DE1648770C3 - ResonanzmeBvorrichtung zur Härteprüfung an Schleifkörpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Resonanzmeßvornchtung zur Härteprüfung an Schleifkörpern mit einem Durchmesser von <50mm, mit einem Geber zur Übertragung von mechanischen Schwingungen auf einen Probekörper und einem dem Geber gegenüberliegenden Empfänger, der die vom Probekörper tufgenommenen mechanischen Schwingungen in elektrische Signale umformt und diese zu einer Resonanz-Anzeigeeinrichtung weiterleitet, wobei der Probekörper in Berührung mit dem Geber und Empfänger zwischen diesen eingespannt ist.

Eine Resonanzmeßvorrichtung der eingangs genannten Art ist bereits aus der »Zeitschrift für Instrumentenkunde«, 1964, S. 199 bis 204, beschrieben. Diese Resonanzmeßvorrichtung eignet sich jedoch insbesondere für Probekörper mit einem Durchmesser von 10 cm. Die mit dieser Resonanzmeßvorrichtung gemessenen Probekörper sollen zylindrische oder prismatische Gestalt bzw. scheibenförmige oder plattenförmige Gestalt besitzen. Mit der bekannten Resonanzmeßvorrichtung können nur Probekörper vorgegebener Gestalt gemessen werden; außerdem sind bei Probekörpern mit einer Länge unterhalb von 10 cm zusätzliche Schwierigkeiten durch auftretende Disoersionsfrequenzen einzubezielien.

Aus der IT-PS 5 23 028 ist es bereits bekannt, Härtemessungen mit Hilfe von Tastspitzen auszuführen, welche hulhkugelförmige Gestalt aufweisen. Die Probekörper können dabei eine Dicke von weniger als 50 mm besitzen.

In der Literaturstelle L. Bergmann, »Der Ultraschall«, 1954, S. 719, ist ein Ultraschallgerät beschrieben, in dem Schallköpfe mit auswechselbaren Tastspitzen aus gehärtetem, nichtrostendem Stahl verwendet werden, die schräg oder zylinderförmig angeschliffen sind. Diese Vorrichtung eignet sich speziell zur Ultraschalldurchstrahlung von Probekörpern, wobei verschiedene zylindrische odei kegelspitzenähiiliche Berührungselemente verwendet werden sollen. Für Ultraschall-Resonanzmessungen bietet sich diese Vorrichtung auf Grund des Aufbaus der SchallköDfe nicht an, da in diesen, beispielsweise durch Überwurfmuttern, akustische Übergänge hervorgerufen werden, die zu zusätzlichen Resonanzerscheinungen führen und weite- !o re Meßfehler hervorrufen.

Schließlich ist in der US-PS 28 91 178 eine Vorrichtung zum Ultraschweißen beschrieben, deren Schweißkopf etwa kugelförmige Gestalt besitzt. Eine derartige Ausbildung der Schweißspitze eignet sich nicht zur Ulis traschall-Resonanzmessung, da eine verzerrungsfreie Übertragung der Schwingungen nicht gewährleistet wird und darüber hinaus zusätzliche Resonanzen auftreten können, welche die Auswertung der gemessenen Frequenzkurven erheblich erschweren. Die praktisch kugelförmige Ausbildung des Schweißkopfes soil hierbei eine möglichst große, wärmeabstrahlende Oberfläche erzeugen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Härteprüfung an kleinen Schleifkörpern zu schaffen, die das Messen an Schleifkörpern mit Durchmessern < 50 mn ermöglicht und da-übcr hinaus eine einwandfreie auswertbare Schwingungserregung und Schwingungsaufnahme gestattet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Geber und der Empfänger jeweils ein auf ein Bodenteil angelötetes piezoelektrisches Element und ein am Bodenteil gegenüber dem piezoelektrischen Element angeordnetes halbkugelförmiges Berührungselement zur Kontaktierung des Probekörpers aufwei- sen, daß an der dem Bodenteil abgewandten Seite des piezoelektrischen Elements ein Dämpfungsbelag vorgesehen ist, an welchem eine in eine Isolationshülse eingesetzte Elektrode anliegt, und daß eine metallische Lamelle eine elektrische Verbindung zwischen der den Dämpfungsbelag tragenden Seite des piezoelektrischen Elements und der Elektrode bildet.

