DE2605739A1

DE2605739A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen der oberflaechenhaerte eines werkstueckes

Info

Publication number: DE2605739A1
Application number: DE19762605739
Authority: DE
Inventors: Bernard John Ince
Original assignee: Girlock Ltd
Current assignee: Girlock Ltd
Priority date: 1975-02-21
Filing date: 1976-02-13
Publication date: 1976-09-02
Also published as: DE2605739B2; GB1480996A; DE2605739C3; IT1062858B; SE418224B; US4040291A; FR2301820A1; FR2301820B1

Description

UEXKÜLL & STOLBERG PATENTANWÄLTE

2 HAMBURG 52

BESELERSTRASSE A

DR. J. D. FRHR. von UEXKÜLL

DR. ULRICH GRAF STOLBERQ DIPL.-ING. JÜRGEN SUCHANTKE

Girlock Limited .. (Prio: 21. Februar 1975

36-40 Harp Street, Australien PCO684/75 -

Belmore, New South Wales, 12837)

Australien

Hamburg, den 12. Februar 1976

Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Oberflächenhärte eines Werkstückes

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Oberflächenhärte eines Werkstückes mittels eines Eindringkörpers, und zwar zum Messen der Oberflächenhärte sowohl von harten Materialien, wie etwa Stahl und Gußeisen, als auch von weichen Materialien, beispielsweise Blei.

Die Oberflächenhärte von Materialien wie etwa Stahl und Gußeisen wird normalerweise nach dem Brinell-Verfahren gemessen, bei dem eine gehärtete Stahlkugel bestimmten Durchmessers mittels einer Standardbelastung in die Oberfläche einer Probe eingedrückt wird, deren Härte gemessen werden soll, und es wird dann mittels eines Mikroskopes der Durchmesser des erzeugten Eindruckes gemessen.

609838/0285

< Jt.

Der normale Ablauf für eine Brinell-Prüfung der Härte von Stahl oder Eisen umfaßt die folgenden Schritte:

1. Glätten der zu prüfenden Oberfläche durch Feilen, Schleifen o.a.

2. Eindrücken einer gehärteten Stahlkugel von 5 mm Durchmesser mit einer Kraft von 750 Kg oder einer gehärteten Stahlkugel von 10 mm Durchmesser mit einer Kraft von 3000 Kg in die Oberfläche der Probe.

3. Messen des Durchmessers des von der Kugel erzeugten Eindruckes mittels eines Mikroskopes.

4. Bestimmung der Brinell-Härtezahl aus Tabellen aufgrund des gemessenen Durchmessers.

Im Rahmen eines Fertigungsverfahrens handelt es sich hierbei um einen verhältnismäßig zeitaufwendigen Vorgang, und es ist daher Aufgabe der Erfindung, sowohl ein Verfahren als auch eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Messung der Oberflächenhärte schneller durchgeführt werden kann, und insbesondere soll die Messung automatisch innerhalb eines Fertigungsablaufes erfolgen können.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Messen der Oberflächenhärte eines Werkstückes durch Aufbringen einer vorge-

609836/0285

2bu5739

gebenen Belastung auf einen auf die Werkstückoberfläche aufgesetzten Eindringkörper erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Eindringkörper verwendet wird, der in seinem in Berührung mit der Werkstückoberfläche kommenden Teil mindestens eine Austrittsöffnung aufweist, die beim Eindringen in die Werkstückoberfläche teilweise abgedeckt wird,.daß durch die teilweise abgedeckte Austrittsöffnung ein unter Druck stehendes Fluid gepreßt wird und daß zur Bestimmung der Oberflächenhärte die Strömungsrate des Fluides durch die teilweise abgedeckte Austrittsöffnung gemessen wird.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Messen der Oberflächenhärte mit einem Eindringkörper, der auf die Oberfläche eines Werkstücks aufsetzbar und auf den eine vorbestimmte Last aufbringbar ist, die sich dadurch auszeichnet, daß im Eindringkörper mindestens ein Durchlaß vorgesehen ist, dessen Austrittsöffnung sich im Bereich der Eindringfläche des Eindringkörpers befindet und dessen Eintrittsöffnung mit einer Quelle für unter Druck stehendes Fluid und einem Druckmeßgerät zur Messung der Strömungsrate des Fluids durch die Austrittsöffnung verbindbar ist.

