DE2848204C2 - Verfahren zum Ausmessen von Härteprüfeindrücken in Materialoberflächen, sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ausmessen von Härteprüfeindrücken in Materialoberflächen.

In der LS-PS 3822946 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein konzentriertes Lichtbündel unter einem Winkel von 45 auf die zu prüfende Oberfläche gerichtet wird, dessen Durchmesser am Auftreffpunkt auf die zu prüfende Oberfläche klein gegen den Durchmesser des Prüfeindruckes ist. und das in einer senkrecht /ur zu prüfenden Oberfläche stehenden Ebene so bewegt wird, daß die Bahn des sich über die Oberfläche bewegenden Lichtfleckes den Prüfeindruck entlang seines Durchmessers vollständig überquert und die Intensitiit des von der ebenen Oberfläche in einen vorgegebenen Winkelbereich reflektierten Lichtes bestimmt wird, wobei die bei Überschreiten einer Randlinie des Prüfeindruckes auftretende Intensitätsänderung zur Markierung des Anfangs- und Endpunktes eines Abschnittes der Bewegung dient, der dem Abstand zweier diametral gegenüberliegender Rand-

punkte des Prüfeindruckes entspricht und die Länge dieses Abschnittes bestimmt wird. Bei diesem bekannten Verfahren wird zur Messung das Licht ausgenutzt, das von der den Prüfeindruck umgebenden Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes reflektiert wird. Die Rauhigkeit der den Prüfeindruck umgebenden Oberfläche erzeugt daher im reflektierten Licht einen schwankenden Intensitätsverlauf, der eine genaue Längenmessung außerordentlich schwierig und aufwendig macht. Hinzu kommt, daß aufgt and des schrägen Einfalles des beleuchtenden Lichtbündels ein durch den mittleren Bereich des Prüfeindruckes erzeugtes, zusätzliches Reflexmaximum auftritt, das aber aus geometrischen Gründen asymmetrisch liegt und die elektronische Auswertung der Messung noch weiter erschwert. Zusätzlich ergibt sich bei ! dem bekannten Verfahren, verursacht durch den um den Prüfeindruck herum bei dessen Erzeugung entstehenden Randwulst, ein Intensitätsabfall in der Nähe der beiden Randlinien des Prüfeindpjckes, was zusätzliche Probleme bei der Auswertung zur Folge hat. Schließlich treten bei dem bekannten Verfahren als ungünstige Folge des Schrägeinfaiies des abtastenden Lichtbündeis Viclfach-Reflexionen im Prüfeindruck auf, die zur FoI^ haben, daß bei bestimmten kritischen Durchmessern starke Störreflexe aufteten. die eine genaue Messung in dem betreffenden Bereich praktisch unmöglich machen.

Bei einem weiteren Verfahren der eingangs erwähnten Art. das in der älteren DE-OS 2803149 beschrieben ist. wird in einer besonders einfachen Ausführungsform das senkrecht auf die zu prüfende Oberfläche gerichtete Lichtbündel parallel zur Oberfläche so verschoben, daß die Bahn des Lichtfleckes durch den Mittelpunkt des Prüfeindruckes läuft, und die Länge des zwischen zwei aufeinanderfolgenden Intensitätsänderungen liegenden Abschnittes der Verschiebungsitrecke direkt mikrometrisch ausgemessen wird.

Es ist weiterhin ein Verfahren bekannt(DE-OS 1648494). bei dem die Ausmessung des Prüfeindruckes manuell mittels Okularmikrometer während der Einwirkung der Prüfkraft erfolgt, indem ein beleuchtendes Lichtbündel durch einen durchsichtigen Eindringkörper hindurch auf die zu prüfende belastete Metalloberfläche gerichtet wird und im Mikroskop mittels des reflektierten Lichtes ein vergrößertes Bild des Prüfeindruckes erzeugt wird. Dieses bekannte Verfahren weist aber den Nachteil auf. daß optische Parameter der Einrichtung in die Messung eingehen, was zu Fehlerquellen führt. Ferner ist eine automatische Betätigung dieses Meßsystems nicht möglich.

Bei Verfahren, die mit der Ausmessung eines vergrößerten Bildes des Prüfeindruckes arbeiten, ist es weiterhin so bekannt (DE-PS 602066) zur Kontrastverbesserung ein schräg auf die entlastete Materialoberfläche auftreffendes Bündel aus farbigem Licht zur Beleuchtung zu verwenden, so daß dem Beobachter andersfarbiges Licht, aus der Randzone des Eindrucks kommend, ins Auge fällt.

