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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Erfassung eines in einem Werkstück durch ein Härteverfahren
erzeugten Eigenspannungszustands sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens.
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In einem gängigen Verfahren zur Herstellung hochbeanspruchter
Werkstücke
aus Stahl wird ein Werkstückrohling
zunächst
im weichen (duktilen) Zustand durch unterschiedliche spanende und/oder spanlose
Umformverfahren bearbeitet und anschließend einer Wärmebehandlung
zur Härtung
des Werkstücks
unterzogen. Im Zuge dieser Wärmebehandlung
wird das Werkstück
austenitisiert und dann schnell abgeschreckt. Die Abschreckung bewirkt, dass
bei der Abkühlung
die Perlitbildung unterdrückt wird,
und dass beim Phasenübergang
des Kristallgitters von der flächenzentrierten
in die raumzentrierte Gitterstruktur den Kohlenstoff-Atomen keine Zeit
verbleibt, um mit den Eisenatomen Zementit auszubilden. Die Kohlenstoffatome
werden in den Zellen des raumzentrierten Kristallgitters eingelagert,
so dass ein verzerrtes martensitisches Kristallgitter entsteht. Diese
Verzerrung bewirkt, dass der Stahl sehr hart und spröde wird.
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Gleichzeitig entstehen während des
Abschreckhärtens
im Werkstück
Druck- und/oder Zugeigenspannungen, welche die Dauerfestigkeit des Werkstücks entscheidend
beeinflussen. So führen z.B.
bei Antriebswellen Zugspannungen im Bereich der Verzahnungsenden,
welche im Betrieb hohen Belastungen ausgesetzt sind, zu einer Schwächung dieser
im Bereiche, was Brüche
und somit reduzierte Lastwechselzahlen dieser Wellen zur Folge hat.
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Druckeigenspannungen in diesen Bereichen der
Antriebswelle sind hingegen ein Indiz für eine hohe Stabilität des Werkstücks. Somit
geben während
des Härtens
der Antriebswelle im Bereich der Verzahnungsenden induzierten Eigenspannungen Aufschluss über die
Festigkeit und somit die im Betrieb zu erwartenden Lastwechselzahlen
der Welle.
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Um den Einfluss verschiedener Verfahrensparameter
(Temperatur und chemische Zusammensetzung des Abschreckbades, Anströmgeschwindigkeit
und -profil etc.) beim Härten
eines Werkstücks beurteilen
und optimieren zu können,
können
beispielsweise an ausgewählten,
unter Verwendung verschiedener Verfahrensparametern gehärteten Wellen
Lastwechselversuche durchgeführt
werden. Aus der Zahl der Lastwechsel, die die unterschiedlich gehärteten Wellen
ohne Bruch ausführen,
kann auf die optimalen Verfahrensparameter rückgeschlossen werden. Dieses
Verfahren ist a1-lerdings
sehr aufwendig, führt
zur Zerstörung
des Welle und gestattet keine direkten Rückschlüsse auf den Eigenspannungszustand
des Werkstücks.
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Aufgrund der Korrelation zwischen
Eigenspannungszustand der Belastungsbereiche und der Betriebsfestigkeit
des Werkstücks
ist es alternativ möglich,
das Härtungsergebnis
durch Messung des Eigenspannungszustands, beispielsweise durch röntgenographische
Eigenspannungsmessung, zu ermitteln. Aus der
DE 694 04 650 T2 ist bekannt,
zur Messung von Spannungen in einem ferromagnetischen Material einen
Messfühler
mit einer Elektromagneteinrichtung zu verwenden, um aus der Orientierung
des Magnetfeldes die Richtung der Hauptspannungsachsen zu bestimmen.
In der
DE 689 08 363 T2 ist
weiterhin ein Verfahren beschrieben, bei dem zur Bestimmung biaxialer
Spannungen in Stahlbauteilen ein auf dem Barkhausen-Rauschen beruhendes
Messverfahren eingesetzt wird. – Diese
Messverfahren zur Bestimmung des Eigenspannungszustands eines Werkstücks sind
allerdings sehr aufwendig und daher nur im Labormaßstab, nicht
aber in der Großserienproduktion,
einsetzbar. Weiterhin gestatten sie aufgrund des kleinen Messflecks
bzw. der begrenzten Messzone nur eine lokale Ermittlung der Eigenspannungen.