Es ist im übrigen bereits bekannt, die Größe eines Spaltes oder einer Öffnung dadurch zu messen, daß man durch sie unter vorbestimmten Bedingungen Luft hindurchströmen läßt und

609836/0285

die Rate der hindurchgetretenen Luft mißt. Insoweit benutzt die Erfindung also Merkmale einer Brinell-Härtemessung und Merkmale des Verfahrens der Messung der Größe von öffnungen mittels eines Luftstromes.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Figur 2 zeigt vergrößert einen Schnitt durch einen Eindringkörper für die Vorrichtung gemäß Figur 1.

Figur 3 zeigt im Schnitt den Einsatz der Erfindung als Härteanzeiger in einer Werkzeughalterung.

Figur 4 zeigt in einem Diagramm den Arbeitsbereich einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Figur 5 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Brinell-Härtezahl und dem Eindruckdurchmesser der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Figur 6 zeigt in einer Vergleichsdarstellung die mittels der Erfindung und die mittels üblicher Brinell-Härtemeßgeräte erzielten Ergebnisse.

809836/0285

Die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung besteht aus einer hydraulischen Presse 10 mit Amboß 11, deren Druck veränderbar ist. Vorzugsweise ist der gewünschte Druck innerhalb + 1 % reproduzierbar. Da für die Erfindung eine übliche hydraulische Presse benutzt werden kann, ist eine ins Einzelne gehende Beschreibung nicht erforderlich. In der Presse ist ein Eindringkörper 12 befestigt, der vergrößert im Schnitt in Figur 2 dargestellt ist. Er besteht beispielsweise aus einem Körper aus gehärtetem Werkzeugstahl (minimale Vickers-Härte 850) oder Wolframcarbid, wobei Wolframcarbid bevorzugt wird.

In einem Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung bestand der Eindringkörper gemäß Figur 2 aus einem Material in Form eines Kreisschnittes mit einem Durchmesser von 1,27 cm und wies am Ende eine ebene Fläche 13 senkrecht zu seiner Achse auf, während das andere Ende einen teilkugelförmigen Bereich 14 mit einem Radius von 5 mm hatte. Eine axiale Mittelbohrung 15 mit einem Durchmesser von 1,52 mm verlief durch den Hauptteil des Eindringkörpers und war am oberen Ende mittels eines Stopfens 16 verschlossen. Am unteren Ende verzweigte sich die Bohrung 15 zu zwei gleichen Durchlässen 17 und 18 mit jeweils einem Durchmesser von 0,69 mm, deren Achsen unter einem Winkel von 37° 20' verliefen. Die öffnungen der Durchlässe 17 und 18 lagen in der teilkugelförmigen Fläche 14, und die Mitten dieser Öffnungen hatten einen Abstand von 3,2 mm voneinander. Mit der Bohrung 16 war eine sich radial erstreckende Boh-

609836/0285

rung 19 verbunden. Die Gesamtlänge des Eindringkörpers betrug etwa 19 mm.

Der Eindringkörper 12 ist in einer entsprechenden Halterung 20 befestigt, und die Bohrung 19 wird über einen Schlauch 21 mit einem Sheffield-Einsäulendruckregler mit 5000:1 Verstärkungsrohr verbunden, und der Druckregler ist über einen Schlauch 23 an die üblicherweise zur Verfügung stehende Druckluftleitung angeschlossen.

