DE3810906C2

DE3810906C2 - Verfahren zur Ermittlung von in Oberflächen von keramischen Drehkörpern entstandenen Fehlern mit Hilfe von Ultraschallwellen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE3810906C2
Application number: DE3810906A
Authority: DE
Inventors: Keiji Kawasaki; Michio Sekiguchi; Tadaaki Matsuhisa
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1987-03-31
Filing date: 1988-03-30
Publication date: 1993-10-28
Anticipated expiration: 2008-03-31
Also published as: JPH0584865B2; JPS63243751A; DE3810906A1; US5005417A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung von Fehlern oder Schäden, die in einer Oberfläche eines keramischen Dreh körpers, wie einer Kugel und einer zylindrischen Rolle eines Lagers, entstanden sind, mit Hilfe einer Ultraschallwelle und auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Ultraschallwellen-Fehlerermittlungsverfahrens.

In einer Oberfläche oder einer Hauptmasse eines Drehkörpers eines Lagers entstandene Fehler wurden duch eine Röntgen prüftechnik, eine Fluoreszenz-Prüfungstechnik oder eine Be obachtung mit einem Mikroskop bzw. den bloßen Augen ge prüft oder ermittelt.

Diese bekannten Techniken haben jedoch einige Nachteile inso fern, als ein großer Zeitaufwand für die Prüfung notwendig und es unmöglich ist, feine Fehler in der Oberfläche des keramischen La gerdrehkörpers festzustellen. Insbesondere konnten in der näheren Umgebung oder Nachbarschaft der Oberfläche entstande ne Fehler und Schäden nicht wirksam mit Hilfe der herkömmli chen Prüfverfahren festgestellt oder ermittelt werden.

Es ist auch ein Immersionsermittlungsverfahren vorgeschla gen worden, durch das in der unmittelbaren Umgebung einer Innenoberfläche eines zylindrischen Teils, wie einer dünnen Stahlröhre, entstandene Fehler ermittelt werden können. Ein derartiges Verfahren ist in einer japanischen Veröffentlichung "Ultrasonic Flaw Testing Method", herausgegeben von Steel Manufacture the 19th Committee of the Japan Society for the Promotion of Science, veröffentlicht durch Nikkan Kogyo Shinbun-sha am 30. Juli 1974, Seiten 491-493, beschrieben worden.

Die Fig. 1A zeigt schematisch die bekannte Vorrichtung zur Immersions- Ultraschall-Fehlerprüfung, während die Fig. 1B ein darin auftretendes Echosignal darstellt. Bei diesem Ver fahren wird ein zu prüfendes Stahlrohr 1 in ein Ultraschall wellen-Übertragungs- oder Fortpflanzungsmedium M, wie Wasser, eingetauscht und eine Ultraschallwelle von einer Sonde oder einem Prüfkopf 2 zum Rohr 1 hin ausgesendet, indem ein Aus gangssignal eines Oszillators 3 an die Sonde gelegt wird. Die Sonde 2 ist achsenversetzt mit Bezug zum Rohr 1 angeord net, d. h., eine Mittenachse X der Ultraschallwelle ist gegen über einer vertikalen Mittenachse Y des Stahlrohres 1 um eine solche Strecke versetzt, daß die Ultraschallwelle in das Rohr eindringt und zur Innenfläche 1a des Rohres gelangt, wobei von der näheren Umgebung der Innenfläche des Stahlrohres reflektierte Echos von der Sonde 2 empfangen werden, wie in Fig. 1B gezeigt ist.Dann wird ein von der Sonde 2 erzeugtes Echosignal durch einen Verstärker 4 verstärkt und hierauf an einer Braun′schen Röhre 5 sichtbar dargestellt. Hierbei wird gleichzeitig ein Bereich, innerhalb welchem die Fehler ermittelt werden sollen, durch ein Signaltor 6 bestimmt. Der auf diese Weise bestimmte Bereich wird ebenfalls auf der Braun′schen Röhre 5 durch eine Ermittlungsbereich-Sichtschal tung 7 dargestellt, wie durch ein Fenster oder Einfallfeld W in Fig. 1B gezeigt ist. In Fig. 1B bezeichnet T einen über tragenen Impuls, S ein von der Außenfläche des Rohres reflek tiertes Echosignal und F ein von der Hauptmasse und der Innen fläche des Rohres reflektiertes Echosignal. Das selektiv durch das Signaltor 6 getretene Echosignal wird durch einen Signal- oder Zeichenwandler 8 verarbeitet. Wenn innerhalb des ausgewähl ten Bereichs ein Fehler ermittelt wird, wird durch eine Warn vorrichtung 9 ein Alarm gegeben, und das Ausgangssignal des Signalwandlers wird über einen Verstärker 10 durch ein Auf zeichnungsgerät 11 aufgezeichnet.

