DE2534207A1

DE2534207A1 - Verfahren zum pruefen und messen von oberflaecheneigenschaften fester koerper, sowie einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2534207A1
Application number: DE19752534207
Authority: DE
Inventors: Claus Dr Kleesattel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-05-19
Filing date: 1975-07-31
Publication date: 1976-12-09
Also published as: JPS51143384A; JPS5531412B2; US3958450A

Description

DR. HEINZ FEDER DR. WOLF- D. FEDER

PATENTANWÄLTE

Düsseldorf 2534207

Akte 74-10-166 30. Juli 1975

WF/Wi

Herr Dr. Claus Kleesattel, Forest Hills, New York 11374, 98-41, 64th Road (USA)

Verfahren zum Prüfen und Messen von Oberflächeneigenschaften fester Körper, sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum Prüfen und Messen von Oberflächeneigenschaften fester Körper in kleinen Bereichen, z.B. der Härte.

In der DT-PS 1 287 334 ist ein Verfahren zum Prüfen und Messen von Oberflächeneigenschaften fester Körper in kleinen Bereichen, z.B. der Härte, beschrieben, bei dem eine zu ungedämpften, mechanischen Schwingungen erregte Sonde mit einer definierten Kontaktfläche aus hartem Material mit einer definierten Kontaktkraft auf den Prüfkörper aufgesetzt wird, und der von der mechanischen Kopplung mit dem Prüfkörper abhängige Resonanzzustand der Sonde durch Änderung einer frequenzbestiramenden Größe hergestellt wird, wobei die Änderung der frequenzbestimmenden Größe als Maß für die Oberflächeneigenschaften dient.

Es hat sich nun gezeigt, daß bei Anwendung dieses bekannten

j Verfahrens unter bestimmten Bedingungen erhebliche Fehler auf-

! treten können. Dies^ ist auf -fnlgpmrign TTniBf-»nri 7. η r-f ir-W. π-FiM fry ^_n;

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In der DT-PS 1 287 334 wurde als Resonanzgleichung für eine mit einem Spitzenkontakt an einen Prüfkörper angekoppelte Sonde angegeben:

(1) ottgot « —- . K

EQ

Hierbei ist L die Länge der stabförmigen Sonde, Q der Querschnitt der Sonde, E der Elastizitätsmodul der Sonde und K die zu messende elastische Kontaktsteife, die dadurch zustande kommt, daß die Ankopplung der Sonde an den Prüfkörper über einen Spitzenkontakt in guter Näherung durch die Ankopplung

über eine Feder mit einer Federzahl K beschrieben werden _kann. _α . . f , JtLJ₁-

wobei c die Schallgeschwindigkeit in der Sonde und f die Resonanzfrequenz ist. Bei Normalanregung der Oberfläche ist

2
K der Kantaktfläche proportional, '

Härteprüfung nach diesem Verfahren.

K der Kontaktflache proportional, und darauf beruht die

Bei der Ableitung der obigen Gleichung wird vorausgesetzt, daß die mechanische Reaktanz des Prüfkörpers unendlich groß ist.

Eine allgemeinere Ableitung der Beziehung führt auf die Formel:

Ι» κ
E Q ^K
(2) oCtgoC « ^₁

Hierbei ist X gleich X (ttf) die frequenzabhängige Reaktanz des Prüfkörpers.

Wie man sofort sieht, geht Gleichung (2) in Gleichung (1) über, wenn X —* <?©·

In vielen Fällen ist das FehlergSl^ed — der Gleichung (2) sehr viel kleiner als 1 und damit vernachlissigbar. Es läßt sich zeigen, daß dies vor allem dann der Fall ist, wenn nur longitudinale Wellen im Prüfkörper auftreten. Wenn jedoch im Prüfkörper beispielsweise vorwiegend Biegewellen auftreten,

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kann das Fehlerglied Werte annehmen, die nicht mehr vernachlässigt werden können, wenn man die Fehler der Meßergebnisse nicht zu groß werden lassen möchte_o

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand darin, ein Meßverfahren zu schaffen, bei dem, unabhängig von der Größe der Reaktanz des Prüfkörpers, aus einer Frequenzmessung der korrekte Wert von K und damit auch für die Härte oder andere Oberflächeneigenschaften eines festen Körpers ermittelt werden kann·