Es ist weiterhin bekannt (DE-PS 890 575). zur Feststellung, ob der Durchmesser ;ines Härteprüfeindruckes innerhalb vorgegebener Toleranzen liegt, eine Vorrichtung zu verwenden, bei der zwei getrennte Lichtbündel schräg auf die Materialoberfläche gerichtet werden, und die jeweils reflektierten Lichtbündel durch Fotozellen aufgefangen werden. Bei entsprechender Ausrichtung der auffallenden Lichtbündel kann aus der Tatsache, ob keines der Lichtbündel oder eines oder beide reflektiert werden, geschlossen werden, ob der Durchmesser des Prüfeindruckes innerhalb der vorgegebenen Toleranz liegt oder nicht. Eine genaue Ausmessung des Härteprüfeindruckes ist mit dieser bekannten Vorrichtung aber nicht durchführbar.

Es hat sich gezeigt, daß in der Praxis der industriellen Härteprüfung ein großer Bedarf nach einfachen, mit geringem apparativem Aufbau durchführbaren automatischen Härteprüfverfahren besteht, die aber hinreichend genaue und reproduzierbare Ergebnisse liefern sollen und »autonom« sein sollen, wobei »autonom« besagt, daß das Verfahren grundsätzlich ohne Vergleichsobjekte auskommt.

So ist beispielsweise die weit verbreitete, nicht normgerechte automatische Brinell-Härteprüfung nach dem Eindringtiefenmeßverfahren nicht autonom. Es müssen vielmehr Musterteile der richtigen Härte vorhanden sein oder Härtevergleichsplatten, deren elastische Konstante sowie deren Verformungseigenschaften denen der Prüflinge hinreichend ähnlich sind. Die Prüfmaschine, d. h. deren elektronische Tiefenmeßvorrichumg. wird dabei jeweils an die zu prüfenden Teile angepaßt. Aber selbst dann besteht noch die Möglichkeit von Meßfehlern, besonders bei anisotropen, polykristalline· Werkstoffen infolge von unbemerkter. Variationen in der Anisotropie bzw. in den elastischen Parametern. Ferner werden die Tiefenmessungen gewöhnlich mit mehreren Laststufen durchgeführt, wodurch die Prüfzeit je Teil verlängert wird. Hinzu kommt noch, daß die Oberflächengüte der Prüflinge wegen der relativ kleinen Vorlast zu größerer Streuung führt im Vergleich zu den Meßverfahren, die mit einer einzigen Laststufe arbeiten, bei denen also von vornherein die volle Prüfkraft aufgebracht wird.

Die herkömmliche Brinell-Härteprüfung. bei der der Durchmesser des Prüfeindruckes gemessen wird, ist zwar autonom, hat sich aber für die industrielle Prüfpraxis als zu langsam und zu kostspielig erwiesen, da sie bisher nicht automatisch durchführbar war.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand darin, ein autonomes, auf der Brinell-Härteprüfung basierendes automatisches Verfahren zum Ausmessen von Härteprüfeindrücken in Materialoberflächen zu schaffen, das bei geringem Aufwand hinreichend genaue Ergebnisse liefert und ein Minimum an Zeitaufwand erfordert, da d·. Messung unter Last durch den Eindringkörper hindurch stattfindet.

Die Erfindung geht dabei aus von dem eingangs erwähnten Verfahren mit den im Oberbegriff de» Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Die Lösung der oben dargestellten Aufgabe erfolgt dann erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also der Durchmesser des Härteprüfeindruckes in mindestens einer Richtung oder vorzugsweise auch in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richiungen gemessen.

Im Otjensatz zu dem in DE-OS 2803 149 beschriebenen Verfahren wird das einfallende Lichtbündel aber nicht verschoben, se idern verschwenkt. De· Eindringkörper besitzt mindestens in dem der zu prüfenden Oberfläche zugewandter Bereich Kugelform. Er kann als Vollkugel oder beispielweise auch halb sphärisch, halb zylindrisch ausgebildet s^in. Er besteht aus hartem durchsichtigem Material, beispielsweise aus Saphir. Kugeldurchmesser und Prüfkraft richten sich nach der jeweiligen Anwendung für die entsprechende Normen vorhanden sind.