Durch Drehen des Stahlrohres 1 in einer durch einen Pfeil angegebenen Richtung und durch Bewegen der Sonde 2 in der Längsrichtung des Stahlrohres kann jeglicher Fehler, der in der Nachbarschaft der Innenfläche 1a des Stahlrohres 1 ent standen ist, kontinuierlich geprüft werden.

Diese bekannte Immersions-Fehlerermittlungsvorrichtung ist jedoch so ausgestaltet, daß sie selektiv in der Innenoberflä che und deren näherer Umgebung des Stahlrohres gebildete Fehler feststellt, wobei die Mittenachse X der Ultraschall welle, d. h. die Mittenachse der Sonde 2, seitwärts von der vertikalen Mittenachse Y des Stahlrohres 1 um einen solchen Wert verschoben ist, daß die Ultraschallwelle sich wirksam innerhalb des Rohres bis zu dessen Innenfläche 1a fortpflan zen kann. Deshalb kann diese bekannte Vorrichtung nicht zur Ermittlung von Fehlern, die in einer Außenfläche des Rohres oder in deren unmittelbarer Nachbarschaft vorhanden sind, verwendet werden. Insbesondere ist die bekannte Vorrichtung nicht zur Ermittlung von Fehlern, die in der Oberfläche eines aus einem Keramikmaterial bestehenden Drehkörpers eines La gers vorhanden sind, geeignet. Fehler oder Schadstellen, die in der Nachbarschaft der Außenoberfläche eines Drehkörpers eines Lagers vorhanden sind, beeinflussen in hohem Maß das Betriebsverhalten und die Funktionstüchtigkeit des Lagers.

". . . Ein weiteres Verfahren zur Ermittlung von Defekten im Oberflächenbereich eines Drehkörpers ist in der Druck schrift DE-AS 12 94 070 beschrieben. Gemäß diesem Stand der Technik wird in einem Ultraschall-Übertragungsmedium von einer fokussierenden Sonde eine Ultraschallwelle in Rich tung auf den Drehkörper abgegeben und die reflektierte Ultraschallwelle zur Detektierung von Defekten wieder aufgenommen. Dabei ist die Mittelachse der Sonde zu einer Normalachse um einen solchen Wert parallel versetzt, daß die Ultraschallwelle in einem kritischen Reflektionswinkel, d. h. einem Winkel, der größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflektion für longitudinale bzw. transversale Wellen, auf den Drehkörper auftritt, wobei ein Teil der Ultra schallwelle gebrochen wird und entlang der Oberfläche des Drehkörpers als Oberflächenwelle propagiert. Ferner werden gemäß diesem Stand der Technik die Ultraschallwellen auf die Symmetrieebene des Drehkörpers fokussiert, so daß selbst bei der durch den Parallelversatz unsymmetrischen Einstrahlung der Wellen die Auftreffwinkelabweichungen der Randstrahlen des von der Sonde ausgesendeten Wellenbündels minimiert sind, wodurch annähernd gleiche Brechungswinkel der Wellen erzielt werden. Die somit im annähernd gleichen Brechungswinkel gebrochenen Wellen laufen im wesentlichen parallel im Drehkörper um, so daß die metallischen Werk stoffen eine gute Fehlererkennbarkeit gewährleistet wird.

Zudem wurde gemäß der Druckschrift DE 30 04 079 A1 eine Vorrichtung zum Erkennen von Material- und Bearbeitungs fehlern an Kugeln vorgeschlagen, bei der für eine erhöhte Prüfempfindlichkeit an der Kugeloberfläche und in deren Inneren und zur sicheren Erfassung kleiner und ungünstig liegender Fehler die Kugel insbesondere gedreht wird.