Somit können
diese Analysemethoden – ebenso
wie die oben beschriebenen Lastwechselversuche – zwar für punktuelle Einzeluntersuchungen
an gehärteten
Werkstücken
eingesetzt werden; sie eignen sich aber keineswegs für eine prozessbegleitende – geschweige
denn prozessintegrierte – Qualitätsüberwachung
des Härteprozesses im
Produktionsumfeld.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das eine schnelle und unaufwendige
prozessbegleitende Beurteilung des Härteergebnisses im Produktionsumfeld
gestattet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Ansprü=
the 1 und 3 gelöst.
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Danach wird die durch die Wärmebehandlung
im Werkstück
erzeugte Längenänderung
gemessen.
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Ein – im Zuge der Härtebehandlung
durchgeführtes – Erwärmen des
Werkstücks,
gefolgt von einem schnellen Abschrecken; geht einerseits einher mit
einer Verzerrung der Gitterstruktur und damit verbunden mit einer
Volumenvergrößerung des
Werkstücks,
welche in etwa linear mit dem Kohlenstoffgehalt des Stahls steigt.
Andererseits ändert
sich beim Abschrecken des Werkstücks
der Eigenspannungszustand des Werkstücks, was – im Falle von Druckeigenspannungen – zu einer
weiteren Längenzunahme des
Werkstücks
führt.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Längenänderungen
des Werkstücks
zu messen, um auf den Spannungszustand des Werkstücks rückschließen zu können.
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Die Erfindung benutzt die Tatsache,
dass während
der martensitischen Umwandlung ein Gefüge (tetragonaler Martensit)
entsteht, das aufgrund des übersättigt in
Lösung
gehaltenen Kohlenstoffs ein vergrößertes Volumen aufweist. Die
tetragonale Volumenvergrößerung des
Martensits steigt etwa linear mit dem Kohlenstoffgehalt. Dieser
Volumenvergrößerung überlagern
sich Dimensionsänderungen aufgrund
von Eigenspannungen, die während
des Härtens – je nach
Geometrie und Abschreckcharakteristik des Werkstücks – im Werkstück auftreten: Diese Eigenspannungen
tragen, in Abhängigkeit
von ihrem Vorzeichen (Zug- oder Druckeigenspannungen), zu einer
Festigkeitserhöhung
bzw. -erniedrigung in bezug auf bestimmte Betriebsbelastungen des
Werkstücks
bei. Somit ist eine durch das Härten erzeugte
Längenänderung
des Werkstücks
ein direktes Indiz für
die Qualität
des Härteergebnisses.
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Die Erfindung ermöglicht somit eine einfaches,
reproduzierbares, zerstörungsfreies
und somit großserienfähiges Messen
und Prüfen
des Eigenspannungszustands des gehärteten Werkstücks. Insbesondere
gestattet das Verfahren die schnelle Beurteilung der Oberflächenhärtung von
Wellen, durch die bei großer
Zähigkeit
im Inneren des Werkstücks
eine hohe Härte
der Oberfläche
zur Erhöhung
des Widerstandes gegen Flächenpressung
und Verschleiß erreicht
werden soll.
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Vorzugsweise wird die Längenänderung
des Werkstücks
während
des gesamten Härteverfahrens kontinuierlich
gemessen. Dadurch wird die Gefahr von Messfehlern, die bei Vorher/Nachher-Messungen
aufgrund unterschiedlicher Aufspannung des Werkstücks in der
Messvorrichtung auftreten können, wirksam
vermieden.
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Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Vorrichtung
mit einem Sensor verwendet, der die im Werkstück erzeugte Längenänderung
misst. Die Vorrichtung umfasst einen Sensor, dessen Messrichtung parallel
zu der Richtung der zu prüfenden
Druck- bzw. Zugspannungen liegt, so dass die Längenänderung des Werkstücks in der
für diese
Spannungen wichtigen Richtung gemessen werden können; alternativ kann der Sensor
in einer solchen Weise ausgerichtet sein, dass er Längenänderungen
des Werkstücks
im Vergleich zu einem in der Vorrichtung fixierten Messnormal misst.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung
zwei Fixierelemente („Spitzen") auf, zwischen die
das zu prüfende
Werkstück – insbesondere
eine Welle – reproduzierbar
eingespannt werden kann. Mindestens eine der beiden Spitzen ist
federgelagert. Mit Hilfe des Sensors wird die Relativposition der
beiden am Werkstück
angreifenden Spitzen gemessen; die Differenz der Relativpositionen
vor und nach der Härtebehandlung
gibt Auskunft über
die Längenänderung des
Werkstücks
während
der Härtebehandlung
und somit über
die Größe der im
Werkstück
erzeugten Druck- und Zugspannungen.
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Als Sensor kann insbesondere ein
Induktionssensor oder ein optischer Längensensor verwendet werden.