Die erfindungsgemäße Resonanzmeßvorrichtung hat den Vorteil, daß insbesondere Schleifkörper mit einem Durchmesser von < 50 mm zur Härteprüfung gemessen werden können. Demzufolge können Schleifkörper einer Härtemessung unterzogen werden, deren Länge sich nur wenig von ihrem Quermaß unterscheidet. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Resonanzmeßvorrichtung liegt in der möglichen Ausfilterung der Hauptschwingungen, da bei derart kleinen Schleifkörpern die Resonanzfrequenzen für verschiedene Schwingungsarten dicht beieinander^i;cgen. Weiterhin läßt sich durch die gute Kontakigabe zwischen dem Prüfkörper und dem Geber bzw. Empfänger die für die Messung erforderliche Amplitude der vom Geber erzeugten Schwingung reduzieren, so daß der Geber und Empfänger identischen Aufbau haben können.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Ansicht einer Resonanzmeßvorrichtung, F i g. 2 ein Blockschaltbild der Resonanzmeßvorrichtung nach F i g. 1,

F i g. 3 eine Querschnittsansicht eines Gebers/Empfängers der genannten Vorrichtung und

F i g. 4 bis 9 verschiedene Schleifkörper, die mit der Resonanzmeßvorrichtung gemäß F i g. 1 geprüft werden können.

Eine Vorrichtung zur Härteprüfung von Schleifkörpern enthält gemäß F i g. 1 und 2 einen Schwingungserzeuger 1, dessen Frequenz im Bereich 50 bis 15OkHz geändert werden kann. Dieser Frequenzbereich ist durch die Prüfung kleinerer Schleifkörper mit Durchmesser unter 100 mm bedingt außerdem sind ein Geber 2, der die elektrischen Schwingungen umwandelt und diese Schwingungen an den zu prüfenden Schleifkörper 3 abgibt, ein Empfänger 4 zur Aufnahme mechanischer Schwingungen geprüfter Schleifkörper und zur 'Jmwandlung derselben in elektrische Schwingungen vorgesehen. Ein Verstärker 5 verstärkt das Signal des Empfängers 4. Wie F i g. 2 zeigt, umfaßt die zugehörige Schaltung einen Resonanzanzeiger 6, Anpassungsstufen 7 und eine stabilisierte Speisequelle, die einen Netztransformator 8, einen Vollweggleichrichter mit einem Filter 9 und einen elektronischen Spannungsstabilisator 10 enthält Die Heizkreise ab, cd bzw. eg der elektronischen Schaltung 10 zur Konstanthaltung der Spannung bzw. von Röhren der Schaltung 10 werden von Heiztransformatoren 11 bzw. 12 gespeist.

Der Schwingungserzeuger 1 ist als selbständige Einheit ausgebildet, was die Verwendungsmöglichkeiten der Vorrichtung wesentlich erweitert. So kann beispielsweise bei der Prüfung großer Schleifkörper mit einem Durchmesser von mehr als 100 mm der Schwingungserzeuger 1 durch einen anderen Schwingungserzeuger mit entsprechendem Frequenzbereich ersetzt werden. Der Schwingungserzeuger 1 stellt einen herkömmlichen RC-Generator mit einer Wien-Brücke in der positiven Rückkopplung dar.