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Prüfen und Messen von Oberflächeneigensehaften fester Körper in kleinen Bereichen, ZoB, der Härte, bei dem eine zu ungedämpften mechanischen Schwingungen erregbare Sonde mit" einer definierten Kontaktfläche aus relativ hartem Material mit einer bestimmten Kontaktkraft auf die Oberfläche des Prüfkörpers aufgesetzt wird» Die Lösung der obengenannten Aufgabe geschieht dabei erfindungsgen äß dadurch, daß der Prüfkörper außerhalb der Kontakt-· zone der Sonde zu mechanischen Schwingungen erregt wird, wobei die Erregerfrequenz variiert wird, bis der von der mechanischen Kopplung mit dem Prüffikörper abhängige Resonanzzustand der Soree hergestellt ist, und daß im Resonanzzustand der Sonde in unmittelbarer Nähe des Aufsetzpunktes der Sonde, aber außerhalb der Kontaktzone, die Schwingungsamplitude am Prüfkörper gemessen und diejenige Frequenz bestimmt wird, bei der diese Amplitude ein Minimum aufweist, wobei die Differenz zwischen der so bestimmten Frequenz und der entsprechenden Resonanzfrequenz der freien Sonde als Maß für die Oberflächeneigenschaften des Prüfkörpers diente

Die Kontaktzone ist dabei der Bereich in der Umgebung des Aufsetzpunktes der Sonde, innerhalb dessen infolge der von der Sonde auf das Material ausgeübten Kraft eine örtliche, elastische oder eine elastische und plastische Verformung des Materials auftritt.

Die Resonanzfrequenz der freien Sonde kann dabei nach bekannten Verfahren bestimmt werden (siehe PT-PS 1 287 334)_o

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Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf folgenden Überlegungen:

Es läßt sich zeigen, daß bei einem zu mechanischen Schwingungen erregten Prüfkörper, auf den eine Sonde der obengenannten Art aufgesetzt ist, sich für die das Kopplungsglied K, d.h. die elastische Kontaktsteife, einschließende Sondenreaktanz X^₅ folgende Beziehung ergibt:

<³>

1- -£-§- <*. tgcc

Man sucht nun die Erregerfreqnenz, bei der diese Reaktanz einen Maximalwert erreicht, was dann eintritt, wenn die Schnelle V im Prüfkörper in unmittelbarer Nähe des Aufsetzpunktes der Sonde gegen Null geht oder.wenn V die Schnelle der Sonde ist, noch besser die Frequenz, bei der V /V gegen Null geht. Bei der

P ^s
zweitgenannten Methode werden Fälle ausgeschlossen, in denen V an der Meßstelle Null wird, weil sich dort beim Variieren der Frequenz ein Schwingungsknoten (praktisch immer ein Biegeschwingung skno ten) bildet.

Für die so bestimmte Erregerfrequenz gilt X_kg =&o (Sondenresonanz) und dies tritt dann ein, wenn:

(4) Q-S—oCtgoi. - K

Die Bedingung für X,—? o° ist mit Gleichung (1) identisch. Man erhält auf diese Weise den korrekten Wert für K, wie man ihn bei unendlicher Prüfkörperreaktanz finden würde, d.h. also unabhängig von der tatsächlichen Reaktanz des Prüfkörpers.

Theoretisch müßte V ganz gegen Null gehen, wenn Sondenresonanz eintritt. In der Praxis zeigt sich jedoch, daß V wegen der immer vorliegenden Dämpfung am Resonanzpunkt nur ein relatives Minimum aufweist, das umso schärfer ausgepräfgt ist, je kleiner

- 5 oder je biegsamer der Prüfkörper ist.

Die Messung der Schnellen V bzw. V und V_e erfolgt durch

P P ^s

Messung der Schwingungsamplituden, die durch bekannte Maßnahmen beispielsweise in elektrische Spannungswerte umgewandelt werden können, die nachfolgend mit e und e bezeichnet werden.

Die Bedingung V —* 0 ist strenggenommen nur am Aufsetzpunkt der Sonde erfüllt. Aus diesem Grund soll die Messung von V in unmittelbarer Nähe dieses Aufsetzpunktes erfolgen. Andererseits müssen sowohl die Anregung als auch die Messung von V außerhalb der Kontaktzone stattfinden, da sonst die Frequenzmessung mit einem systematischen Fehler behaftet ist. Während die plastischen Verformungen räumlich sehr begrenzt sind, reichen die elastischen Verformungen bzw_o die von der Anregungszone ausgehenden elastischen Wellen theoretisch bis ins Unendliche, sofern der Prüfkörper von unendlicher Ausdehnung ist= und demnach erstreckt sich die Kontaktzone gemäß obiger Definition bis in das Unendliche. Da aber die Größe der elastischen Verformungen mit dem Quadrat des Abstandes vom Aufsetzpunkt abnimmt, sind ihre Auswirkungen in verhältnismäßig geringem Abstand vom Aufsetzpunkt nicht mehr nachweisbar. Es ist daher zweckmäßig, als praktischen Wert für den Halbmesser der Kontaktzone den Abstand vom Aufsetzpunkt der Sonde anzusehen, bei dem die örtlichen, elastischen Verformungen des Materials auf 1% des am Aufsetzpunkt vorhandenen Wertes abgefallen sind. Unter Berücksichtigung dieser Bedingungen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Abstand des Punktes,an dem die mechanischen Schwingungen im Prüfkörper angeregt werden, vom Aufsetzpunkt der Sonde größer ist als das Zehnfache des Halbmessers der Kontaktzone·