Das durch die Kugel hindurch einfallende Lichtbündel wird an der Grenzfläche zwischen Eindringkörper und zu prüfender Oberfläche, die der Oberfläche des Prüfeindruckes entspricht, in sich selbst reflektiert, während

an der Grenzfläche zwischen Eindringkörper und Luft ein Austritt des Lichtbündels aus der Kugel und eine Reflexion an der an Luft angrenzenden Prüflingsoberfläche stattfindet. Die Reflexion in sich selbst erfolgt also innerhalb eines Bereiches des Schwenkwinkels des einfallenden LichtbUndels. der von der Flächennormalen zur Oberfläche nach beiden Seiten hin bis zu dem Winkel reicht, bei dem das Lichtbündel jeweils auf den Rand des Prüfeindruckes auftrifft. Dies hat zur Folge, daß beim Verschwenken des Lichtbündels um einen hinreichend großen Winkelbereich ein zweimaliger Intensitätswechsel des in die Einfallsrichtung reflektierten Lichtes erfolgt. Sofern der Prüfling aus Metall besteht und somit im allgemeinen spiegelnde Reflexion in der Kontaktzone erfolgt, kann ein hoher Kontrast erreicht werden, der beispielsweise Tür Stahl 4 : I und für Aluminium 6 : I erreichen kann.

Da die Eindruckdurchmesser bei der Brinell-Härteprüfung ziemlich groß sind, brauchi auf der den Cindruck machenden Kugelfläche kein extrem kleiner Lichtfleck erzeugt zu werden. Es genügt im allgemeinen scharf gebündeltes weißes Licht. Der kugelförmige Eindringkörper ist optisch eine Kugellinse, die das einfallende Licht auf der gegenüberliegenden Seite stark konzentriert. Die Konvergenz des einfallenden Lichtbündcls kann so gewählt werden, daß das Minimum des Lichtfleckdurchmessers mit der dem Eindruck zugewandten Kugelfläche zusammenfällt.

Für höhere Ansprüche kann monochromatisches Licht oder besser noch kohärentes, monochromatisches Licht verwendet werden. Dieses kann mit einem Laser erzeugt werden. Es kann ein gewöhnlicher Gas-laser verwendet werden, vorzugsweise jedoch eine raumsparende Laserdiode, mit den bekannten optischen Zusätzen zur Erzeugung eines kreisförmigen Lichtfleckes.

Soll ein möglichst kleiner Lichtfleck erzeugt werden, so ist es zweckmäßig, kurzwelliges, beispielsweise ultraviolettes Licht, zu verwenden. Es muß dabei allerdings ein Kontrastverlust in Kauf genommen werden. Soll dagegen ein möglichst großer Kontrast erreicht werden, so ist es vorteilhafter, langwelliges, insbesondere infrarotes. Licht zu verwenden. Wird die Oberfläche des Eindringkörpers durch den Werkstoff der Prüflinge angegriffen, so ist auf jeden Fall die Verwendung von langwelligem Licht besonders vorteilhaft.

Zur Bestimmung der Intensität des reflektierenden Lichtes kann ein beliebiges, lichtempfindliches Element, beispielsweise eine Fotozelle, ein Fotowiderstand, eine Sperrschichtzelle usw. verwendet werden.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruches 2.

Vorteilhafte Ausfuhrungsformen dieser Einrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Wie sich im folgenden anhand von Ausführungsbeispieien zeigen wird, ist das mit der erfindungsgemäßen Einrichtung durchgeführte Verfahren automatisch arbeitend, einfach im Aufbau, autonom, d.h. unabhängig von Vergleichskörpern oder Musterteilen, zeitsparend und in der Lage, hinreichend genaue und reproduzierbare Ergebnisse zu liefern.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele für das erfindungsgemäße Verfahren und Einrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:

Fig. I in stark schematisierter Darstellungsweise den grundsätzlichen Aufbau einer Einrichtung zum Ausmessen Härteprüfeindrücken nach dem erfindungsgemäßen Verfahren:

Fig. 2 die Abhängigkeit der gemessenen Lichtintensität vom Schwenkwinkel des einfallenden Lichtbündels. Fig. 3 und 4 Vertikalschnitte in zwei zueinander senkrecht stehenden Ebenen durch eine erste Ausführungsform einer Einrichtung zum Ausmessen von Härleprüfeindrücken;