Im Ergebnis hat es sich jedoch gezeigt, daß die in kera mischen Drehkörpern zu detektierenden mikroskopischen Fehler und Schäden mit diesen Verfahren nicht zu erfassen sind, welche ja doch vorrangig für metallische Werkstoffe mit makroskopischen Fehlern entwickelt wurden. . ."

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges und nützliches Verfahren zur Ermittlung von in der Nachbarschaft einer Außenoberfläche eines keramischen Drehkörpers, wie Lagerkugeln oder -rollen, bestehenden Fehlern anzugeben, wobei sehr feine Schä den oder Fehler exakt innerhalb einer kurzen Zeitspanne fest gestellt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Um die gesamte Oberfläche des Drehkörpers sofort und unverzüg lich ohne komplizierte Vorgänge zu prüfen, wird eine Einrich tung für ein Drehen des Drehkörpers vorgesehen. In einer be vorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung umfaßt die drehende Einrichtung einen tragenden Block, eine in einer oberen Fläche des tragenden Blocks ausgebildete halbkugel- oder zylinderförmige konkave Fläche, einen Schlitz oder mehre re solcher, die in der konkaven Fläche ausgebildet sind und in einer zur Normalachse des Drehkörpers parallelen Richtung verlaufen, eine in dem Tragblock ausgebildete, mit den Schlit zen in Verbindung stehende Röhre und eine Einrichtung, die das Ultraschallwellen-Übertragungsmedium durch die Schlitze und die Röhre umwälzt, so daß dieses Medium von den Schlitzen gegen den Drehkörper ausgestoßen wird, um diesen zu drehen.

Im Fall der Prüfung einer zylindrischen Rolle eines Lagers ist es erwünscht, einen Mechanismus vorzusehen, um die Rolle und die Sonde relativ zueinander in Richtung der Längsachse der Rolle zu bewegen. Ferner wird im Fall einer Prüfung einer Kugel eines Lagers ein Mechanismus vorgesehen, um die Kugel und die Sonde relativ zueinander um eine Achse zu drehen, die sowohl zur Mittenachse als auch zur Normalachse der Kugel rechtwinklig verläuft. Auf diese Weise kann die gesamte Ober fläche der Rolle oder der Kugel automatisch in einer unverzüg lichen und exakten Weise geprüft werden.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen er läutert. Es zeigt

Fig. 1A schematisch das Prinzip des bekannten Ultraschall- Immersionsfehlerermittlungsverfahrens;

Fig. 1B die Wellenform eines Echosignals;

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Ultraschall-Prüfverfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 3 schematisch eine Ausführungsform der Ultraschall- Prüfvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 4A-4F schematische Darstellungen und Kurvenbilder über die Beziehung zwischen dem Versetzungswert und den reflektierten Ultraschallechos;

Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Versetzungswert x und der Größe des vom Fehler in der unmittelbaren Nähe der Oberfläche des drehen den Körpers reflektierten Echos;

Fig. 6 die Wellenform eines an einer Kathodenstrahlröhre dargestellten Echosignals,

Fig. 7 ein Kurvenbild über die Beziehung zwischen der Größe des Fehlers und der Größe des vom Fehler abgegebenen Echos;

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Ultraschall-Fehlerprüfvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 9 eine vergrößerte perspektivische Darstellung zur Detailkonstruktion des in Fig. 8 gezeigten Kugel trägers;

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausfüh rungsform einer Ultraschall-Fehlerprüfvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 11 einen Querschnitt einer noch weiteren Ausführungsform der Ultraschallwellen-Fehlerermittlungsvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 12 eine perspektivische Darstellung eines Hauptteils einer weiteren Ausführungsform der Ultraschall- Fehlerermittlungsvorrichtung gemäß der Erfindung.

Zuerst wird das erfindungsgemäße Verfahren der Ultraschall-Fehlerprüfung auf der Grundlage der Fig. 2 er läutert.

