, ist gerade eine derartige Orientierung wichtig.
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Die Aufgabe wird durch eine Musterscheibe gemäß dem Hauptanspruch, ein Verfahren gemäß dem ersten Nebenanspruch und eine Verwendung gemäß dem zweiten Nebenanspruch gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Musterscheibe für Ultraschall-Scheibenprüfanlagen beansprucht, wobei die Musterscheibe einem wesentlichen sich um eine Symmetrieachse erstreckender gerader erster Kreiszylinder mit einer einen Radius aufweisenden ersten Grundkreisfläche und einer zu dieser parallelen zweiten Grundkreisfläche ist, wobei ein erster Teil ausgespart ist, der von einer mittels einer Parallelverschiebung einer zur Symmetrieachse parallelen Gerade längst einer in der ersten Grundkreisfläche verlaufenden geschlossenen Leitlinie erzeugten Fläche, der ersten Grundkreisfläche und einer zu der zweiten Grundkreisfläche parallelen, identischen oder entlang dieser verlaufenden Fläche begrenzt ist, und die Leitlinie einen entlang dem Radius verlaufenden geraden Streckenabschnitt und einen weiteren Verlauf derart aufweist, dass an dem geraden Streckenabschnitt an der Musterscheibe eine Seitenfläche erzeugt ist, durch die hindurch mindestens ein flächiger Musterfehler geschaffen ist.
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„Entlang dem Radius verlaufend" umfasst hier sowohl den Fall "auf dem Radius verlaufend", als auch den Fall "parallel zum Radius verlaufend" sowie "schräg entlang dem Radius verlaufend".
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Musterscheibe mit den Schritten Entfernen des ersten Teils aus dem ersten Kreiszylinder der ursprünglichen Musterscheibe und Erzeugen des mindestens einen flächigen Musterfehlers als einen Stoffübergang von einem geschlossenem ebenen Ende einer mittels von der Seitenfläche her und durch diese hindurch erfolgenden Flachbodenbohrens einer tangential zu dem Radius des ersten Kreiszylinders sich erstreckenden Ausnehmung zu der Musterscheibe, beansprucht.
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Gemäß einem dritten Aspekt erfolgt eine Verwendung einer Musterscheibe mittels Positionieren der Musterscheibe in einer Ultraschall-Scheibenprüfanlage, wobei jeweils ein Prüfkopf einer Tandem- oder Pitch-Catch-Anordnung an der ersten Grundkreisfläche und der zweiten Grundkreisfläche entlang des Radius der ersten Grundkreisfläche gegenüberliegend angelegt werden, und Rotieren der Musterscheibe in einer Rotationsrichtung um die Symmetrieachse derart, dass zuerst flächige Musterfehler und danach der ausgesparte erste Teil an den Prüfköpfen vorbeigeführt werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, künstliche Fehler in einer axialen/radialen Orientierung gezielt einzubringen und zur Validierung von Ultraschall-Messverfahren zu verwenden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der mindestens eine flächige Musterfehler in einer mittels dem Radius und der Symmetrieachse aufgespannten Ebene geschaffen sein. Eine derartige Orientierung eignet sich insbesondere zum Prüfen von Radscheiben.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann in der Musterscheibe im Bereich der ersten Grundkreisfläche eine erste Abdeckung den ersten Teil vollflächig, eben und bündig abdecken.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann in der Musterscheibe im Bereich der zweiten Grundkreisfläche eine zweite Abdeckung den ersten Teil vollflächig, eben und bündig abdecken.