Fig. 5 und 6 Vertikalschnitte in zwei zueinander scnkrecht stehenden Ebenen durch einen Teil einer zweiten Ausführungsform einer Einrichtung /um Ausmessen von Härteprüfeindrücken:

Fig. 7 einen Vertikalschnitt durch einen Teil einer dritten Ausführungsform einer Einrichtung zum Ausmessen von Härteprüfeindrücken;

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform für eine elektronische Auswertevorrichtung für eine Einrichtung zum Ausmessen von Härteprüfeindrücken.

t— ei I ...: ι - ::-.u.-» I I Λ~~ 17 : - ι l t

I Ii I IUIgVfIUlII WIIU iU I ICIl 1131 ClllliailU Uli I I t: . I UIIU —

das Prinzip der Bestimmung des Durchmessers eines Härteprüfeindruckes nach dem Verfahren gemäß der Zusatzerfindung näher erläutert.

Die durch geeignete, in Fig. 1 nicht dargestellte. Mitte! eingefaßte Kugel 1 wird mit der vorgeschriebenen Prüfkraft in die Oberfläche M des Prüflings eingedrückt und in ihrer Endlage festgehalten. Durch das Eindrücken ist ein angenähert sphärischer Eindruck vom Durchmesser </ entstand.ii. D;is in Fig. 1 nur in seinen wichtigsten Teilen dargestellte optische System besteht aus einer Licht-

JO quelle 4, einem Strahlteilerwürfel 5. einer Blende 3. einer lichtempfindlichen Zelle 2 und einem Lichtabsorber 6. Es ist als Ganzes um eine Drehachse C schwenkbar, die durch den Mittelpunkt der Kugel 1 parallel zur Oberfläche M des Prüflings läuft. Das einfallende, als Strahl .41 dargestellte stark gebündelte Lichtbündel geht durch den Strahlteilerwürfel 5 hindurch, wobei es teilweise in Richtung ;iuf den Absorber 6 reflektiert wird. Nach Durchtritt durch die Blende 3 erreicht es die Kugel I mit der in Fig. 1 eingetragenen relativen Intensität 100. An

•»o der Grenzfläche Kugel. Prüfoberfläche wird das in die Kugel eingetretene Lichtbündel spiegelnd reflektiert und kommt mit einer relativen Intensität von 59 (unter der Voraussetzung, daß der Prüfling aus Stahl besteht und die Wellenlänge des Lichtes λ = 600 nm ist) zur Blende 3 zurück und von dort aus nach Reflexion im Strahlteilerwürfel 5 zur lichtempfindlichen Zelle 2. wo es eine elektrische Spannung E. erzeugt.

Wird nun der Schwenkwinkel φ des optischen Systems gegen die Vertikale durch Schwenken um die Drehachse C vergrößert, so wird schließlich eine Stelle erreicht, wo das einfallende Lichtbündel A2 nach Durchqueren der Kugel 1 aus der Kugeloberfläche wieder austritt und die ungestörte Oberfläche M des Prüflings erreicht, wo es unter einem Winkel von 90' —φ reflektiert wird und zwar bei spiegelnder Oberfläche mit einer Intensität von etwa 50. Infolge partieller Reflexion an den Grenzflächen der Kugel wird die relative Intensität des über den Strahlteilerwürfel 5 zur lichtempfindlichen Zelle 2 zurückkehrenden Lichtes gleich 14. Somit wird ein Lichtkontrast von 59:14 oder rund 4:1 erreicht. Der Spannungsverlauf E. an der lichtempfindlichen Zelle 2 in Abhängigkeit vom Schwenkwinkel Αφ ist in Fig. 2 dargestellt. Die Flanken der dargestellten Kurve entsprechen den beiden auf dem Durchmesser d liegenden Randpunktendes Prüfeindruckes. Es gilt dann folgende Formel

Hierin bedeutet D der Durchmesser der Kugel 1. Für die Urinell-Hürte ergibt sich aus (I):

Bei kleiner WinkeldifTerenz Δφ kann man angenähert schreiben·

\6F
'π£)²(Δφ)²

(2a)

In den Formeln (2) und (2a) bedeutet F jeweils die wirkende Kraft.

Es ist durch bekannte technische Maßnahmen, beispielsweise einen Geradlenker, möglich, aus der Schwenkbewegung eine lineare Bewegung abzuleiten. Hierdurch ergeben sich in leicht durchzurührender Weise weitere Vereinfachungen der oben angegebenen Formeln, in denen anstelle der Winkeldifferenzen Verschiebungsstrecken auftreten.