Die Frequenz des Schwingungserzeugers 1 kann durch Veränderung der Kapazität eines mit Drehknopf und Limbus 13 bzw. 13' versehenen Doppelkondensators in einem vorbestimmten Frequenzbereich beliebig verändert werden. Die Amplitudenstabilität des Schwinjjoingserzeugers 1 wird durch Verwendung einer negativen Rückkopplung mit einem nichtlinearen Thermistor 14 erreicht. Aus Röhren 15, 16 bestehende und als selbständige Einheiten 7 ausgebildete Kathodenverstärker dienen zur Anpassung des Ausgangssignals des Schwingungserzeugers 1 an den Geber 2 bzw. den Resonanzanzeiger 6. Als Anodenbelastung des Kathodenverstärkers mit der Röhre 15 dient ein Potentiometer 17, dessen Drehknopf 17' auf einer Vorderplatte der Einheit 7 angeordnet ist (vgl. F i g. 1); das Potentiometer 17 ermöglicht es, die über einen Hochfrequenz-Stecker 18 dem Geber 2 zugeführte Spannung zu regeln.

Der Geber 2 und der Empfänger 4 stellen identische piezoelektrische Geber dar. Das Hauptelement des Gebers/Empfängers, dessen Axialschniu in F i g. 3 dargestellt ist, ist eine mit einem Pappen-Dämpfungsbelag 20 versehene Piezoplatte 19. Die Piezoplatte 19 ist an einem Stahlbodendeckel 21 des Gebers/Empfängers, welcher mit dem Körper 22 des Gebers/Empfängers starr verbunden ist und als eine der Elektroden für die Piezoplatte 19 dient, angelötet.

Eine zweite Elektrode 23 der Piezoplatte 19, deren elektrischer Kontakt mit der Fläche der Piezoplatte durch eine metallene Lamelle 24 hergestellt wird, ist gegen den Körper 22 mittels einer Hülse 25 isoliert und mit Hilfe der an einem Meßstativ 26 (F i g. 1) montierten nicht dargestellten Steckvorrichtungen mit der Mittelader der koaxialen Verbindungskabel 27 und 28 verbunden.

Um den Zusammenbau des Gebers/Empfängers zu erleichtern, ist dessen Deckel 29 mit einem Gewinde versehen. Der Bodcndeckel 21 jedes Piezogebers ist mit einem gewölbten Element 30 versehen, welches die Kontaktgabe zwischen dem Geber/Empfänger und dem Prüfling verwirklicht Als gewölbtes Element 3ü in der beschriebenen Ausführungsform dient ein». Halbkugel aus gehärtetem Stahl.

Das Meßstativ 26 ermöglicht eine senkrechte Verschiebung des Empfängers 4, der koaxial und gegenüber dem unteren Geber bzw. Sender 2 angeordnet ist, zur Einstellung der zu prüfenden Schleifkörper verschiedener Art und Größe zwischen Gebern und Empfängern 2 und 4. Außerdem ist das Meßstaiiv 26 mit einem Federwerk 31 ausgerüstet, das durch Abdrucken des unteren Gebers 2 nach unten ein schnelles Auswechseln der Prüflinge bei der Härteermittlung von Schleifkörpern gleicher Abmessungen gestattet.

Der Empfänger 4 ist über einen Hochfrequenz-Stekker 32 mittels des Koaxialkabels 27 an den Eingang des Verstärkers 5 für das Empfänger-Signal angeschlossen. Der Verstärker 5 ist als ein Dreistufenverstärker mit einem dem Frequenzbereich des Schwingungserzeugers 1 entsprechenden Durchlaßbereich und einem Verstärkerfaktor von etwa 250 000 ausgebildet.

Zur Begrenzung des Einflusses der Geräusche auf die Vorrichtung ist eine Pentode mit kleinem Geräuschniveau als Elektronenröhre der ersten Stufe 33 verwendet. Um die Möglichkeit der Selbsterregung des Verstärkers 5 auszuschließen und dessen Frequenzdurchlaßkurve auszugleichen, sind negative Rückkopplungen 34,35 vorgesehen. Am Ausgang des Verstärkers 5 liegt ein Kathodenverstärker mit einer Elektronenröhre 36, der zur Anpassung des Verstärkerausgangs an den Eingang des Resonanzanzeigers 6 dient.

Der Resonanzanzeiger 6 stellt eine selbständige Einheit dar und umfaßt einen Amplituden-Resonanzanzeiger mit einer Elektronenröhre 37, dem das Ausgangssignal des Verstärkers 5 zugeführt wird, und einen Phasen-Resonanzanzeiger, der die Resonanz bei der Phasenverschiebung um 0 oder 180° des Signals an Ausgängen des Schwingungserzeugers 1 und des Verstärkers 5 anzeigt.