Das Prüfteil 24 wurde auf den Amboß 11 gelegt, so daß sich seine obere Prüffläche mit einer Abweichung von weniger als 5 senkrecht zur Achse des Stempels der Presse erstreckte.

Um die Härte des Prüfmaterials zu messen, wird auf den Eindringkörper ein vorbestimmter Druck ausgeübt, so daß er in die Oberfläche des Prüfteils eingedrückt wird. Wenn der teilkugelförmige Bereich 14 des Eindringkörpers in das Prüfmaterial gelangt, werden die Öffnungen der Durchlässe 17 und 18 in Abhängigkeit von der Eindringtiefe des Eindringkörpers und damit in Abhängigkeit von der Härte des Prüfmaterials ganz oder teilweise verschlossen. Es hat sich gezeigt, daß der Umfang der Abdeckung der Öffnungen ein Maß für den Durchmesser des im Prüfmaterial erzeugten Eindruckes und damit ein Maß für die Härte ist. Dieser Umfang der Abdeckung wird mittels des Druckreglers bzw. des

609836/0285

26Uo739

Druckmessers 22 bestimmt, der den von der Abdeckung der Öffnungen erzeugten Widerstand gegen Luftaustritt mißt. Es hat sich herausgestellt, daß die erforderliche Zeitspanne zur Ablesung der Härte bei diesem Verfahren weniger als 3 Sekunden beträgt. Ferner hat sich gezeigt, daß bei einer Aufbringzeit von 10 Sekunden für den Eindringkörper die angezeigte Brinell-Härte bis zu fünf Brinell-Härtezahlen verringert wird, doch reicht für alle praktischen Anwendungsfälle die kürzere Zeitspanne aus.

Selbstverständlich muß die Vorrichtung geeicht werden, und dies erfolgt mittels Avery-Brinell-Prüfblöcken oder durch direkte Brinell-Mikroskopmessung. Das letztgenannte Verfahren erfordert die Berechnung aufgrund der Brinell-Formel, falls eine andere Belastung als die Brinell-Standardlast verwendet wird.

Härtemessungen mittels der Erfindung können an "gußrohen" Oberflächen mit einem durchschnittlichen Oberflächenzustand durchgeführt werden, und es hat sich gezeigt, daß man eine Genauigkeit von. + 30 Brinell-Härtezahlen erreichen kann, was ausreicht, um beispielsweise einen Hartguß zu ermitteln, dessen Brinell-Härtezahl etwa 4OO beträgt, während der Normalbereich in der Größenordnung von 210 bis 280 Brinell-Härte liegt. Wenn jedoch die Gußoberfläche beispielsweise spanabhebend bearbeitet ist, lassen sich ohne zusätzliche Kosten oder mit geringem Aufwand genauere Ergebnisse erzielen.

609836/0285

Figur 6 zeigt die Ergebnisse stündlicher Probennahmen bei kontinuierlichem Gebrauch. Die Beobachtungsfrequenz ist auf der senkrechten Achse aufgetragen, und die Differenz der Brinell-Härtezahl bei Benutzung der erfindungsgemäße Vorrichtung gegenüber den üblichen Verfahren ist auf der horizontalen Achse angegeben. Bei der Ermittlung dieser Ergebnisse ist zu berücksichtigen, daß es nicht möglich ist, die Brinell-Härte zweimal an derselben Stelle zu prüfen, und verglichen wurden Eindrücke, die sich in einem Abstand von etwa 9,5 mm voneinander in demselben Eisenstück befanden. Alle Eindrücke wurden in SG-Eisenteilen hergestellt, bei denen ein Brinell-Härtezahlbereich von 25 über 100 mm üblich ist. Die statistische Auswertung der Differenzen ähnelt der der Poisson¹sehen Verteilung mit einem Erwartungswert von 2, d.h. mit einer maximalen Fehlerabweichung von 6 Punkten von der "absoluten" Anzeige bei einer üblichen Brinell-Härteprüfung.