Der Induktionssensor gestattet eine In-Prozess-Messung während der
Härtebehandlung. Bei
Verwendung des optischen Sensors wird eine Vergleichsmessung Länge des
Werkstücks
gegenüber
einem Längennormal,
insbesondere einem Glasmaßstab,
durchgeführt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich vorzugsweise
zur fabrikintegrierten Qualitätsprüfung von
Hohlwellen, insbesondere von Antriebswellen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier
in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung
von Längenänderungen
einer Welle ...
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1a ...
in einer ersten Ausgestaltung mit einer stationären Messstation und ...
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1b ...
in einer alternativen Ausgestaltung mit einem mobilen Werkstückhalter,
an dem ein Sensor befestigt ist;
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2 eine
schematische Darstellung der Längenänderung
einer Welle als Funktion der Zeit bei einer Härtebehandlung.
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1a zeigt
eine Hohlwelle 1, beispielsweise eine hohle Antriebswelle
für ein
Kraftfahrzeug, die in eine erfindungsgemäße Vorrichtung 2 zur
Erfassung ihres Eigenspannungszustands eingespannt ist.
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Die Vorrichtung 2 umfasst
eine Messstation 3 mit einem optischen Sensor 4,
der auf einen am Grundkörper
der Messstation befestigten Glasmaßstab 6 ausgerichtet
ist. Die Vorrichtung 2 umfasst weiterhin einen Werkstückhalter 7 mit
zwei Fixierele menten 8,9 („Spitzen" 8,9), die endseitig
an der Welle 1 angreifen und diese Welle 1 in
reproduzierbarer Weise in der Messstation 3 fixieren. Eine
der beiden Spitzen 8 ist unverrückbar auf dem Werkstückhalter 7 befestigt,
während
die andere Spitze 9 in Längsrichtung der Welle verschiebbar
im Werkstückhalter 7 gelagert
ist und gegen die Kraft einer Druckfeder 10 von der anderen
Spitze 8 weggedrückt
werden kann. Das Blickfeld des Sensors 4 ist auf die verschiebbare Spitze 9 und
den Glasmaßstab 6 ausgerichtet.
Eine Auswertung des vom Sensor 4 gelieferten Bildes (z.B.
mit Hilfe eines geeigneten Bildauswerteverfahrens) liefert Informationen über die
Position der verschiebbaren Spitze 9 relativ zum Glasmaßstab 6 und somit über die
Länge der
Welle 1.
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Die zu prüfende Welle 1 wird – im weichen Zustand,
d.h. vor dem Härtevorgang – in den
Werkstückhalter 7 eingespannt
und in diesem Zustand in der Messstation 2 längenvermessen.
Anschließend wird
die Welle 1 der Härtebehandlung
unterzogen, die ein Aufheizen der Welle 1 oberhalb der
Austenit-Temperatur, gefolgt von einem schnellen Abkühlen der
Welle 1 in einem Abschreckbad umfasst. Nach Abschluss der
Härtebehandlung
wird die Welle 1 erneut in den Werkstückhalter 7 der Messstation 2 eingespannt
und erneut längenvermessen.
Der Längenunterschied
zwischen dem weichen und dem gehärteten
Zustand der Welle 1 gibt – wie im folgenden dargelegt
wird – Aufschluss über das
Vorhandensein von Eigenspannungen in der Welle 1.
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2 zeigt
in einer schematischen Darstellung die Längenveränderungen der Welle 1 als
Funktion der Zeit im Zuge einer Härtebehandlung. Die Welle 1
im weichen, ungehärteten
Zustand hat bei Raumtemperatur die Länge l0.
Mit Beginn der Härtebehandlung
wird die Welle 1 zunächst – beispielsweise
durch eine induktive Erwärmung – aufgeheizt.
Im Zuge dieser Aufheizung erfährt
die Welle 1 zunächst eine
thermische Ausdehnung (auf eine Länge l1)
bis zum Phasenübergang
von der perlitischen in die austenitische Phase, der (zum Zeitpunkt
tA) bei 723° C einsetzt; dieser Phasenübergang
geht einher mit einer Schrumpfung der Welle 1 auf eine
Länge l2. Bei weiterer Erwärmung dehnt sich die Welle 1 – die sich nun
im austenitischen Zustand befindet – weiter aus.
