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Prüfgerät für mit natürlichen oder künstlichen Mitteln gebundenes
körniges Material Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur vergleichenden Prüfung
des mechanischen Widerstandes von mit natürlichen oder künstlichen Mitteln gebundenem
körnigem Material, z. B. Schleifscheiben, Mauerverputz, Fußboden und Straßenblellag,
bei dem ein in Längsschwingungen und in Drehbewegung versetzter meißelartiger Prüfkörper
in den zu messenden Körper getrieben wird.
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Zur Prüfung der genannten Materialien benutzte man bisher meistens
Verfahren, die dem bekannten Kugeleindruckverfahren ähneln, wobei aber in einigen
Fällen der in das zu prüfende Werkzeug eindringende Prüfkörper auch eine andere
Form, z. B. die eines Stichels, aufwies. Bei diesen Verfahren wird im allgemeinen
die Eindringtiefe des Prüfkörpers gemessen.
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Es ist ein Gerät bekanntgeworden, bei dem der Prüfkörper durch eine
motorangetriebene Exzenteranordnung in Längsschwingungen und außerdem in Drehbewegung
versetzt wird. Hierbei wird aber ebenfalls die Eindringtiefe bzw. die Eindringzeit
gemessen.
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Ferner ist ein bekanntes Gerät zu erwähnen, das ebenfalls mittels
Meißel arbeitet und bei dem eine Druckmessung mittels Federindikator erfolgt.
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Schließlich sind elektrische Druckindikatoren auch für Härteprüfer
bekanntgeworden, die aber zur Gattung der Rückprallprüfer gehören. Hierbei wird
ein Prüfkörper schlagartig auf dem zu prüfenden Gegenstand gestoßen und dabei die
Kraft beim Aufschlag des Schlagbolzens mittels eines elektrischen Druckindikators
(Piezoquarz) gemessen.
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Gemäß vorliegender Erfindung wurde erkannt, daß es bei der vergleichenden
Prüfung der eingangs erwähnten Materialien nicht auf die Messung der Härte an sich,
sondern auf eine Prüfung des mechanischen Widerstandes bzw. der Struktur gegen das
Eindringen des Meißels ankommt, um die Festigkeit des Korugefüges bzw. dessen Widerstand
gegen das Eindringen des Meißels festzustellen und vergleichbare Werte zu erhalten.
Eine solche Prüfung ist aber mit den bis jetzt bekannten Geräten nicht möglich gewesen,
bzw. es konnten keine einwandfreien Ergebnisse damit erhalten werden, da man versuchte,
die Erkenntnisse und Methoden der Metallhärtepräfung auf das vorliegende Gebiet
zu übertragen, was nicht gelungen ist.
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Erfindungsgemäß wird ein Druckindikator zwischen den Meißel und den
die Schwingungen und die Drehbewegung übertragenden Körper angeordnet, wobei die
Masse des Meißels kleiner ist als die des übertragenden Körpers. Der Meißel dringt
hierbei in den zu messenden Körper ein und reißt, je nach der aufgewendeten Kraft
und je nach Material und Bindung, das Korn aus der Bindung heraus. Hieraus lassen
sich die einwandfreien Rückschlüsse auf die Güte der Bindung ziehen.
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In besonderer Ausbildung der Erfindung wird als Druckindikator ein
Piezoquarz verwendet.
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Das neuartige Gerät hat den Vorteil des trägheitslosen Arbeitens,
der leichten Registrierbarkeit der Messungen und der Möglichkeit, gleichzeitig die
maximalen Werte sowie die Summe der einzelnen Drücke während einer Messung festzustellen.
Man kann die einzelnen Druckstöcke in Einzelschwingungen auflösen, so daß man sie
dadurch analysieren kann. Durch genaues Studium des Druckverlaufs ist es möglich,
auch Feststellungen über andere Materialeigenschaften des Werkstoffes zu treffen.
Außerdem ergibt das Gerät infolge seiner raschen Arbeitsweise und seiner großen
Empfindlichkeit die Möglichkeit, an einem Werkstück eine große Anzahl Messungen
in kurzer Zeit vorzunehmen. Dadurch kann eine genaue Aufzeichnung des Meßwerteverlaufs
bezüglich eines Werkstückes über die Zeit erfolgen.
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Ferner können Körper, die als Folge einer veränderlichen Belastung
einen veränderlichen elektrischen Widerstand besitzen, z. B. Bleinitrat, Kohle oder
Kompositionsmetalle, ferner Körper, die ein veränderliches Druckpotential besitzen,
z. B. Quarz, Turmalin, Natronweinstein, Kieselzinkerz, Zinkblende, zur Anwendung
kommen.