Bei den Versuchen zeigte sich, daß mittels der Erfindung ein unendlicher Bereich von Brinell-Härtezahlen durch einfache Veränderung der Belastung gemessen werden kann. Dieses ist in dem Diagramm gemäß Figur 4 dargestellt, in welchem die Brinell-Härtezahlen auf der senkrechten Achse gegenüber der Belastung in Pounds auf der horizontalen Achse aufgetragen sind und dem Versuche mit einer Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art zugrunde liegen. Die beiden ausgezogenen Linien bezeichnen den Bereich der

609836/0285

-ι.

Brinell-Härtezahlen, die mit einer vorgegebenen Belastung mit einem Eindringkörper der vorstehend beschriebenen Art gemessen werden können. Man erkennt, daß bei zu geringer Härte des Materials die Öffnungen vollständig abgedeckt werden, während bei zu großer Härte überhaupt keine Abdeckung der öffnungen erfolgt. Die Punkte auf der mittleren Linie bezeichnen die ungefähre Härte von Aluminium, von Grauguß und von SG-Eisen. Durch Veränderung der Größe und der Winkellage der Öffnungen bzw. Durchlässe 17 und 18 in Figur 2 lassen sich andere Kombinationen der Belastung und der Brinell-Härtezahlen erreichen.

Figur 5 zeigt die Beziehung zwischen der Brinell-Härtezahl (senkrechte Achse) und dem Durchmesser des Eindrucks in Millimeter bei einer Belastung des vorstehend beschriebenen Eindringkörpers von 1815 kg.

Die Erfindung läßt sich ohne weiteres in automatischen Härteprüfgeräten einsetzen, die bei Bearbeitungsverfahren benötigt werden, und sie eignet sich besonders für hochautomatisierte Verfahren, etwa in Fördermaschinen, und mit ihr können Kosten infolge Beschädigung von Schneidwerkzeugen vermieden werden, die durch die Zufuhr von Gußstücken zu derartigen Schneidwerkzeugen entstehen, wenn die Oberfläche der Gußstücke zu hart ist. In dem in Figur 3 dargestellten Anwendungsbeispiel wird der Eindringkörper 25 als Spannstelle oder Klammer verwendet. Das zu prüfen-

609836/0285

de Werkstück 26 wird zwischen dem Eindringkörper 25 und einer Klammer 27 gehalten. Wird sichergestellt, daß während des Klemmvorganges eine konstante Last ausgeübt wird, so erhält man ein die Härte des Werkstückes anzeigendes Signal, wobei die Druckmeßeinrichtung, mit der der Eindringkörper 25 über den Schlauch 28 verbunden ist, so eingestellt wird, daß sie die Maschine für den Betrieb anlaufen läßt, wenn die Härte des Gußstückes innerhalb vorgegebener Grenzen liegt bzw. den Betrieb der Maschine unterbricht, wenn die Härte oberhalb dieser Grenze liegt.

Während sich der Eindringkörper gemäß Figur 2 als sehr zufriedenstellend erwiesen hat, ist es auch möglich, einen im wesentlichen kegelstumpfförmigen Eindringkörper zu benutzen, dessen Seitenwände einen verhältnismäßig spitzen Winkel haben und bei dem sich die Durchlässe in die Seitenwände öffnen, wodurch ein größerer Bewegungsbereich für den Eindringkörper zwischen der Lage, in der die Öffnungen nicht abgedeckt sind, und der Lage erreicht wird, in der sie vollständig abgedeckt sind, was zu einer größeren Genauigkeit der Messung führt.

Während insbesondere für glatte Oberflächen zwei Öffnungen im Eindringkörper sehr vorteilhaft sind, können zur Messung von rauhen Oberflächen beispielsweise vier Öffnungen vorgesehen werden, um die Wirkung der Oberflächenrauhigkeit auf

809836/0285

die Abdeckung der Öffnungen auszugleichen. Die Öffnungen bzw. Durchlässe können entweder vor dem Härten in den Ein dringkörper gebohrt oder sie können mittels Funkenerosion hergestellt werden. Auch bei der Herstellung von vier Öff nungen bzw. Durchlässen ergeben sich keine Herstellungsschwierigkeiten .