Es hat sich weiterhin als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Abstand des Punktes, an dem die Schwxngungsamplitude am Prüfkörper gemessen wird, vom Aufsetzpunkt der Soiie kleiner ist als λ/4, wenn % die Wellenlänge des zur Messung^ be-

nutzten Wellentyps im Material ist, aber nicht kleiner als das Zehnfache des Halbmessers der Kontaktzone.

In Fig. 1 der Zeichnungen ist ein typischer Verlauf der Amplituden e und e in der Umgebung der Resonanzstelle der Sonde s ρ

dargestellt. Im allgemeinen ist bei kleinen oder biegsamen Prüfkörpern das Minimum der Kurve e sehr viel schärfer ausgeprägt als das Maximum der Kurve e was die Meßgenauigkeit stark erhöht, wenn, wie beabsichtigt, auf das Minimum von e abgestimmt wird.

Auch kann unter bestimmten Bedingungen das Maximum der Kurve e gegen das Minimum der Kurve- e in der Frequenz verschoben sein. Maßgebend für die Messung ist aber immer die Lage des Minimums für e_p.

Um das gesuchte Minimum von e von anderen Minima zu unter—

P
scheiden, die außerhalb der Sondenresonanz auftreten können, wenn an der Meßstelle ein Schwingungsknoten einer im Prüfling angeregten Biegewelle liegt, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn gleichzeitig mit der Amplitude der Schwingungen im Prüfkörper die Resonanzamplitude (e ) der Sonde gemessen und.die Frequenz bestimmt wird, bei der das Verhältnis (e /e ),_d.h. Prüfkörperamplitud
amplitude, ein Minimum aufweist.

(e /e ),_d.h. Prüfkörperamplitude geteilt durch Resonanzsonden-

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine zu Längsschwingungen erregbare, im wesentlichen stabförmige-Sonde verwendet. Die Anregung des Prüfkörpers erfolgt dann zweckmäßigerweise so, daß die Amplitude^ der Schwingungen mindestens in der Umgebung des Aufsetz— punktes der Sone eine Komponente in der Richtung aufweist, für die die Sonde ihre, größte Empfindlichkeit besitzt und im Resonanzzustand der Sonde diese Amplitudenkomponente im Prüfkörper in unmittelbarer Nähe des Aufsetzpunktes gemessen wird.

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Anstelle von Längsschwingungen können aber auch Biege-, Transversal-, Radial- und Torsionsschwingungen vorteilhaft eingesetzt werden.

Aus der nach dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren bestimmten Frequenz kann nach Gleichung (1) die gewünschte Oberflächeneigenschaft des Prüfkörpers ermittelt werden.

Es wird noch besonders darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht notwendig bei Ultraschallfrequenzen ausgeübt werden muß, wie dies bei bekannten Verfahren zur Verringerung des Fehlergliedes in der Gleichung (2) der Fall war. Es kann-vielmehr in jedem geeigneten Frequenzbereich gearbeitet werden.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer im wesentlichen stabförmigen, auf den Prüfkörper aufsetzbaren Resonanzsonde, sowie Vorrichtungen zur Bestimmung der Schwingungsamplitude der Resonanzsonde. Gemäß der weiteren Erfindung ist die Einrichtung allgem^en gekennzeichnet durch eine weitere auf den Prüfkörper aufsetzbare Hilfssonde, sowie Vorrichtungen zur Bestimmung der Schwingungsamplitude der Hilfssonde und schließlich Vorrichtungen zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen und zur Übertragung dieser Schwingungen auf den Prüfkörper. Dabei darf die Hilfssonde in dem verwendeten Frequenzbereich keine Resonanz besitzen.

Selbstverständlich sind auch andere als stabförmig ausgebildete Resonanzsonden verwenbar.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Einrichtung ist die Hilfssonde im wesentlichen ringförmig ausgebildet, und Re-Bonanzsonde und Hilfssonde sind koaxial zueinander auf die gleiche Oberfläche des Prüfkörpers aufsetzbat·.