Wegen der festgesetzten oberen Grenze Tür die Eindrucktiefe bei der Brinell-Härteprüfung kann der Schwenkbereich auf einen Winkel von ±40" beschränkt werden. Αφ wird dann maximal gleich 80°.
In Fig. I ist zur Ablenkung des in Einfallsrichtung reflektierten Strahles in Richtung auf die lichtempfindliche Zelle 2 ein Strahlteilerwürfel 5 angegeben. Selbstverständlich können an dieser Stelle auch andere bekannte Vorrichtungen, beispielsweise Platten oder Membranen mit Metallschichten verwendet werden.

Auße¹· der in Fig. 1 angegebenen Blende 3 zum Ausblenden von störendem Licht können in dem optischen System selbstverständlich weitere Blenden, beispielsweise zwischen dem Strahlteilerwürfel 5 und der lichtempfindlichen Zelle 2 angeordnet sein. Eine scharf limitierende Beschränkung der Winkel, unter denen reflektiertes Licht die lichtempfindliche Zelle 2 erreichen kann, wird erhaiten. wenn zwischen den Strahlteiler und die lichtempfindliche Zelle, beispielsweise ein Porro-Prisma, eingeschaltet wird.

Bei anisotropen Werkstoffen werden häufig Prüfeindrücke von elliptischer Form erzeugt. Um die Brinell-Härte unter solchen Bedingungen zu messen, kann vorgesehen sein, daß die Schwenkbewegung des einfallenden Lichtbündels in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen ausgeführt wird. Es werden dann zwei verschiedene Werte Δφ erhalten und deren Mittelwert dient dann zur Bestimmung der Härte nach den oben angegebenen Formeln (2) bzw. (2 a).

Bei sehr glatten Prüfoberflächen wird im allgemeinen auch die Randlinie des Prüfeindrucks glatt und regelmäßig. In diesem Falle kann der Lichtfleckdurchmesser sehr klein gemacht werden. Bei einer rauhen oder grob bearbeiteten Oberfläche hingegen erscheint die Randlinie gezackt und unregelmäßig. In diesem Falle darf der Lichtfleck nicht zu klein gemacht werden. Sein Durchmesser sollte dann nicht kleiner sein als die mittlere Schwankungsbreite der Randkarvenunregelmäßigkeiten.

Weiterhin muß bei sehr genauen Messungen unter Umständen beachtet werden, daß die Drehachse C des Μ schwenkbaren optischen Systems einerseits und die parallel zur Materialoberfläche laufende Achse der Kugel bei Belastung zusammenfallen sollen. Da die Last (Prüfkraft) bis zu 30000 Newton betragen kann, muß die elastische Nachgiebigkeit in der Halterung der Kugel 1 sowie in anderen Bauteilen der GesaffitVGrriehtong berücksichtigt werden. Im allgemeinen bedeutet das, daß die Drehachse C im entlasteten Zustand etwas höher als die oben erwähnte Achse der Kugel liegen muß. Die Höhendifferenz läßt sich empirisch bestimmen.

In Fig. 3 und 4 ist eine einfach aufgebaute Vorrichtung zur Durchführung der oben beschriebenen Härtemessung dargestellt. Die durchsichtige Kugel 1 sitzt in einer Metallfassung 11. auf welche die Prüfkraft F über ein Gehäuse 12 übertragen wird. Das Gehäuse 12 wird mittels des Zapfens 12« fest in eine entsprechende Halterung an der im übrigen nicht weiter dargestellten Prüfmaschine eingespannt. Die Prlifkraft F wird von der oberen Oberfläche des Gehäuses 12 aufgenommen. Bei Be- und Entlastung des Prüflings wird das Gehäuse 12 zusammen mit allen anderen Bauteilen abgesenkt bzw. angehoben.

Das optische System ist in einem inneren Gehäuse 13 angeordnet und kann beispielsweise so ausgebildet sein, wie in Fig. 1 dargestellt. Das innere Gehäuse 13 ist an einem Rahmen 14 befestigt, der über zwei Lagerbolzen 15 schwenkbar mit der Fassung 11 der Kugel 1 verbunden ist. Die Anordnung der Lagerbolzen 15 erfolgt so. daß die Drehachse C des Rahmens 14 durch den Mitteipunkt der Kugel 1 läuft.