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Auf diese Weise kann die erste Grundkreisfläche und die zweite Grundkreisfläche nach einer Entfernung des ersten Teils mittels der Abdeckungen wieder geschlossen beziehungsweise in den ursprünglichen Zustand gebracht werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der mindestens eine Musterfehler als ebener Stoffübergang erzeugt sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der ebene Stoffübergang von Umgebungsluft zur Musterscheibe erzeugt sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der ebene Stoffübergang mittels eines flachen geschlossenen Endes einer tangential zu dem Radius sich erstreckenden Ausnehmung erzeugt sein, die zu der Seitenfläche hin ein offenes Ende aufweist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der gerade Streckenabschnitt mit einem Abstand parallel zu dem Radius verlaufen und die Ausnehmung kann sich senkrecht zu der Seitenfläche mit einer zu dem Abstand gleichen Tiefe erstrecken.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Ausnehmung und deren flaches geschlossenes Ende mittels Flachbodenbohren von der Seite der Seitenfläche her erzeugt worden sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der mindestens eine Musterfehler eine runde oder eine eckige Fläche aufweisen, insbesondere kreisförmig, rechteckig oder dreieckig sein. Für eckige Flächen ist eine zusätzliche Bearbeitung beispielsweise zum Flachbodenbohren erforderlich. Beispielsweise können Werkzeuge verwendet werden, deren Erstreckungen kleiner als der Innendurchmesser der Ausnehmung sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Leitlinie entlang dem geraden Streckenabschnitt bis zu einer Kreislinie der ersten Grundkreisfläche und entlang einem kürzeren Kreisbogen dieser Kreislinie bis zu einer Sekante der ersten Grundkreisfläche und entlang der Sekante in Richtung zur Symmetrieachse verlaufen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Sekante parallel zum ersten geraden Streckenabschnitt verlaufen, wobei der kürzere Kreisbogen eine bevorzugt minimale Länge aufweisen soll.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Leitlinie entlang der Sekante bis zu einer Kreislinie eines in der ersten Grundkreisfläche angeordneten und zur Symmetrieachse konzentrischen Innenkreises mit einem kleineren Radius als der Radius des ersten Kreiszylinders und entlang einem kürzeren Kreisbogen dieser Kreislinie bis zum geraden Streckenabschnitt verlaufen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann in der Musterscheibe ein zweiter Teil ausgespart sein, der ein zur Symmetrieachse koaxialer gerader zweiter Kreiszylinder ist, von der ersten Grundkreisfläche und der zweiten Grundkreisfläche begrenzt ist und in der ersten Grundkreisfläche einen kleineren Radius als der Radius des ersten Kreiszylinders aufweist. Auf diese Weise kann die Musterscheibe als eine Radscheibe ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Radius des zweiten Kreiszylinders gleich dem zweiten Kreiszylinders gleich dem Radius des Innenkreises sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der gerade Streckenabschnitt mit einem Abstand parallel zu dem Radius des ersten Kreiszylinders und senkrecht zu der Seitenfläche mittels Flachbodenbohren mit einer zu dem Abstand gleichen Tiefe erzeugt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein zweiter Teil aus dem ersten Kreiszylinder der ursprünglichen Musterscheibe vor dem Entfernen des ersten Teils entfernt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der erste Teil der Musterscheibe im Bereich der ersten Grundkreisfläche und/oder im Bereich der zweiten Grundkreisfläche vollflächig, eben und bündig abgedeckt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine erfindungsgemäße Musterscheibe zum Bewerten oder Validieren von Ultraschall-Messverfahren oder Ultraschall-Prüfanlagen verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine erfindungsgemäße Musterscheibe für ein mechanisiertes und automatisiertes Bewerten oder Validieren verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine erfindungsgemäße Musterscheibe zum Bewerten oder Validieren von mittels Ultraschall gemessenen Prüfscheiben oder Prüfradscheiben verwendet werden, an deren physikalische Erstreckung die Musterscheibe maximal angepasst worden ist.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Musterscheibe;
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2 eine Seitenansicht des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Musterscheibe;
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3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verwendung.
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1 zeigt eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Musterscheibe 1. Diese Musterscheibe 1 wird insbesondere für Ultraschall-Scheibenprüfanlagen verwendet. Die Musterscheibe 1 ist hier beispielsweise als eine Radscheibe erzeugt. Eine geometrische Ausgangsform für eine erfindungsgemäße Musterscheibe 1 ist einem wesentlichen ein sich um eine Symmetrieachse S erstreckender gerader erster Kreiszylinder mit einer einen Radius R aufweisenden ersten Grundkreisfläche 5 und einer zu dieser parallelen zweiten Grundkreisfläche 7. Da die 1 eine Draufsicht auf die Musterscheibe 1 von unten zeigt, ist die erste Grundkreisfläche 5 dargestellt und die zweite Grundkreisfläche nicht sichtbar. Die Musterscheibe 1 ist hier beispielsweise eine Radscheibe die eine Bohrung oder eine konzentrische kreisförmige Ausnehmung um einen Mittelpunkt aufweist. Zusätzlich ist ein erster Teil 3 ausgespart, der von einer mittels einer Parallelverschiebung einer zur Symmetrieachse S parallelen Gerade längs einer in der ersten Grundkreisfläche 5 verlaufenden geschlossenen Leitlinie L erzeugten Fläche, der ersten Grundkreisfläche 5 und hier einer zu der zweiten Grundkreisfläche 7 identischen Fläche begrenzt ist. Der erste Teil 3 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel vollständig von der ersten Grundkreisfläche 5 bis zur zweiten Grundkreisfläche 7 aus einer ursprünglichen Musterscheibe 1 herausgetrennt. Die Leitlinie L weist insbesondere einen entlang dem Radius R verlaufenden geraden Streckenabschnitt auf. In Verbindung mit dem weiteren Verlauf der Leitlinie L ist an dem geraden Streckenabschnitt an der Musterscheibe 1 eine Seitenfläche 9 von Außerhalb der Musterscheibe 1 zugänglich. Durch eine derartig freigelegte Seitenfläche 9, die hier ein Rechteck ist, sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel vier flächige Musterfehler M geschaffen worden. Diese flächigen Musterfehler M sind in einer mittels dem Radius R und der Symmetrieachse S aufgespannten Ebene erzeugt. Die Musterfehler M sind als ein ebener Stoffübergang geschaffen. 1 zeigt einen ebenen Stoffübergang von Umgebungsluft in das Material der Musterscheibe 1. Die ebenen Stoffübergänge sind mittels eines flachen geschlossenen Endes einer tangential zu dem Radius R sich erstreckenden Ausnehmung 11 erzeugt, die zu der Seitenfläche 9 hin ein offenes Ende aufweist. Damit die Musterfehler M auf dem Radius verlaufen, ist der gerade Streckenabschnitt mit einem Abstand parallel zu dem Radius R erzeugt, wobei sich die Ausnehmung 11 senkrecht zu der Seitenfläche 9 mit einer zu dem Abstand gleichen Tiefe T erstreckt.