Gemäß Fig. 2 wird angenommen, daß ein Durchmesser des Dreh körpers 21 gleich D (mm), ein Versetzungswert der Mittenachse ª einer Sonde 24 von einer Normalachse b des Drehkörpers 21 gleich x (mm), die Geschwindigkeit einer Ultraschall-Kriech welle, die durch die Hauptmasse des Drehkörpers wandert, gleich V_B (m/s), die Geschwindigkeit der durch das Ultraschall- Übertragungsmedium wandernden Ultraschall-Längswelle gleich V_L (m/s), ein Einfallswinkel der Ultraschallwelle, der zwi schen der Mittenachse ª der Sonde und einer zur Oberfläche des Drehkörpers senkrechten Linie c gebildet ist, gleich R_L und ein Brechungswinkel der Ultraschallwelle, der zwischen einer Mittenachse d der Ultraschall-Brechungswelle und der Normalachse c besteht, gleich R_B ist. Dann wird eine Gleichung

V_L sin R_L=V_B sin R_B

erhalten. Diese Gleichung kann folgendermaßen umgeschrieben werden:

sin R_B=sin R_L · (V_B/V_L)

Um in der Oberfläche des Drehkörpers 21 ausgebildete Fehler zu ermitteln, muß die Ultraschall-Bre chungswelle sich in einer tangentialen Richtung fortpflanzen, so daß der Brechungswinkel R_B gleich 90° sein sollte. Wenn R_B mit 90° festgesetzt wird, dann wird R_B gleich 1, weshalb sin R_L · (V_B/V_L) ebenfalls gleich 1 wird. Somit wird

sin R_L=V_L/V_B=x/(D/2)

erhalten, weil sin R_L=x/(D/2) ist. Wenn der Versetzungswert x gleich (D/2) · (V_L/V_B) festgesetzt wird, so wandert deshalb die Ultraschallwelle längs der Ober fläche des Drehkörpers 21. Demzufolge können in der Oberflä che des Drehkörpers 21 entstandene feine Fehler festgestellt werden.

Tatsächlich hat der von der Sonde 24 abgegebene Ultraschall strahl eine definierte Dicke, so daß feine Fehler nicht nur in der Oberfläche des Drehkörpers, sondern auch in deren un mittelbarer Nähe ermittelt werden können. Ist der Durchmes ser D des Drehkörpers 21 relativ groß, so spielt es keine Rolle, ob der Durchmesser des Ultraschallstrahls groß ist oder nicht. Wenn jedoch der Durchmesser des Drehkörpers klein ist, z. B. 20 mm oder darunter, so ist es erwünscht, den Durch messer des Ultraschallstrahls klein zu halten, weil die genaue Prüfung ohne eine Beeinflussung durch ein Rauschen oder eine Störung durchgeführt werden kann. Deshalb ist es erwünscht, in diesem Fall eine Sonde der fokussierenden Art zu verwen den. Wenn beispielsweise eine Lagerkugel mit einem Durchmesser von 10 mm durch die fokussierende Sonde mit einem Fokusdurch messer von 0,2-0,3 mm geprüft wird, dann können feine Feh ler mit einem Durchmesser von etwa 30 µm, die in der Oberflä che oder in einer Oberflächenschicht, die eine Dicke von 1-2 mm aufweist, ausgebildet sind, ganz genau ermittelt werden.

Im folgenden wird das experimentelle Ergebnis bezüglich eines Bereichs des Versetzungswertes zwischen der Mittenachse ª der Sonde und der Normalachse b des Drehkörpers im einzelnen erläutert.