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Zum Zeitpunkt tH,
bei dem sich die gesamte Welle 1 im austenitischen Zustand befindet
und eine Länge
l3 hat, beginnt der Abschreckvorgang. Hierzu wird
die Welle 1 in ein Abschreckbad getaucht, in dem eine gleichmäßige, schnelle
Abkühlung
der Welle 1 erfolgen soll. Diese Abkühlung der Welle 1 im Abschreckbad
geht zunächst
einher mit thermischen Kontraktion der Welle 1 im austenitischen
Zustand (auf eine Länge
l4). Sobald die Welle 1 auf etwa
200° C abgekühlt ist
(d.h. zum Zeitpunkt tM), setzt der Phasenübergang
in die martensitische Phase ein, der mit einer Volumenerhöhung einhergeht,
weswegen sich die Länge
der Welle 1 auf einen Wert l5 erhöht. Beim anschließenden Abkühlen der
Welle 1 auf Raumtemperatur stellt sich die Länge der
Welle 1 schließlich auf
einen Wert l6 ein; dieser Wert ist zum Zeitpunkt
tR erreicht.
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Das in 2 dargestellte
Beispiel des Härtevorgangs
hat an der betroffenen Welle 1 somit zu einer Längenvergrößerung Δl von einer
Ursprungslänge
l0 zu einer Endlänge l 6 (=
l0 + Δl)
geführt.
Eine röntgenografische
Untersuchung derselben Welle 1 zeigt, dass die Abschreckbedingungen,
denen die Welle 1 dabei unterworfen wurde, besonders hohe Druckeigenspannungen
in der Welle 1 erzeugt haben.
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In 2 ist
strichpunktiert der Zeitverlauf der Längenänderung einer anderen Welle 1' gezeigt, die zwar
in derselben Weise wie die Welle 1 erwärmt wurde, die jedoch einem
anderen Härtevorgang
(mit abweichenden Härtungsparametern
wie z.B. anderer Temperatur und/oder Anströmgeschwindigkeit des Abschreckmediums)
unterworfen wurde. Die Parameter, unter denen diese Welle 1' abgeschreckt
wurde, führten
zu einer geringeren Längenzunahme Δl' = l6' – l0; gleichzeitig zeigt eine röntgenografische
Untersuchung, dass in dieser Welle 1' aufgrund des Härteprozesses Zugeigenspannungen
erzeugt wurden.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, erfolgt beim Härten infolge
des Gefügeübergangs
in den martensitischen Zustand eine Längenänderung, die für alle Wellen 1,1' gleich ist
(sofern beim Härten
eine vollständige
Gefügeänderung
eingetreten ist). Zusätzlich zu
dieser Gefüge-Längenänderung
erfolgt eine weitere Längenänderung,
die auf das Entstehen von Druckeigenspannungen in der Welle 1,1' zurückgeht. Je
größer der
beim Härten
beobachtete Längenzuwachs Δl der Welle 1 ist,
desto größer sind – unter
der Voraussetzung einer vollständigen
Gefügeumwandlung – die Druckeigenspannungen
in der Welle 1. Ein sehr geringer Längenzuwachs Δl' der Welle 1' hingegen ist
ein Indiz für
die Erzeugung von Zugeigenspannungen in der Welle 1'. Die prozentuale
Längenänderung Δl, Δl' liegt in der Größenordnung
von etwa 0.5%, so dass bei einer Welle 1,1' mit einer Länge von
L = 500 mm typischerweise Längenänderungen Δl,Δl' von einigen Millimetern
auftreten. Die Messgenauigkeit des Sensors 4 sollte daher
bei etwa 0.1 mm liegen.
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Die Längenänderung Δl, Δl', die bei der Martensitumwandlung der
Welle 1,1' auftritt,
hängt nicht nur
vom Eigenspannungszustand der Welle 1,1' ab, sondern
wird auch stark vom Kohlenstoffgehalt des Stahls der Welle 1,1' beeinflusst.
Dieser Effekt überlagert
sich dem Messeffekt. Bei unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten unterschiedlicher
Chargen kann es deswegen notwendig sein, für jede neue Charge zunächst eine
Kalibrierung durchzuführen,
mittels derer dieser kohlenstoffabhängige Anteil an der Längenveränderung
herauskalibriert wird.
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Im Ausführungsbeispiel der 1a ist der Sensor 4 Teil
einer stationären
Messstation 3, in die die Welle 1 vor und nach
dem Härtungsprozess
in reproduzierbarer Lage und Ausrichtung eingelegt wird. Diese Ausgestaltung
gestattet allerdings Längenmessungen
nur zu Beginn der Wärmebehandlung (Zeitpunkt
t0) sowie nach Beendigung der Wärmebehandlung
(Zeitpunkt tR); prozessbegleitende Längenmessungen
während
des Härtens
sind mit einer solchen Art von Vorrichtung 2 nicht möglich.