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Die Ausnehmung 11 und deren flaches geschlossenes Ende können beispielsweise mittels Flachbodenbohren von der Seite der Seitenfläche 9 her erzeugt worden sein. Ein Musterfehler M kann auf besonders einfache Weise eine kreisförmige Fläche aufweisen. 1 zeigt, dass die Leitlinie L entlang dem geraden Streckenabschnitt bis zu einer Kreislinie der ersten Grundkreisfläche 5 und danach entlang einem kürzeren Kreisbogen dieser Kreislinie bis zu einer Sekante 13 der ersten Grundkreisfläche 5 und entlang dieser Sekante 13 in Richtung zur Symmetrieachse S verläuft. 1 zeigt, dass die Sekante 13 parallel zum ersten geraden Streckenabschnitt verläuft. Der kürzere Kreisbogen der ersten Grundkreisfläche 5 soll eine minimale Länge aufweisen. Die Musterscheibe 1 gemäß 1 weist einen zweiten Teil 15 auf, der ausgespart ist. Dieser zweite Teil 15 ist ein zur Symmetrieachse S koaxialer gerader zweiter Kreiszylinder, der von der ersten Grundkreisfläche 5 und der zweiten Grundkreisfläche 7 begrenzt ist und in der ersten Grundkreisfläche 5 einen kleineren Radius als der Radius R des ersten Kreiszylinders aufweist. Die Leitlinie L verläuft entlang der Sekante 13 bis zu dem ausgesparten zweiten Teil 15 und entlang einem kürzeren Kreisbogen der Kreislinie des zweiten Teils 15 in der ersten Grundkreisfläche 5 bis zum geraden Streckenabschnitt zurück. Da der zweite Teil 15 erzeugt ist, ist der vorstehend beschriebene Verlauf von der Sekante bis zu dem geraden Streckenabschnitt theoretisch und wird nur zur Definition des ersten Teils 3 hier beschrieben. 1 zeigt hier einen geschlossenen Verlauf der Leitlinie L der durch den ersten Teil 3 und den zweiten Teil 15 bestimmt ist. Der erste Teil 3 zur Freilegung der Seitenfläche 9 und zur Einbringung der künstlichen Fehler insbesondere in Form von Flachbodenbohrungen sollte so schmal wie möglich sein. Einen großen Einfluss darauf hat die Größe des verwendeten Werkzeugs. Der gerade Streckenabschnitt kann grundsätzlich einen beliebigen Winkel zu dem Radius R aufweisen. Es ist lediglich darauf zu achten, dass der Verlauf der Ausnehmung 11 tangential zu dem Radius R verläuft.