Die Schwenkbewegung des Gehäuses 13 wird durch eine in Fig. 3 und 4 nicht dargestellte Servomechanik bewirkt, die über eine Schubstange 16 mit einem Ansatz 13a des Gehäuses 13 verbunden ist. Über ein Kabel 18 ist die Lichtquelle mit einer Speisevorrichtung und die Fotozelle mit den elektronischen Auswerteeinrichtungen verbunden.

Zur Messung des Schwenkwinkels ist am oberen Ende des Gehäuses 13 ein bogenförmiger Glas- oder Kunststoffstreifen 8 eingelassen, auf dem ein radial zur Drehachse C gezogenes Strichgitter 8« aufgetragen ist. Auf der Höhe des Streifens 8 ist am feststehenden Gehäuse 12 eine Strichplatte 7 angeordnet, hinter der sich eine Fotozelle 10 befindet. Der Fotozelle 10 gegenüber liegt eine ebenfalls fest angeordnete Lichtquelle 9. Beim Verschwenken des Gehäuses 13 verschiebt sich der Streifen 8 und dadurch ändert sich die Beleuchtungsstärke an der Fotozelle 10 periodisch, wodurch eine Folge von elektrischen Spannungsimpulsen entsteht, die der in Fig. 3 und 4 nicht dargestellten, weiter unten näher beschriebenen elektrischen Auswerteeinrichtung zugeführt werden. Die Winkelmessung erfolgt also auf elektronischem Wege und ist der Anzahl der gezählten elektrischen Impulse proportional.

Bei der Messung wird das innere Gehäuse 13 mittels der Schubstange 16 pendelartig hin- und herbewegt. Es wird hierbei pro Prüfeindruck eine halbe Pendelschwingung benötigt, was zur Folge hat, daß die Messung eines Eindruckdurchmessers d nicht langer als 0.5 Sekunden dauert. Die Härtemessung an sich dauert natürlich länger, da im allgemeinen eine Belastungsdauer von mindestens 10 Sekunden vorgeschrieben ist.

Die Auswertung der Messung kann mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung vorgenommen werden, wie sie in Fig. 8 dargestellt ist. Die Impulse der Winkelmessung werden dabei über einen Impulsformer 32 und eine Torschaltung 33 einem Zähler 37 zugeführt, der seinerseits über eine Rechen- und Auswerteeinheit 38 mit einer Anzeigevorrichtung 39 verbunden ist. Zur Steuerung der Torschaltung 33 dient die Spannung E_z, die von der in Fig. 8 mit 34 bezeichneten lichtempfindlichen Zelle geliefert wird, auf die, wie anhand von Fig. 1 beschrieben, das vom Priifeindruck in Einfallsrichtung reflektierte Licht auffällt. Der Verlauf der Spannung E_x ist in Fig. 2 dargestellt. Die Spannung E₁ wird über einen Verstärker 35 einer Triggerschaltung 36 zugeführt. Die Triggerspannungsschwelle wird zweckmäßig auf den In-

tensitätsmittelwert proportional 1/2 · (£₂(max) + E.(min)) eingestellt, was auch durch zusätzliche elektronische Mittel automatisch vor sich gehen kann. Diesem Mittelwert entspricht in Fig. 2 die gestrichelt eingezeichnete Linie E₁. Der Spannungsverlauf E₁ kann durch ein eigenes Anzeigeinstrument 40 angezeigt werden.

Die Rechen- und Auswerteeinheit 38 liefert den Wert HB der Brinell-H3'te direkt als Funktion der gezählten Impulse /V.

In den Fig. 5 und 6 ist eine Ausfuhrungsform einer Einrichtung zur Messung von Härteprüfeindrücken dargestellt, bei der die Führung des optischen Systems anders ausgebildet ist, als bei der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4. In den Fig. 5 und 6 ist lediglich der sich an die Kugel 1 anschließende Teil des optischen Systems dargestellt, um die anders aufgebaute Führung zu verdeutlichen. Die übrigen Teile der Vorrichtung sind nicht dargestellt und können beispielsweise ähnlich aufgebaut sein, wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4.