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Indikatoren, die auf lichtelektrischer Basis arbeiten; bedienen sich
schwenkbarer Spiegel oder verschiebbarer Blenden, die unter dem Einfluß der zu messenden
Kraft im Strahlengang einer Lichtquelle mehr oder weniger Licht ablenken bzw. abblenden.
Dabei kann der durch einen Spiegel abgelenkte Lichtstrahl
auf lichtempfindliches
Papier fallen und ein Diagramm ergeben oder aber bei einer Blende die Lichtintensität
geschwächt werden, was durch eine Selenzelle, durch eine Fotozelle oder durch Zellen
nach dem fotovoltaischen Effekt in elektrische Ströme umgewandelt und verstärkt
werden kann. Auf diesem Gebiet gibt es zahlreiche Möglichkeiten. Indikatoren mit
veränderlicher Kapazität arbeiten mit Membranen, die sich unter dem Einfluß der
zu messenden Kraft durchbiegen und sich dabei einer anderen Masse nähern, was eine
Änderung der Kapazität ergibt. Ebenso kann die Induktivität eines Systems geändert
werden. Durch Recken eines Magnets kann dessen Kraftfeld geändert werden, welche
Methode als »ma,gnetoelektrisches Indizierverfahren « bekannt ist.
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Die elektrische Anzeige selbst kann z. B. durch Schleifenoszillograph,
Saitengalvanometer, Glimmlampenoszillograph, Kathodenstrahloszillograph erfolgen.
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Als Ausführungsbeispiel des auf diesem Grundgedanken beruhenden Gerätes
sind zwei mit Piezoquarz als Indikator arbeitende Apparate beschrieben: Der erste
Apparat gemäß Fig. 1 ist als Handgerät gedacht, der in jeder Werkstatt Härteprüfungen
möglich machen soll und der im Spezialfall der Schleifscheibenprüfung sogar an Scheiben,
die in der Schleifmaschine eingespannt sind, Untersuchungen ermöglichen soll.
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Durch einen Antriebsmotor, z. B. einem Elektromotor 1 konstanter
Geschwindigkeit wird ein Exzenter2 angetrieben, der über ein Pleuel3 den Meißelhalter
und damit den Meißel 5 auf und ab bewegt. Der Hub beträgt 1 bis 2 mm. Die Lagerung
6 des Exzenters 2 wird durch die Feder 7 in Richtung zum Prüfling 8 gedrückt, wobei
das auf dem Prüfling 8 aufsitzende Gestell 9 dafür sorgt, daß der Druck bei Beginn
der Prüfung (also beim Aufsetzen des Gerätes auf den Prüfling) immer derselbe ist.
Um die Bewegungen der Lagerung 6 und vor allem das Fortschreiten während des Eindringens
in den Prüfling 8 auszugleichen, erfolgt der Antrieb des Exzenters 2 über eine flexible
Welle 10. Der Elektromotor 1 treibt außerdem über zwei Kegelräder 11 einen Exzenterhebel
12 an, der mittels Schubstange 13 das Sperrad 14 immer dann antreibt bzw. einen
Zahn weiterschiebt, wenn der Meißel 5 vom Prüfling 8 weggezogen wird. Der Meißelhalter
setzt sich aus drei Teilen zusammen: Dem Kugelgelenk 15, in welches das Pleuel 3
eingreift und das eine Drehbewegung, hervergerufen durch den Exzenter 12, zuläßt,
ferner dem Nileißelhalterunterteil 16 und der Überwurfmutter 17.
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Zwischen Kugelgelenk 15 und Unterteil 16 ist der Piezoquarz 18 eingebaut
und durch die Überwurfmutterl7 unter Vorspannung gehalten. Diese Vorspannung ist
erforderlich, um ein sattes Anliegen der Druckflächen zu ermöglichen und um Rückprallerscheinungen
an diesen Flächen zu vermeiden. Auf dem Sperrad 14 sitzt eine Nockenscheibel9, welche
den Schalter 20 bedient, so daß nach einer vollen Umdrehung des Sperrades 14 das
Gerät stillgesetzt wird.
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Das im Piezoquarz 18 infolge der Druckunterschiede entstehende elektrische
Potential wird in einem zweistufigen Verstärker 21 verstärkt. Die erste Stufe ist
trägheitslos geschaltet und mit einem trägheitslosen Spannungsmesser 22 mit Maximalanzeige
verbunden. Der Zeiger des Gerätes zeigt den höchsten im Laufe eines Messvorganges
auftretenden Widerstand 8 an. Der Zeiger des Spannungsmessers 22 bleibt in seinem
Höchstausschlag stehen und muß vor jeder neuen Messung auf Null gestellt werden.