Pur relativ dünne plattenförraige Prüfkörper wird eine andere

·· ο —

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Ausführungsform vorgeschlagen, bei der die Resonanzsonde auf die eine Plattenseite aufsetzbar ist, während die Hilfssonde fluchtend zur Resonanzsonde auf die andere der ersten gegenüberliegenden Plattenseite aufsetzbar ist.

Für im wesentlichen stab- oder drahtförmige Prüfkörper ist eine Ausführungsform vorteilhaft, bei der die Resonanzsonde auf die Stirnseite des einen Endes des Stabes aufsetzbar ist, während die Hilfssonde als den Stab in der Nähe dieses Endes umgebende Manschette ausgebildet ist, oder auch in Zangenform, in Form einer Schraubzwinge oder als Spannfutter.

Die Vorrichtung zur Übertragung der Schwingungen auf den Prüfkörper kann beispielsweise als zu mechanischen Schwingungen erregbares Auflagegestell für den Prüfkörper ausgebildet sein. Sie kann aber auch als eine weitere Anregungssonde ausgebildet sein, die auf den Prüfkörper aufsetzbar ist. Wenn mit einer derartigen Anregungssonde gearbeitet wird, kann diese im wesentlichen ringförmig ausgebildet sein und Anregungssonde und Resonanzsonde können koaxial zueinander auf die gleiche Oberfläche des Prüfkörpers aufsetzbar sein. Bei plattenförmigen Prüfkörpern kann aber auch die Resonanzsonde auf die eine Plattenseite aufsetzbar sein, während die Anregungssonde fluchtend zur Resonanzsonde auf die andere der ersten gegenüberliegenden Plattenseite aufsetzbar ist.

Besteht der Prüfkörper aus einem magneto- oder elektrostriktiven oder aus ferromagnetischem Material, so kann auf ein die mechanischen Schwingungen übertragendes Auflage/igestell oder eine eigene Anregungssonde verzichtet werden. Die Schwingungen können dann über entsprechende Anregungsvorrichtungen direkt im Prüfkörper erzeugt werden.

Im folgenden werden anhand der beigefügten Figuren 2 bis 10 Ausführungsbeispiele für Einrichtungen zur Durchführung des Erfindungsgemäßen Verfahrens näher beschrieben.

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Dabei sind in den Zeichnungen die Einrichtungen in stark schematisierter Weise dargestellt und es gelangen nur die für die Erfindung unmittelbar wichtigen Einzelteile der Einrichtungen j zur Dar r ·.·:. llung, insbesondere sind alle Vorrichtungen zur j Erzeugung von Spannungen, zur Messung von Amplituden und : Frequenzen nicht dargestellt. Es können hier jeweils übliche im Handel erhältliche Vorrichtungen verwendet werden.

Fig. 2 zeigt eine Einrichtung zur Untersuchung von plattenförmigen Prüfkörpern unterschiedlicher Dicke.

Fig. 3 und 4 zeigen eine Einzelheit der Einrichtung nach Fig. 2 im Vertikalschnitt bzw. einer Ansicht von unten.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Einrichtung für plattenförmige : Prüfkörper sehr geringer Plattenstärke, beispielsweise Rasier— klingen im Vertikalschnitt bzw. in Draufsicht.

Fig. 7 -zeigt eine Variante der Einrichtung nach den Fig. 5 und 6.

Fig. 8 zeigt eine Einrichtung für stab- oder drahtförmige

Prüfkörper.

j Fig. 9 zeigt eine Einrichtung für Prüfkörper verschiedener ; Gestalt und Dicke, insbesondere für Hohlkörper.

! Fig. 10 zeigt eine Einrichtung für plattenförmige Prüfkörper.

In Fig_o 2 ist eine Einrichtung dargestellt, mit der insbesondere plattenförmige Prüfkörper verschiedener Dicke auf ihre Oberflächeneigenschaften hin untersucht werden können. Der Prüfkörper 1 ist dabei auf ein als C-förmiger magnetostriktiver Wandler ausgebildetes Untergestell 2 aufgelegt, das über eine Spule 3, an die eine Wechselspannung U angelegt ist, zu Schwingungen angeregt wird, deren Amplituden in Richtung der Pfeile A verlaufen. An den Auflageflächen übertragen sich diese Schwingungen auf den Prüfkörper 1. Auf die obere Oberfläche des Prüfkörpers 1 ist eis Resonanzsonde 4 aufgesetzt, die in nicht eigens dargestellter Weise in einem Gehäuse 5 ge— haltert ist. Die Resonanzsonde 4 besteht aus magnetostriktivem