Bei Einsatz der Erfindung zum automatischen Betrieb in einer Werkzeugmaschine ist es zweckmäßig, eine Ventilanordnung vorzusehen, die den Eindringkörper gelegentlich mittels Preßluft reinigt, um so angesammelten Schmutz oder Graphit herauszudrücken. Es hat sich gezeigt, daß bei Öffnungen und Durchlässen der vorstehend erwähnten Abmessungen keine Verstopfungen auftreten, wenn der Eindringkörper für trocken spanabhebend bearbeitete Oberflächen benutzt wird, während sich bei Versuchen mit einem Eindringkörper mit einer teilkugelförmigen Oberfläche von 5 mm Durchmesser und Durchlässen bzw. Öffnungen mit einem Durchmesser von 0,33 mm nach 5000 Einsätzen auf öligen Gußstückflächen Verstopfungen ergaben. Dadurch entstanden zwar keine Meßungenauigkeiten, doch wurde die Ansprechgeschwindigkeit des Druckmesser verringert.

609336/0285

Claims

Ansprüche

Verfahren zur Messung der Oberflächenhärte eines Werkstückes durch Aufbringen einer vorgegebenen Belastung auf einen auf die Werkstückoberfläche aufgesetzten Eindringkörper, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eindringkörper verwendet wird, der in seinem in Berührung mit der Werkstückoberfläche kommenden Teil mindestens eine Austrittsöffnung aufweist, die beim Eindringen in die Werkstückoberfläche teilweise abgedeckt wird, daß durch die teilweise abgedeckte Austrittsöffnung ein unter Druck stehendes Fluid gepreßt wird und daß zur Bestimmung der Oberflächenhärte die Strömungsrate des Fluides durch die teilweise abgedeckte Austrittsöffnung gemessen wird.
2. Vorrichtung zur Messung der Oberflächenhärte mit einem Eindringkörper, der auf die Oberfläche eines Werkstückes aufsetzbar und auf den eine vorbestimmte Last aufbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Eindringkörper (12) mindestens ein Durchlaß (19, 15, 17, 18) vorgesehen ist, dessen Austrittsöffnung sich im Bereich der Eindringfläche (14) des Eindringkörpers (12) befindet und dessen Eintrittsöffnung mit einer Quelle für unter Druck stehendes Fluid und einem Druckmeßgerät (22) zur Messung der Strömungsrate des Fluids durch die Austrittsöffnung verbindbar ist.

609836/0285
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringfläche (14) teilkugelförmig ist und daß der Durchlaß sich in zwei oder mehr symmetrisch um die Achse der Eindringfläche (14) verteilte Austrittsöffnungen bildende Teildurchlässe (17, 18) verzweigt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eindringkörper eine Spann- oder Klemmvorrichtung (27) in einer Werkzeugmaschine bildet, gegen welche nacheinander mehrere Werkstücke (26) mit gleichem Druck preßbar sind, und daß eine Einrichtung zur Zurückweisung solcher Werkstücke (26) vorgesehen ist, deren Oberflächenhärte nicht in einen vorgegebenen Härtebereich fällt.
5. Eindringkörper zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch einen stabförmigen Körper aus gehärtetem Stahl oder aus Wolframcarbid mit einer gewölbten Außenfläche (14) an einem Ende und einem mit einer Quelle für unter Druck stehendes Fluid verbindbaren inneren Durchlaß (19, 15), der in der gewölbten Außenfläche ein oder mehrere symmetrisch bezüglich der Achse der Außenfläche angeordnete Austrittsöffnungen bildet.

609836/0285
6. Eindringkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gewölbte Außenfläche teilkugelförmig ist.

609836/0285