Bei dei Ausführungsform nach Fig. 5 und 6 dient statt der Lagerbolzen Tür die Schwenkbewegung des optischen Systems die obere Oberfläche der Kugel 1 selbst als Führung (Gleitfläche. Leitfläche). Ein Glaskörper 17. dessen untere Fläche 17« sphärisch geschliffen ist. mit einem Krümmungsradius der gleich dem Radius der Kugel 1 ist, sitzt unmittelbar auf der Kugel 1 auf. In der Fassung 21 der Kugel 1 befindet sich ein Schlitz 2Γ. der als seitliche Führung für den Glaskörper 17 dient. Am Glaskörper 17 ist der Strahlteilerwürfel 5 mit der lichtempfindlichen Zelle 2, sowie das in Fig. 6 gestrichelt angedeutete innere Gehäuse 23 angeordnet. Das Gehäuse 23 kann in nicht dargestellter Weise an seinem oberen Ende eine Kreisfiihrung besitzen, durch die erreicht wird, daß die Gehäuseachse und damit die Achse des Lichtbündels A1 jederzeit in exakt radialer Richtung in Bezug auf die Achse der Kugel 1 liegt. Der durch den Schlitz 2Γ begrenzte Raum wird zweckmäßig mit Öl gefüllt, um trockene Reibung zwischen dem Glaskörper 17 und der Oberfläche der Kugel 1 zu vermeiden. Die Prüfkraft ist in nicht eigens dargestellter Weise an der Kugelfassung 21 wirksam.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß Radiusfehler, dirbeispielsweise bei der Ausführungsform nach Fig. 3 und 4 durch Prüfkraft bedingte Verformungen verursacht werden können, von vornherein

■> ausgeschlossen sind.

Die Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6 ist vorwiegend für die große Brinell-Kugel (D= 10 mm) gedacht. Bei kleineren Kugcldurchmessern ist eine andere Ausführungsform vorteilhaft, die in Fig. 7 dargestellt ist.

Bei dieser Ausführungsform ist die Kugel 1 in einen Halbzylinder 31 (bzw. in einer Halbkugel) eingesenkt, der aus einem durchsichtigen Material hoher Festigkeit (wie Glas. Quarz oder Saphir) hergestellt ist. Über dem Halbzylinder 31 sind zwei Bogenstücke so angeordnet, daß zwischen ihnen ein bogenförmiger Führungsschlitz entsteht, indem ein mit einer Bohrung versehenes Führungsstück 24 von rechteckigem oder rundem Querschnitt geführt ist, dessen untere Oberfläche in ihrem Krümmungsradius an die obere Oberfläche des Halbzylinders 31 angepaßt ist. Auf diese Weise wird eine verhältnismäßig große Lauffläche für das schwenkbare optische System erhalten, das an dem Führungsstück 24 angeordnet ist. wobei in Fig. 7 lediglich der Strahlteilerwürfei 5 und die lichtempfindliche Zelle 2 dargestellt sind. Die Ausbildung und die Schwenkung des inneren Gehäuses mit dem optischen System kann in der gleichen Weise erfolgen wie bei der Ausfijhrungsform nach den Fig. 3 und 4.

Die Prüfkraft wird über die Seitenwände 22 des feststehenden Gehäuses auf Bolzen 28 übertragen und von dort über die Bogenstücke 25 auf den Halbzylinder 31 und schließlich auf die Kugel 1. Selbstverständlich können die Bogenstücke 25 auch direkt an die Gehäusewände 22 angeschweißt sein.

Anstelle des durchbohrten metallischen Führungsteiles 24 kann selbstverständlich auch ein entsprechender Glaskörper verwendet werdcti.
Schließlich kann in nicht eigens dargestellter Weise die Führung des optischen Systemsauf dem Halbzylinder 31 auch über Rollenlager oder Kugellager erfolgen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ausmessen von Härteprüfeindrücken in Materialoberflächen, bei dem ein konzentriertes Lichtbündel, durch den aus durchsichtigem Material bestehenden, halb- bis vollkugelförmig ausgebildeten Eindringkörper hindurch, während der Einwirkung der Prüfkraft in einer senkrecht zur zu prüfenden Oberfläche stehenden und durch den Mittelpunkt des Prüfeindruckes gehenden Ebene, auf die zu prüfende Oberfläche gerichtet wird, dessen Durchmesser am Auftreffpunkt auf die zu prüfende Oberfläche klein gegen den Durchmesser des Prüfeindruckes ist und das Lichtbündel in dieser Ebene so bewegt wird, daß die Bahn des sich über die Oberfläche bewegenden Lichtfleckes durch den Mittelpunkt des Prüfeindruckes läuft und den Prüfeindruck mindestens einmal vollständig überquert und die intensität des voii Prüfeindruck in einen vorgegebenen Winkelbereicl! reflektierten Lichtes bestimmt wird, wobei die beim Überschreiten einer Randlinie des Prüfeindruckes auftretende Intensitätsänderung zur Markierung des Anfang- und Endpunktes eines Abschnittes der Bewegung dient, der dem Abstand zweier Randpunkte des Prüfeindruckes entspricht und die Größe dieses Abschnittes bestimmt wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Das einfallende Lichtbündel ist durch den Kugelmittelp'.Tikt geführt;