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Material, beispielsweise aus Nickel, Nickel-Eisen- oder Nickel-Kobalt-Legierungen oder anderen geeigneten Metallen. Als besonders vorteilhaft hat sich für diesen Zweck eine unter der Bezeichnung Ni-Span-C bekannte Legierung, deren Hauptbestandteile 42% Ni + Co, 48,5% Fe, 5% Cr und 2,5% Ti sind_? erwiesen. Sie besitzt an ihrem unteren Ende eine Spitze, die mit einer konstanten Kraft gegen die Oberfläche des Prüfkörpers gedrückt wird. Die Resonanzsonde 4 wird vom Prüfkörper 1 zu Längsschwingungen angeregt, deren Amplitude durch eine Spule 6, an der eine Signalspannung e abgenommen wird, gemessen werden kann. An ihrem unteren Ende ist die Resonanzsonde 4 umgeben von einer rohrförmigen Hilfssonde 7, die durch eine Feder 8 ebenfalls auf die Oberfläche des Prüfkörpers 1 gedrückt wird. Der Aufbau der Hilfssonde 7 ist in den Fig. 3 und 4 näher dargestellt. Die Hilfssonde 7 weist an ihrer Unterseite zwei Spitzen 7a auf, mit der sie auf der Oberfläche des Prüfkörpers aufsitzt. Es können an dieser Stelle selbstverständlich auch mehr als zwei Spitzen, beispielsweise drei Spitzen im Winkelabstand vonl20 angeordnet sein. Die Spitzen 7a bestehen aus hartem Material und sind fest verbunden mit einem Kontaktring 7b. Der Kontaktring 7b ist über einen weiteren Ring 7c, der aus einem piezoelektrischen, keramischen Material besteht, verbunden mit dem rohrförmigen Teil 7d, auf dessen Oberseite die Feder 8 aufspitzt und eine gegen den Prüfkörper 1 gerichtete Kraft F ausübt, durch die die Spitzen 7a auf die Oberfläche des Prüfkörpers 1 aufgedrückt werden. Die von der Oberfläche des Prüfkörpers 1 über dJ e Spitzen 7a auf den Kontaktring 7b übertragenen Schwingungen erzeugen in dem Teil 7c Schwingungen, die aufgrund der Zusammensetzung des Materials ein von der Schwingungsaraplxtude abhängiges Spannungssignal e erzeugen, das gemessen werden kann. Die Frequenz der Anregungsspannung U wird variiert bis die Resonanzsonde 4 in Resonanz gerät (Maximum e ) und genau der Punkt eingestellt, an dem die Spannung e ein Minimum aufweist. Selbstverständlich kann durch geeignete elektronische Vorrichtungen auch gleich das Verhältnis e zu e ermittelt und dessen Miniraum bestimmt werden.

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In den Figuren 5 und 6 ist eine Ausführungsform der Einrichtung dargestellt, die vor allem für die Untersuchung von sehr dünnen Platten, beispielsweise Rasierklingen, geeignet ist. Der Prüfkörper 11 liegt hier auf einem topfförmigen Untergestell 12 auf, welches über eine Wicklung 13, an die die Spannung U angelegt ist, zu Schwingungen angeregt wird, die sich auf den Prüfkörper 11 übertragen. Die Resonanzsonde 14, die an einem bund 14a in nicht näher dargestellter Weise gehaltert ist, ist auf die Oberseite des Prüfkörpers 11 aufgesetzt, und über eine Wicklung 16 wird das der Schwingungsamplitude der Resonanzsonde entsprechende Signal e abgenommen. Unterhalb des Prüfkörpers 11 ist die Hilfssonde 17 fluchtend zur Resonanzsonde 14 angeordnet, die gleichzeitig als Unterstützung für den dünnen Prüfkörper 11 dienen kann. Sie ist in eine Unterstützung 18 aus isolierendem Material eingesetzt und besteht zweckmäßigerweise wieder aus piezoelektrischen Material. Über eine nach außen geführte Leitung wird das der Schwingungs— amplitude entsprechende Signal e abgenommen. Die notwendige Kontaktkraft zwischen dem Untergestell 12 und dem Prüfkörper kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die Kontaktfläche der Hilfssonde 17 auf ein etwas tieferes Niveau eingestellt wird als die obere Oberfläche des Untergestells 12, und über die Resonanzsonde 14 eine nach unten gerichtete Kraft ausgeübt wird. Es kann aber auch durch einen zusätzlich durch die Wicklung geschickten Gleichstrom ein magnetisches Gleichfeld erzeugt werden, durch das ein aus ferromagnetischem Material bestehender Prüfkörper 11 fest an die Kontaktflächen angepreßt wird. Bei dieser Ausführungsform werden die Signale e und e an zwei verschiedenen, einander gegenüberliegenden Oberflächen des Prüfkörpers 11 abgenommen.