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In einer erfindungsgemäßen Musterscheibe 1, die ebenso als Testkörper bezeichnet werden kann, werden gezielt Inhomogenitäten eingebracht, sodass beispielsweise Turbinenscheiben oder Wellen mit entsprechenden Fehlern simuliert werden können. Die Musterscheibe 1 soll mit ihren geometrischen Dimensionierungen dem Testkörper entsprechen. Um die Musterfehler M, insbesondere Flachbodenbohrungen mit Flachboden, in axialer und radialer Orientierung zu realisieren wird erfindungsgemäß aus einer ursprünglichen Scheibe oder Radscheibe ein Segment herausgetrennt. Dies entspricht dem ersten Teil 3. Dazu kann der erste Teil 3 von der zweiten Grundkreisfläche 7 begrenzt sein. Alternativ können zu der zweiten Grundkreisfläche 7 parallele oder beliebig entlang dieser verlaufende Flächen den ersten Teil 3 begrenzen. Derartige Begrenzungsflächen können grundsätzlich beliebige Formen aufweisen, beispielsweise gekrümmt oder zur ersten Grundkreisfläche 5 schief sein. Es sollen sich ergebende Seitenflächen 9 freigelegt werden, über die erfindungsgemäße Flachbodenbohrungen eingebracht werden können. Die Seitenflächen 9 sind im Allgemeinen nicht radial auf den Scheibenmittelpunkt beziehungsweise zur Symmetrieachse S ausgerichtet. Entsprechend ist in Abhängigkeit einer Bohrlänge für eine Ausnehmung 11 deren geringe Verdrehung zu der Seitenfläche 9 erforderlich, sodass in jedem Fall der Flachboden radial zum Scheibenmittelpunkt beziehungsweise zur Symmetrieachse S hin ausgerichtet erzeugt ist.
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2 zeigt eine Seitenansicht des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Musterscheibe gemäß 1. Entsprechend weist die Musterscheibe 1 eine untere erste Grundkreisfläche 5 und eine obere Grundkreisfläche 7 auf. Der erste Teil 3 ist im Bereich der ersten Grundkreisfläche 5 und im Bereich der zweiten Grundkreisfläche 7 jeweils mit einer ersten Abdeckung 17 und einer zweiten Abdeckung 19 vollflächig, eben und bündig nach außen abgedeckt. Besonders vorteilhaft ist es wenn die erste Grundkreisfläche 5 und die zweite Grundkreisfläche 7 der Musterscheibe 1 als ursprüngliche und geschlossene Flächen geschaffen sind. Mit den geschlossenen ersten Grundkreisflächen 5 und zweiten Grundkreisflächen 7 kann ein Überprüfen in Ultraschall-Prüfanlagen auf herkömmlichen Prüfanlangen beziehungsweise Scheibenprüfanlagen mechanisiert und/oder automatisiert durchgeführt werden. 2 zeigt die erste Abdeckung 17 und die zweite Abdeckung 19 als eingeschweißte Abdeckungen zur Wiederherstellung einer ebenen Oberfläche für eine gleichmäßige Ankopplung von Ultraschall-Prüfköpfen. 2 zeigt eine Symmetrieachse S der Musterscheibe 1, die in 1 lediglich als Punkt sichtbar ist. 2 zeigt eine Tandemanordnung 21, bei der ein Prüfkopf an der ersten Grundkreisfläche 5 und gegenüberliegend an der zweiten Grundkreisfläche 7 entlang des Radius R der Musterscheibe 1 angeordnet ist. Es sind Array-Prüfköpfe dargestellt, die in eine sogenannte Pitch-Catch-Anordnung gebracht sind. 2 zeigt wie Ultraschallwellen ausgehend von einem unteren Array-Prüfkopf an den Musterfällen reflektiert und zu dem oberen Array-Prüfkopf umgelenkt werden. Bei der Prüfung einer erfindungsgemäßen Musterscheibe 1 wirkt diese wie eine herkömmliche Bauteilscheibe. Der ausgesparte erste Teil 3 kann signaltechnisch mittels der Prüfanordnung erfasst werden beziehungsweise aus den zu bewertenden Signalen herausgerechnet, herausgefiltert oder berücksichtigt werden. Der Übergang von der Musterscheibe 1 zu dem ausgesparten ersten Teil 3 ist im Signal eindeutig erkennbar und klar zu den erfindungsgemäßen Musterfehlern unterscheidbar.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verwendung einer erfindungsgemäßen Musterscheibe 1. Mit einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Positionieren der Musterscheibe 1 in einer Ultraschall-Scheibenprüfanlage. Dazu wird jeweils ein Prüfkopf einer Tandem-Anordnung an der ersten Grundkreisfläche und der zweiten Grundkreisfläche entlang des Radius der ersten Grundkreisfläche zueinander gegenüberliegend angelegt. Mit einem zweiten Schritt S2 wird die Musterscheibe 1 in einer Rotationsrichtung um die Symmetrieachse S derart rotiert, dass zuerst der mindestens eine flächige Musterfehler M und danach der ausgesparte erste Teil 3 an den Prüfköpfen vorbeigeführt werden. Mit einem dritten Schritt S3 können mittels der erfassten Echosignale und des Messsignals verwendete Messverfahren und/oder Prüfanlagen, insbesondere mechanisiert oder automatisiert, bewertet oder validiert werden. Entsprechend können Prüfanlagen und Messverfahren zur Erfassung von Inhomogenitäten in Prüfobjekten insbesondere in Rad- und Scheibenform wirksam verbessert und optimiert werden.