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Die zweite Stufe des Verstärkers 21 ist mit einem Kondensator 23
verbunden; dieser mit einem Spannungsmesser 24. Die Spannungsmessung erfolgt hier
nicht trägheitslos, sondern bewußt träg, damit ein Mittelwert aus allen bei der
Messung auftretenden Drücken gebildet wird. Messung A über den Verstärker 1 und
MessungB über den Verstärker 2 erfolgen zur gleichen Zeit, so daß nach erfolgter
Messung zwei Werte zur Verfügung stehen; der eine stellt den Maximaldruck dar, der
zweite einen Mittelwert aller Drücke.
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Eine zweite Ausführungsform ist als Laboratoriumsgerät gedacht, um
ein gründliches Studium des Härteverlaufs im Werkstück zu ermöglichen und auch um
Schlüsse auf weitere Materialeigenschaften, wie z. B. die Struktur, zu gewinnen.
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An diesem Gerät ist daher die Analysierung der einzelnen Druckstöße
und ihre automatischeRegistriedurch Fotografieren vorgesehen.
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Dieses Gerät besteht aus einem kräftigen Stativ, das im oberen Teil
den Antrieb für den in das Werkstück hineinzutreibenden Prüfkörper enthält. Dieser
Antrieb kann hochfrequlelIten Stößen, aber auch nach den bisher üblichen Verfahren
im langsamen Rhythmus arbeiten. Der Antrieb erfolgt elektrisch. Zwischen dem Drucküberträger
und dem Prüfkörper ist in der oben beschriebenen Weise ein Druckindikator, in diesem
Fall ein Piezoquarz, eingebaut. Beim Eindringen des Prüfkörpers in das auf dem Fuß
des Stativs liegende Werkstück entstehen im Piezoquarz, außer der bereits auf ihm
lastenden Vorspannung, Drücke, die ein unterschiedliches elektrisches Potential
erzeugen. Dieses wird mit Hilfe eines Kath'odenstrahloszillographen sichtbar gemacht.
Mit dieser Methode kann nun nicht nur die absolute Höhe der Druckenergie gemessen,
sondern auch jeder Druckstoß in einzelne Schwingungen aufgegliedert werden. Dabei
ergeben die Höhe, die Art und die zeitliche Aufeinanderfolge der Schwingungen charakteristische
Bilder für jede Härte. Überdies ist es möglich, insbesondere bei Material gleicher
Härte, aus der Art der Schwingingen auf andere Materialeigenschaft, z. B. die Struktur,
Schllüsse zu ziehen, Die Druckprüfungen können bei dem beschriebenen Gerät in schneller
Folge wiederholt werden und ergeben blei konstanter Zusammensetzung immer die gleichen
charakteristischen Schwingungskurven. Da das Auge dem Ablauf dieser Schwingungen
meist nicht schnell genug folgen kann, ist eine fotografische Registrierung derselben
mittels angebauter Filmkamera vorgesehen. Die Auswertung der Messungen kann dann
in aller Ruhe erfolgen.
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Auf den Spezialfall der Schleifscheibenprüfung übertragen, ist es
mit diesem Gerät möglich, durch eine große Anzahl Messungen an jeder einzelnen Scheibe
genau die Verschleißbarkeit zu verfolgen.
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Man erreicht damit ein genaues Abbild des Arbeitsvorganges der Scheibe
beim Schleifen und damit eine weitaus bessere Beurteilung der Brauchbarkeit einer
Schleifscheibe für den vorliegenden Schleifzweck, als es die bisherigen Härteprüfverfahren
ermöglichten.
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Ferner ist die Prüfung der Härte durch Rückprall bekannt, und zwar
arbeiten die sogenannten »Skleroskop«-Härteprüfer unter Benutzung dieses Effektes.
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Zum Zweck der Härteprüfung läßt man eine Stahlkugel aus bestimmter
Höhe auf den Prüfling fallen und mißt die Höhe, bis zu der die Stahlkugel infolge
der Elastizität des Prüflings zurückgeworfen wird.
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Genau genommen wird dabei nicht die »Härte«, sondern die Elastizität
des Prüflings gemessen. Die
Elastizität ist aber bei harten Stoffen
bis zu einem gewissen Grade ein Maß für die Härte.
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An Stelle der Höhenmessung der zurückgeworfenen Stahlkugel wird beim
Erfindungsgegenstand der Rückprall elektrisch gemessen. Statt der Kugel wird ein
System von zwei Massen genommen, zwischen denen sich ein auf Druck ansprechender
elektrischer Indikator befindet, wie z. B. ein Kohteindikator, ein Piezoquarz, ein
Druckanzeiger auf induktiver oder auf kapazitativer Basis. Beide Massen fallen auf
die zu prüfende Fläche. Die erste Masse, die nur ein Bruchteil des Gewichtes der
zweiten aufweist, trifft zuerst auf die Prüffläche. Beim Aufprall wird ihre kinetische
Energie von der Prüffläche aufgenommen und je nach Härte des Prüflings der Masse
1 wieder mitgeteilt, jedoch in umgekehrter Richtung. Masse 2, die zur gleichen Zeit
losgelassen wird wie Masse 1, aber sich über Masse 1 befindet, trifft nunmehr auf
Masse 1 auf.