Auch die in Fig. 7dargestellte Einrichtung eignet sich # vor allem zur Untersuchung kleiner und dünner Prüfkörper. Sie weist einen im wesentlichen C—förmig ausgestalteten Rahmen auf, der aus einem Obergestell 25 und einem Untergestell 22 besteht, wobei das Obergestell 25 über einen Zapfen 25a gleitend im Untergestell 22 geführt ist. Der Prüfkörper 21 ist an einem

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fest mit dem Untergestell 22 verbundenen Spannfutter 29 befestigt, an dessen Oberseite ein Bauteil aus piezoelektrischem /keramischen Material 23 angeordnet ist, das durch die angelegte Spannung U zu Längsschwingungen erregt werden kann_o Durch die einseitige Befestigung des Bauteils 23 am Spannfutter 29 wird dieses im Bereich der Einspannstelle des Prüfkörpers 21 zu Transversalschwingungen erregte Die Resonanzsonde 24, die auf den Prüfkörper 21 von oben aufgesetzt ist, besitzt einen Bund 24a, mit dem sie über einen elastischen Gummiring 20 im Obergestell 25 gehaltert ist. Die zwischen Resonanzsonde 24 und Prüfkörper 21 erforderliche Andruckkraft wird erzeugt durch eine zwischen dem Obergestell 25 und dem Untergestell 22 angeordnete Feder 30. Die Amplitude der Resonanzsonde 24 wird als Spannungssignal e .von einer Wicklung 26 abgenommen. An der Unterseite des Prüfkörpers 21 ist die Hilfssonde 27 aus piezoelektrischem Material angeordnet, die über einen Isolator 28 mit dem Untergestell 22 verbunden ist. Über eine nach außen geführte Leitung wird das Signal e abgenommen· Auch bei dieser Vorrichtung werden also die beiden Signale e und e auf verschiedenen Oberflächen des Prüf-r körpers abgenommen_o

In Fig_o 8 ist eine Ausführungsform dargestellt, die zur Untersuchung von sehr langgestrecktem, insbesondere von stab— förmigem Material besonders geeignet ist_o Der Prüfkörper 31 wird bei diesem System an seiner Mantelfläche in eine Halterung 32 eingespannt, die über eine Wicklung 33 durch die Spannung U so zu Schwingungen angeregt wird, daß im Prüfkörper 31 Longi— tudinalschwingungen entstehen_o Die Resonanzsonde 34 ist.auf eine Stirnfläche des Prüfkörpers 31 aufgesetzte Sie ist mit ihrem.Bund 34a über einen Gummiring 39 an einem Bauteil 35 gehaltert, auf das eine Kraft in Pfeilrichtung F. ausgeübt wird. Das an der Resonanzsonde. 34 entstehende Signal wird als Spannungssignal e über die Wicklung 36 abgenommen. Die Hilfssonde ist als die Mantelfläche des Prüfkörpers 31 umfassende Manschette 37 aus piezoelektrischem.Material in der Nähe des Endes des Prüfkörpers 31 angeordnet und fest mit einer

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Hülse 38 verbunden. Das Signal e wird über eine nach außen geführte Leitung abgenommen. Die Reibungskräfte zwischen der Hilfssonde 37 und dem Prüfkörper 31 müssen so groß sein, daß kein Gleiten auftreten kann, wenn die belastende Kraft an den Prüfkörper 31 angelegt wirdo Die Entfernung /^. zwischen der Kontaktfläche 32a, über welche die Anregung erfolgt, und der Hilfssonde 37 ist nicht kritische Es gibt allerdings Werte von <Q , bei denen besonders günstige Bedingungen vorliegen. Bei dieser Ausfü/hrungsform der Einrichtung werden die Signale e und.e an zwei verschiedenen Flächen abgenommen, die sich nicht gegenüberliegen_o

In Pig_o 9 ist eine Einrichtung dargestellt, bei der sowohl die Anregung als auch die Abnahme der Signale e und e an der gleichen Seite des Prüfkörpers durchgeführt wird· Die Einrichtung ist für verschiedene Typen von Prüfkörpern geeignet, vor allem für Prüfkörper, bei denen man aufgrund ihrer Dicke oder ihrer Gestaltung die Hilfssonde nicht ohne weiteres an einer der Resonanzsonde gegenüberliegenden Fläche anordnen kann. In dem in Fig_o 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Untersuchung eines rohrförmigen Prüfkörpers 41 dargestellt. Auf den Prüfkörper 41 ist die Resonanzsonde 44 aufgesetzt, die mit ihrem Bund 44a in nicht näher dargestellter Weise innerhalb eines Gehäuses 45 gehaltert ist. Das Signal e wird über eine