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Sollen auch Längenmessungen während des
Härtungsprozesses
durchgeführt
werden, so wird eine alternative, in 1b dargestellte
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2' verwendet,
mit einem mobilen Werkstückhalter 7', in den der
Sensor 4' integriert
ist (siehe 1b); die
Messstation 3 entfällt
in diesem Fall. Der Werkstückhalter 7' besteht aus
einem Werkstoff, welcher im Temperaturbereich des Wärmebehandlung
der Welle 1 zwar Längenänderungen
aufgrund thermischer Ausdehnung erfährt, jedoch keine Phasenübergänge durchläuft; somit
verlängert/verkürzt sich
der Grundkörper 5' des Werkstückhalters 7' zwar beim Erwärmen/Abschrecken
im Zuge der Härtebehandlung,
kehrt aber beim Abkühlen
auf Raumtemperatur wieder auf seine Ursprungslänge zurück. Der Sensor 4' ist auf dem Werkstückhalter 7' in einer solchen
Weise befestigt, dass er Verschiebungen der beweglichen Spitze 9' gegenüber dem
Grundkörper 5' des Werkstückhalters 7' misst. Vorzugsweise
wird hier ein fest mit dem Grundkörper 5' verbundener induktiver Sensor 4' eingesetzt,
mit Hilfe dessen den Abstand 11 einer Referenzfläche 12 auf
der beweglichen Spitze 9' gegenüber dem
Grundkörper 5' gemessen wird.
Die Spitzen 8',9' können drehbar
auf dem Grundkörper 5' des Werkstückhalters 7' gelagert sein
und an einen (in 1b nicht
gezeigten) Motor angeschlossen sein, mit Hilfe dessen die Welle 1 gegenüber dem
Werkstückhalter 7' rotiert werden
kann. Auf diese Weise kann die Welle 1 z.B. während des
Erhitzens gegenüber
einem stationären
Induktor gedreht werden, um eine gleichmäßige Erwärmung zu erreichen; weiterhin
kann die Welle 1 während
des Abschreckens im Wärmebad
gedreht werden, um eine ausgeglichene Anströmung des Abschreckflüssigkeit
auf allen Seiten der Welle 1 sicherzustellen.
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Die in 1b gezeigte
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 mit
einem mobilen, in den Werkstückhalter 7' integrierten
Sensor 4' gestattet
zwar eine kontinuierliche, prozessbegleitende Längenmessung der Welle 1,
allerdings ist der Sensor 4' durch
seine räumliche
Nähe zur
Heizvorrichtung bzw. dem Abschreckbad hohen thermischen Belastungen
ausgesetzt. Der Sensor 4' muss
in einer solchen Weise auf dem Werkstückhalter 7' angeordnet
sein, dass der Sensor 4' außerhalb
des (während der
Heizphase) vom Induktor überstrichenen
Bereiches liegt, und dass er während
des Abschreckens außerhalb
des Abschreckbades verbleibt.
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Es ist zu beachten, dass der in 2 schematisch dargestellte
Zeitverlauf der Längenänderungen
der Welle 1 nicht den Messwerten des in den Werkstückhalter 7' integrierten
Sensors 4' der 1b entspricht. Ein auf dem
Werkstückhalter 7' befestigter
Sensor 4' misst
nämlich
eine Überlagerung
der Längenänderungen
der Welle 1 und der thermischen Ausdehnung/Kontraktion
des Grundkörpers 5', auf dem die
Welle 1 fixiert ist, so dass der zeitliche Verlauf der
Sensormesswerte – in
Abhängigkeit
vom Material des Grundkörpers 5' – starke Abweichungen
von dem in 2 gezeigten
Verlauf zeigen kann. Allerdings kehrt der Grundkörper 5' nach der Wärmebehandlung in seine Ausgangslänge zurück, so dass
die (vom Sensor 4' gemessene) Messgröße der Gesamt-Längenänderung Δl der Welle 1 (Differenz
l6 – l0) unabhängig
vom thermischen Expansionskoeffizienten des Grundkörpers 5' ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich vor
allem für
die Prüfung
länglicher
Bauteile, insbesondere zur Prüfung
von Wellen. Besondere Vorteile bringt das Verfahren bei der Prüfung des
Eigenspannungszustands von Hohlwellen, da bei Hohlwellen – im Unterschied
zu Vollwellen – der
Martensit-Übergang über die
ganze Welle hinweg in etwa gleichmäßig fortschreitet, weswegen
Rückschlüsse von
der Längenänderung
auf den Eigenspannungszustand der Welle hier besonders einfach sind.