Der Phasen-Resonanzanzeiger besteht aus zwei Doppeldioden 38, 39. Der einen Diode 38 wird ein Bezugssignal vom Ausgang des Schwingungserzeugers I über einen mit einer Elektronenröhre 16 aufgebauten Kathodenverstärker und der Diode 39 ein Signal vom Ausgang des Verstärkers 5 über einen mit der Elektronenröhre 36 aufgebauten Kathodenverstärker zugeführt.

Die Phasenverschiebung von 0° ergibt sich bei einem maximalen Anzeigewert eines Zeigergeräts 40, während der minimale Anzeigewert eine Phasenverschiebung von 180° darstellt. Ob die Phasenverschiebung 0" oder 180° beträgt, wird durch das Verhältnis des zu prüfenden Schleifkörpers gegenüber der Resonanzfrequenz bedingt; in beiden Fällen liegt eine Resonanz vor.

Die übrigen Elemente der Schaltung sind allgemein bekannt.

Die Ermittlung der Schleifkörperhärte m't Hilfe der vorliegenden Vorrichtung wird folgendermaßen ausgeführt: Ein Schleifkörper 3, dessen Härte zu ermitteln ist, wird gemäß Fig. 1 unter leichtem Anpressen des Federwerks 31 zwischen den Halbkugeln 30 des Gebers 2 und Empfängers 4 angeordnet. In den F i g. 4 bis 9 sind die gebräuchlichsten Anordnungen der zu prüfenden Schleifkörper 3, 3¹ bis 3^V verschiedener Art und Größe dargestellt. Wenn die Höhe der Schleifscheibe

größer als ihr Durchmesser ist sowie bei der Prüfung von Schleifsteinen mit verschiedenen Profilen werden die Prüflinge in der in Fig.4, 5, 6 gezeigten Weise angeordnet. Falls Schleifscheiben, deren Durchmesser größer als ihre Höhe ist, geprüft werden sollen, ist die in F i g. 7 gezeigte Anordnung vorzuziehen. Die in F i g. 8 und 9 gezeigten Anordnungen werden gewöhnlich bei der Prüfung größerer Schleifscheiben angewandt, wobei in diesen Fällen eine gewisse Veränderung des Prüfstativs erforderlich ist.

Durch vorstehend beschriebene Anordnungen von Prüflingen wird eine Verwendung von speziellen Mitnehmern oder anderen Einrichtungen zur Anordnung der zu prüfenden Schleifkörper überflüssig, wodurch auch eine zuverlässige und einfache Vorrichtung zur Härteprüfung an Schleifkörpern hergestellt werden kann.

Die Übertragung der mechanischen Schwingungen geht folgendermaßen vor sich: Die elektrischen Schwingungen werden vom Schwingungserzeuger 1 über den Kathodenverstärker mit der Elektronenröhre 15 dem piezoelektrischen Geber 2 zugeführt, der diese elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen derselben Frequenz umwandelt und diese über das gewölbte Element 30, das mit dem Prüfling 3 in direktem Kontakt steht, in den Prüfling 3 überträgt. Die mechanischen Schwingungen werden vom piezoelektrischen Empfänger 4 über das zweite gewölbte Element 30, das gleichfalls in direktem Kontakt mit dem Prüfling steht, aufgenommen und in elektrische Schwingungen umgewandelt.

Die Kontaktgabe zwischen Geber 2 und Empfänger 4 und dem zu prüfenden Schleifkörper 3 gewährleistet eine beständige akustische Verbindung zwischen Geber/Empfänger und Prüfling, was die erforderliche Amplitude der durch den Geber 2 erzeugter Schwingungen vermindern läßt Dies bietet die Möglichkeit, identische Wandler als Geber und Empfänger zu verwenden.