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Durch die Intensität, mit der die Masse 1 ihre Bewegungsrichtung umkehrt,
prallen Masse 1 und Masse 2 aufeinander und setzen den sich zwischen den beiden
Massen befindlichen Indikator unter Druck. Wird zur Druckanzeige ein Piezoquarz
mit sehr hoher Eigenfrequenz genommen, so kann mit Hilfe eines Oszillographen ein
Schwinigungsvorgang sichtbar gemacht werden, der für die feinsten Härte-, Pofositätsunterschiefe
und Unterschiede in der fferstellungsmethode des Prüflings charakteristisch ist.
Durch den Umstand daß der Meßvorgang in ganz kurzen Zeitintervailen wiederholt werden
kann und jeder einzelne Meßvorgang auf ein laufendes, lichtempfindliches Papier
aufgezeichnet wird, gelingt es, Unterschiede und Abweichungen entlang einer abgetasteten
Linie des Prüfkörpers genauestens festzuhalten. Mit Rücksicht auf den Preis der
Einrichtung bleibt dieses Gerät strenger Forschung vorbehalten.
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Für den Werkstattgebrauch ergibt sich eine Vereinfachung insofern,
als durch ein entsprechend empfindliches Zählwerk der vom Indikator abgegebene elektrische
Strom sowohl in Höhe (Volt) als auch in seiner Dauer gemessen wird, wodurch die
vom Prüfling an das Massesystem zurückgegebene Arbeit erfaßt wird.
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Sie ist bei entsprechender Eichung des Gerätes ein zuverlässiges Maß
für die Härte des zu prüfenden Körpers.
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In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäß frei fallender Körper schematisch
dargestellt.
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Masse 25 ist mit dem Meißelhalter 16 durch eine Überwurfmutter 17
verbunden, und zwar wird Masse 25 mit Vorspannung gegen den Teil 16 gedrückt.
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Masse 25 und Teil 16 berühren sich jedoch nicht unmittelbar, sondern
über einen als «Puffer» dienenden, in der Mutter 17 sitzenden geschliffenen Quarz
18, der durch die der Vorspannung überlagerten Spitzeneimldrücke elektrische Ströme
abgibt. Die zur Anmrendung gelangende Voyrspamnung hat den Zweck, ein sattes Anliegen
der Drmckflächen zu garantieren; würden die Druckflächen nicht unter Vorspannung
stehen, so würden sich an allen Berührungsflächen Rückprallerscheinungen abspielen,
die zu einer Vielzahl von Nebenmessungen Anlaß geben würden, die unerwünscht wären.
Das Verhältnis von Masse 25 zu der Masse des Teiles 16 soll so groß wie möglich
sein.
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Praktisch ist es jedoch nicht möglich, Masse 25 unter ein bestimmtes
Maß zu drücken, da sich die Masse des Teiles 16 aus dem Meißel 5, einer Spannschraube
26 und der Halterung selbst zusammensetzt.
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Es bringt keinen besonderen Vorteil, die Masse 25 größer als unbedingt
nötig zu machen, da das Gesamtgewicht, bezogen auf die Meißelstirnfläche, nicht
zu
groß bemessen werden darf, weil sonst die Eindrücke im Prüfling zu groß wären.
In der bisherigen Ausführung ist das Verhältnis von Masse25 zu der Masse des Teiles
16 gleich 300 :1; dieses Verhältnis hat sich für Schleifscheiben mittlerer Härte
als richtig heraus gestellt. Extrem weiche Schleifscheiben sollten mit niedrigerem,
extrem harte mit höherem Verhältnis oder aber mit kleinerer Meißelstirnfläche geprüft
werden. Es wird deshalb zweckmäßig sein, verschieden starke Meißel einzusetzen.
Für Schleifscheiben mittlerer Härte findet eine Standardmeißelgröße Verwendung,
für extrem harte Scheiben, jedoch Meißel mit kleinerer Stirnfläche und für extrem
weiche Scheiben Meißel mit größerer Stirnfläche.
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PATENTANSPROCHE: 1. Gerät zur vergleichenden Prüfung des mechanischen
Widerstandes von mit natürlichen oder künstlichen Mitteln gebundenem körnigem Material,
z. B. von Schleifscheiben, Mauerverputz, Fußboden- und Straßenbelag, bei dem ein
in Längsschwingungen und in Drehbewegung versetzter meißelartiger Prüfkörper in
den zu messenden Körper getrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckindikator
zwischen dem Meißel und dem die Schwingungen und die Drehbewegung übertragenden
Körper angeordnet und die Masse des Meißel kleiner ist als die des übertragenden
Körpers.