b) die Bewegung des Lichtbündels erfolgt als Schwenkbewegung um eint parallel zur zu prüfenden Oberfläche duich den Kugelmittelpunkt laufende Achse in mindester., einer Meridianebene der Kugel:

c) die Intensität des in Einfallsrichtung reflektierten Lichtes wird während des Schwenkvorganges bestimmt;

d) der Schwenk winkel zwischen zwei aufeinander- -to folgenden Intensitätsänderungen wird gemessen.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtbündels. Vorrichtungen zur Konzentration und Ausrichtung des Lichtbündels auf eine zu prüfende Materialoberflüche. eine Vorrichtung zur Ablenkung des in Einfallsrichtung reflektierten Lichtes und eine Licht-Intensitätsmeßvorrichtung, welche gemeinsam an einer bewegbaren Halterung angeordnet iind sowie einer auf die Materialoberfläche aufsetzbaren Kugel aus hartem, durchsichtigem Material, die über eine Kugelhalterung mit einer Belastungsvorrichtung verbunden ist. gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) die bewegbare Halterung (14. 23. 24) ist um eine parallel zur Matejialoberfläche (M) angeordnete und mit einer Kugelachse zusammenfallende Drehachse (15) schwenkbar:

b) die Vorrichtungen zur Konzentration und Ausrichtung des Lichtbündels führen das einfallende Lichtbündel (A 1) durch den Mittelpunkt (C) der Kugel (1):

c) die Vorrichtung zur Ablenkung des in Einfallsrichtung reflektierten Lichtes ist ein zwischen ·>5 der Kugel (1) und einem Fotodetektor (2. 34) angeordneter Strahlteiler (5):

d) die bewegbare Halterung (14. 23. 24) ist mit

einem Winkelmesser (7 bis 10) zur Messung des Schwenkwinkels verbunden.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelmesser einen Geradlenker aufweist, durch den die schwenkbare Halterung mit einer Vorrichtung zur Messung einer Verschiebungsstrecke verbunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelmesser einen zusamme ι mit der bewegbaren Halterung (14) um deren Drehachse (15) verschwenkbaren bogenförmigen Glas- oder Kunststoffstreifen (8) aufweist, auf dem ein Strichgitter (8«) aufgetragen ist, und an einem feststehenden Gehäuse (12) an einer Seile des Glas- oder Kunststoffstreifens (8) eine Lichtquelle (9) und an seiner anderen Seite, der Lichtquelle (9) gegenüberliegend, eine Strichplatte (7). hinter der sich eine Fotozelle (10) befindet, angeordnet sind, wobei die Fotozelle (10) mit einer elektrischen Auswerteeinrichtung verbunden ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Auswerteeinrichtung eine Torschaltung (30) aufweist, deren Signaleingang mit der Fotozelle (10) des Winkelmessers verbunden ist und deren Steuereingang über eine Triggerschaltung (36) mit dem Fotodetektor (2. 34) zur Bestimmung des in EinfaIIsrichtt.-ng reflektierten Lichtes verbunden ist und der Ausgang der Torschaltung (33) über einen Zähler (37) und eine Rechen- und Auswerteeinheit (38) mit einer Anzeigevorrichtung (39) verbunden ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kugel (1) und dem Strahlteiler (5) ein lichtleitendes Zwischenglied (17) angeordnet ist. dessen eine Oberfläche an die Kugeloberfläche angepaßt ist und gleitend auf ihr aufsitzt.

7. Einrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel (1) mit ihrer der Kugelhalterung zugewandten Hälfte in einen größeren Körper (31) aus durchsichtigem Material eingebettet ist. dessen der schwenkbaren Halterung (24) zugekehrte Oberfläche halbkugel- oder halbzylinderförmig ausgebildet ist. und die schwenkbare Halterung (24) in einer Führung auf diesem durchsichtigen Körper entlang seiner Oberfläche bewegbar aufsitzt.