Wicklung 46 abgenommene Die Anregung des Prüfkörpers 41 geSchneiden schieht über eine ringförmige Anregungssonde 42, die aufweist, welche auf der Oberfläche des Prüfkörpers 41 aufsitzen. Die Anregungssonde 42 ist an einem Ring 43 aus piezoelektrischem, keramischen Material befestigt,. das durch die Spannung U in Schwingungen versetzt wirdo Die Hilfssonde 47 ist ähnlich ausgebildet, wie die Hilfssonde 7 der Fig_o 3 und Sowohl die Anregungssonde 42 als auch der Kontaktring der Hilfssonde 47 können entweder mit Spitzen oder mit ringförmigen Schneiden versehen sein, je nach dem angestrebten Verwendungszwecke Die Hilfssonde 47 ist innerhalb des Gehäuses 45 angeordnet und die Resonanzsonde 44 steht koaxial zu der Anregungs— sonde 42 und der Hilfssonde 47_O Dabei ist der Abstand der

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bzw. Schneiden
Spitzen/der Hilfssonde 47 von der Resonanzsonde 44 wesentlich kleiner als der Abstand der Anregungssonde 42 von der Resonanz— sonde 44_O Das Signal e„ wird.über eine nach außen geführte leitung abgenommen. Die Hilfssonde 47 wird durch eine zwischen ihr und dem Gehäuse 45 angeordnete Feder 48 auf die Oberfläche des Prüfkörpers 41 gedrückt.

In Fig. 10 ist schließlich eine Einrichtung beschrieben, bei der auf den Prüfkörper 51 auf der einen Seite die Resonanz— sonde 54 und. die Hilfssonde 5 7 aufgesetzt sind und auf der anderen Seite fluchtend zur Resonanzsonde 54 eine Anregungs— sonde 52· Das die Schwingung in der Anregungssonde.52 erzeugende Spannungssignal U wird über.eine Wicklung 53 zugeführto Die Resonanzsonde 54 ist mit ihrem Bund 54a in nicht besonders dargestellter Weise gehaltert und das Signal e wird über eine Wicklung 56 abgenommene Die Hilfssonde 57 umgibt die Resonanz— sonde 54 ringförmig und kann, ähnlich ausgestaltet sein, wie in den Fig· 3, 4 und 9_O Bei dieser Au sf ührungs form liegt der Anregungspunkt im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Aus— führungsformen dicht vor dem Aufsetzpunkt der Resonanzsonde 54_O Es wird in diesem Zusammenhang noch einmal darauf hingewiesen, daß auch bei dieser Ausführungsform weder die Anregungssonde 52, noch die Hilfssonde 57 Resonanzsonden sind? d.h· daß sie mindestens in. dem meßtechnisch ausgenutzten Resonanzbereich der Resonanzsonde 54 keine Resonanz zeigen.

Die in Figur 10 dargestellte Einrichtung bietet u.a. die Möglichkeit, bei entsprechender Ausbildung der Sonden die Funktionen der Hilfssonde 5 7 und,der Anregungssonde 52 zu vertauschen, d.h. es kann die Anregung des Prüfkörpers 51 auch über die Sonde 57 erfolgen und die Sonjs 52 als Hilfssonde eingesetzt werden_o

Bei einer anderen mit dieser Einrichtung verwirklichbaren Möglichkeit werden die Funktionen der Sonden 54 und 52 vertauscht, was bei entsprechender Ausbildung der Sonden gleichfalls möglich ist.ZU diesem Zweck muß nur die Sonde 52 in

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ähnlicher Weise ausgebildet sein, wie die Sonde 54, d_oh. sie muß eine definierte Kontaktfläche besitzen und mit einer definierten KontaktKraft an den Prüfkörper 51 angedrückt sein_o Mit einer solchen Anordnung kann die Härte des Prüfkörpers auf beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen bestimmt werden, ohne daß der Prüfkörper hierzu umgedreht werden muß. Es genügt, einfach durch einen Schaltungsvorgang die Punktion der beiden Sonden 54 und 52 zu vertauschen.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