Die Verwendung der gewölbten, den Kontakt zwischen Geber/Empfänger und dem Prüfling vermittelnden halbkugeligen Berührungselemente ermöglicht es, bei Gewährleistung einer guten Schwingungsübertragung, den Kontakt mit dem Prüfling auf einem geringen Teil dessen Oberfläche auszuüben, wobei die Hauptschwingung des zu prüfenden Schleifkörpers ausgefiltert und die Dämpfung der Nebenschwingungsarten ermöglicht wird. Die Hauptschwingung ergibt eine Schwingungsform bei den Prüflingen, in der die Resonanzamplitude im vorgegebenen Frequenzbereich maximal ist. Bei Schleifkörpern, deren Länge viel größer als deren Breite ist, stellen in der Regel Längsschwingungen die Hauptschwingungsarten dar. Für Erzeugnisse wie Schleifscheiben kleiner Höhe sind in der Regel Querschwingungen die Hauptschwingungsart.

Die Ausfilterung der Hauptschwingungsart, die durch die gewölbten Elemente bewirkt wird, ist besonders bei der Prüfung kleinerer Schleifkörper, deren Länge sich nur wenig von deren Quermaß unterscheidet, von großer Bedeutung, weil solche Schleifkörper eine große Anzahl verschiedener Schwingungsarten mit dicht beieinanderliegenden Resonanzfrequenzen haben, was bei der Resonanzfrequenzmessung leicht zur Verwechslung der Schwingungsarten und damit auch zu Falschmessungen führen kann. Die Verwendung der gewölbten Elemente ermöglicht es, solche Fehler auszuschließen.
Nachfolgend sind die Verstärkung der empfangenen Signale und die Resonanzanzeige beschrieben. Die elektrischen Schwingungen des Empfängers werden dem Verstärker 5 zugeführt, dessen Ausgangssignal an den Amplituden-Resonanzanzeiger mit der Elektronenröhre 37 und den Phasen-Resonanzanzeiger mit den Röhren 38, 33 angelegt wird. Gleichzeitig wird das Be zugssignal vom Ausgang des Schwingungserzeugers 11 über den Kathodenverstärker mit der Röhre 16 dem Phasen-Resonanzanzeiger zugeführt Die Schwingungsfrequenz des Generators 1 wird durch Drehen des Drehknopfs 13 so lange verändert, bis eine Schwingungsresonanz eintritt die durch die öffnungsweite des Sektors des magischen Auges der Elektronenröhre 37 des Amplituden-Resonanzanzeigers und genauer noch durch die Anzeige des Anzeigegeräts 40 des Phasen-Resonanzanzeigers erkannt wird Nach dens Resonanzfrequenzwert den man am Limbus 13 abliest und an Hand einer Eichtabeile 41 (F i g. 1) wird die Härte des zu prüfenden Schleifkörpers ermittelt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Resonanzmeßvorrichtung zur Härteprüfung an Schleifkörpern mit einem Durchmesser von <50mm, mit einem Geber zur Übertragung von mechanischen Schwingungen auf einen Probekcrper und einem dem Geber gegenüberliegenden Empfänger, der die vom Probekörper aufgenommenen mechanischen Schwingungen in elektrische Signale umformt und diese zu einer Resonanz-Anzeigeeinrichtung weiterleitet, wobei der Probekörper in Berührung mit dem Geber und Empfänger zwischen diesen eingespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber (2) und der Empfänger (4) jeweils ein auf ein Bodenteil (21) angelötetes piezoelektrisches Element (19) und ein am Bodenteil (21) gegenüber dem piezoelektrischen Element (19) angeordnetes halbkugelförmiges Berührungseiement (30) zur Kontaktierung des Probekörpers aufweisen, daß an der dem Bodenteil (21) abgewandten Seite des piezoelektrischen Elements (19) ein Dämpfungsbelag (20) vorgesehen ist, an welchem eine in eine Isolationshülse (25) eingesetzte Elektrode (23) anliegt, und daß eine metallische Lamelle (24) eine elektrische Verbindung zwischen der den Dämpfungsbelag (20) tragenden Seite des piezoelektrischen Elements (19) und der Elektrode (23) bildet.