^l·1Verfahren zum Prüfen und Messen von Oberflächeneigenschaften — fester Körper in kleinen Bereichen, z.B. der Härte, bei dem eine zu. ungedämpften mechanischen Schwingungen erregbare Sonde mit einer definierten Kontaktfläche aus relativ hartem Material mit einer bestimmten Kontaktkraft auf die Oberfläche des Prüfkörpers aufgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper außerhalb der Kontaktzone der Sonde zu mechanischen Schwingungen erregt wird, wobei die Erregerfrequenz variiert wird, bis der von der mechanischen Kopplung mit dem Prüfkörper abhängige Resonanzzustand der Sonde hergestellt, ist, und daß im Resonanzzustand der Sonde in unmittelbarer Nähe des Aufsetzpunktes der Sonde, aber außerhalb der Kontaktzone, die Schwingungsamplitude am Prüfkörper gemessen und diejenige Frequenz bestimmt wird, bei der diese Amplitude ein Minimum aufweist, wobei die Differenz zwischen der so bestimmten Frequenz und der entsprechenden Resonanzfrequenz der freien Sonde als Maß für die Oberflächeneigenschaften des Prüfkörpers diento

2ο Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des.Punktes, an dem die mechanischen Schwingungen im Prüfkörper angeregt werden, vom Aufsetzpunkt der Sonde größer ist als das Zehnfache des Halbmessers der Kontaktzoneο

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand.des Punktes, an dem die Schwingungsamplitude am Prüfkörper gemessen wird, vom Aufsetzpunkt der Sonde am Prüfkörper kleiner ist als ^ /4, wenn \ die Wellenlänge des zur Messung benutzten Wellentyps im Material ist, aber nicht kleiner als das. .Zehnfache des Halbmessers der Kontaktzoneο

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Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß gleichzeitig mit der Amplitude der Schwingungen im Prüfkörper die Resonanzamplitude der Sonde gemessen und die Frequenz bestimmt wird, bei der das Verhältnis der Amplitude der Schwingungen im Prüfkörper zur Resonanzamplitude der Sonde ein Minimum aufweist.

5ο Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung des Prüfkörpers so erfolgt, daß die Amplitude der Schwingungen mindestens in der Umgebung des Aufsetzpunktes der Sonde eine Komponente in der Richtung aufweist, für die die Sonde ihre größte Empfindlichkeit besitzt und im Resonanzzustand der Sonde diesel Amplituden— komponente im Prüfkörper in unmittelbarer Nähe des Aufsetzpunktes gemessen wird.

6ο Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer im wesentlichen stabförmigen, auf den Prüfkörper aufsetzbaren Resonanzsonde, sowie Vorrichtungen zur Bestimmung der SchwingungSamplitude der Resonanzsonde, gekennzeichnet durch eine weitere auf den Prüfkörper (1, 11,., 21, 31,41, 51) aufsetzbare Hilfssonde (7, 17, 27,-37, 47, 57), sowie Vorrichtungen-zur Bestimmung der Schwingungsamplitude der Hilfssonde und Vorrichtungen (2, 12, 22, 32, 42, 52) zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen und zur Übertragung dieser Schwingungen auf den Prüfkörperο

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfssonde (7, 47, 5 7) im wesentlichen ringförmig ausgebildet ist.und Resonanzsonde (4, 44, 54) und Hilfssonde koaxial zueinander auf die gleiche Oberfläche- des Prüfkörpers (1, 41, 51) au#fsetzbar, sind«,

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8· Einrichtung nach Anspruch 6 für im wesentlichen platten— förmige Prüfkörper, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzsonde (14, 24) auf die eine Plattenseite aufsetzbar ist, während die Hilfssonde (17, 27) fluchtend zur Resonanzsonde auf die andere.der ersten gegenüberliegenden Plattenseite aufsetzbar ist_o

ο Einrichtung nach Anspruch 6 für im wesentlichen stab— oder drahtförmige Prüfkörper, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzsonde.. (34) auf die Stirnseite des einen Endes des Stabes (31) aufsetzbar ist, während die Hilfssonde (37) als den Stab (31) in der Nähe dieses Endes umgebende Manschette aus piezoelektrischem Material ausgebildet ist_o

10.Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Übertragung der Schwingungen auf den Prüfkörper als zu mechanischen Schwingungen erregbares Auflagegestell (2, 12, 23, 32) für den Prüfkörper ausgebildet ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Übertragung-der Schwingungen auf den Prüfkörper als eine weitere Anregungsgonde (42, 52) ausgebildet ist, die auf den Prüfkörper (41, 51) aufsetzbar ist.

12o Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Anregungssonde (42) im wesentlichen ringförmig ausgebildet ist und Amregungssonde (42) und Resonanzsonde (44) koaxial zueinander auf die gleiche Oberfläche des Prüfkörpers (41) aufsetzbar sind.

13ο Einrichtung nach Anspruch 11 für im wesentlichen plattenförmige Prüfkörper, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzsonde (54) auf die eine Plattenseite aufsetzbar ist, während die Anregungs sonde (52.) fluchtend zur Resonanzsonde auf die andere der ersten gegenüberliegenden Plattenseite aufsetzbar ist_o

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