Wie die Fig. 3 zeigt, wird eine aus Siliziumnitrid gebildete Lagerkugel 21 mit einem Durchmesser von 10 mm drehbar und ohne Spiel an einer halbkugelförmigen, in einer Stirnfläche eines Trägers 23 ausgebildeten Vertiefung 22 gehalten. Eine Sonde 24 wird an einer Halterung 25 vorgesehen. Der Träger 23 und die Halterung 25 werden in einen mit Wasser angefüll ten Behälter 26 eingesetzt. Die Sonde 24 erzeugt eine Ultra schallwelle mit einer Frequenz von 15 MHz und hat einen Ultra schallwandler mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Brenn weite von 20 mm. Die Sonde wird an der Halterung 25 mittels einer Stellschraube 27 derart festgelegt, daß ein Abstand zwischen der Sonde 24 und der Oberfläche der Lagerkugel 21 eingeregelt werden kann. Dieser Abstand muß gleich der Brenn weite der Sonde 24 sein. Zuerst wird die Lage der Halterung 25 mit Bezug zum Träger 23 derart festgesetzt, daß die Mitten achse ª der Sonde 24 mit der Normalachse b der Lagerkugel 21 zusammenfällt. Dann wird die Sonde 24 an ein Ultraschall- Prüfgerät 28, das außerhalb des Wasserbehälters 26 angeord net ist, angeschlossen. Hierauf wird Elektroenergie dem Prüf gerät 28 zugeführt, so daß eine Ultraschallwelle von der Sonde 24 zur Kugel 21 hin ausgesandt wird. Eine Wellenform eines von der Kugel 21 reflektierten Echos wird an einer Ka thodenstrahlröhre 29, die im Prüfgerät 28 vorhanden ist, sichtbar dargestellt und beobachtet. Anschließend wird der Versetzungswert zwischen der Mittenachse ª der Sonde 24 und der Normalachse b der Lagerkugel 21 durch allmähliches Bewe gen der Halterung 25 eingestellt, während die Wellenform des Echos beobachtet wird.

Als Ergebnis dessen kann, wenn der Versetzungswert x kleiner ist als (D/2) · (V_L/V_B)-D · (2/100), ein Echo von einem in der Kugeloberfläche ausgebildeten Fehler nicht von einem vorherr schenden Echo von der Kugeloberfläche unterschieden werden, weil die Ultraschallwelle zum Einfallen auf die Kugelfläche im wesentlichen rechtwinklig hierzu gebracht wird, wie in Fig. 4A gezeigt ist. Deshalb ist der Pegel des Echosignals der von der Kugelfläche reflektierten Ultraschallwelle sehr viel höher als desjenigen, das vom Fehler reflektiert wird, wie in Fig. 4B zeigt. Wenn dagegen der Versetzungswert x die folgende Bedingung erfüllt:

(D/2) · (V_L/V_B)-D · (2/100)≦x≦(D/2) · (V_L/V_B)+D · (2/100),

dann kann das Echo vom Fehler vom Echo von der Kugelfläche unterschieden werden, weil der Brechungswinkel der Ultraschall welle im wesentlichen gleich 90° ist, so daß die Ultraschall welle längs der Kugelfläche wandert, wie in Fig. 4C gezeigt ist. Ferner wird der Einfallswinkel R_L der Ultraschallwelle größer, er beträgt beispielsweise 13°-16°, so daß der Pegel des von der Kugelfläche reflektierten Echos niedrig wird, wie die Fig. 4D zeigt.

Des weiteren kann, wenn der Versetzungswert x größer als (D/2) · (V_L/V_B)+D · (2/100) gemacht wird, der Echopegel vom Fehler nicht vom elektrischen Rauschen des Prüfgeräts 28 un terschieden werden, weil der Brechungswinkel der Ultraschall welle größer als 90° wird, so daß die Ultraschallwelle schwer lich in die Hauptmasse der Kugel eindringt und durch die Oberfläche in einer Richtung reflektiert wird, die unterschied lich zu derjenigen zur Sonde hin ist, wie in Fig. 4E gezeigt ist, weshalb der Echopegel vom Fehler sehr niedrig wird, wie der Fig. 4F zu entnehmen ist.

Die Fig. 5 zeigt ein Diagramm über die Beziehung zwischen dem Versetzungswert x und der Größe eines Echos vom Fehler an der Lagerkugel 21 und einem Rauschen oder einer Störung. Der Einfachheit halber wird in Fig. 5 der Ausdruck (D/2) · (V_L/V_B) durch X_O dargestellt. Die ausgezogene Kurve A in Fig. 5 gibt eine Größe eines vom Fehler in der Kugel oberfläche reflektierten Echos an, während die gestrichelte Kurve B den Wert des Rauschens oder der Störung kennzeich net. Aus dem Diagramm wird deutlich, daß dann, wenn die Sonde so angeordnet wird, daß der Versetzungswert x zwischen der Mittenachse ª der Sonde und der Normalachse b des Drehkörpers die folgende Bedingung erfüllt:

(D/2) · (V_L/V_B)-D · (2/100)≦x≦(D/2) · (V_L/V_B)+D · (2/100),

es möglich ist, den in der Oberfläche oder in deren unmittel barer Nähe gebildeten Fehler der Lagerkugel genau und ohne Beeinflussung durch das Rauschen zu ermitteln.

Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausfüh rungsformen erläutert.

In einer ersten Ausführungsform wird das Ultraschall-Prüfge rät von Fig. 3 verwendet. Der Versetzungswert x der Mitten achse ª der Sonde mit Bezug zur Normalachse b der Kugel 21 wurde mit 1,3 mm bei einer Toleranz von ±0,2 mm festgesetzt.

Dieser Versetzungswert x erfüllt die Bedingung

(D/2) · (V_L/V_B)-D · (2/100)≦x≦(D/2) · (V_L/V_B)+D · (2/100),

wobei der Durchmesser der Lagerkugel 10 mm ist, die Geschwin digkeit V_L der Ultraschall-Längswelle, die durch das Wasser wandert, 1500 m/s beträgt und die Geschwindigkeit V_B der Ul traschall-Kriechwelle, die durch die Kugel wandert, 5800 m/s ist. Die Lagerkugel war aus Siliziumnitrid gefertigt, die Ultraschallfrequenz wurde mit 15 MHz festgesetzt. Die Sonde 24 hatte einen Durchmesser von 6 mm sowie eine Brennweite von 20 mm und wurde so angeordnet, daß der Abstand zwi schen der Oberfläche der Lagerkugel 21 und der Sonde 24 gleich der Brennweite der Sonde war. Anschließend wurde die Sonde 24 mit dem Hochfrequenzsignal erregt, um die Ultraschallwelle zur Kugel hin hervorzurufen. Das von der Lagerkugel 21 reflek tierte Echo wurde durch die Sonde erfaßt und an der Kathoden strahlröhre 29 sichtbar dargestellt. Unter Beobachtung der Ultraschall-Wellenform an der Kathodenstrahlröhre wurde die Kugel von Hand gedreht, um die gesamte Oberfläche der Kugel abzutasten, und wenn an der Kathodenstrahlröhre 29 ein Spit zenwert angegeben wurde, wie in Fig. 6 gezeigt ist, dann wurde auf der Oberfläche der Kugel 21 am einschlägigen oder betref fenden Punkt eine Markierung angebracht.

Nach Prüfung der gesamten Oberfläche der Lagerkugel 21 auf diese Weise wurden die markierten Stellen an der Kugel mit Hilfe eines optischen Mikroskops betrachtet. Es zeigte sich als Ergebnis, daß fehlerartige Vertiefungen gefunden wurden, deren Abmessungen maßlich erfaßt wurden. Nach einer Prüfung von zehn Kugeln in der beschriebenen Weise wurden bei fünf Kugeln Fehler gefunden. Die Fig. 7 stellt ein Diagramm dar, das eine Beziehung zwischen der Größe (dB) des von den Fehlern der fünf Kugeln reflektierten Echos und den Abmessungen (µm) der Fehler zeigt. Aus der Fig. 7 wird deutlich, daß feine Fehler mit Durchmessern von 30-100 µm in präziser Weise ermittelt werden können.

Die Fig. 8 und 9 zeigen eine weitere Ausführungsform einer Ultraschall-Fehlerermittlungsvorrichtung, die einen Kugelträ ger 31 mit einer in einer oberen Fläche von diesem ausgebil deten halbkugelförmigen Vertiefung 32 aufweist. In der Ver tiefung 32 wird eine Kugel 33 mit einem Durchmesser von 10 mm drehbar und ohne Spiel angeordnet. In der Oberfläche der Ver tiefung 32 ist ein Schlitz oder eine Nut 34 mit einer Breite von 0,2 mm und einer Tiefe von 0,5 mm ausgebildet. In der Hauptmasse des Trägers 31 sind eine dünne oder enge Röhre 35 mit einem Durchmesser von 0,2 mm und eine weite Röhre 36 ausgestaltet. Das eine Ende der engen Röhre 35 steht mit dem Schlitz 34 an einer Stelle in Verbindung, die in Fig. 9 etwas nach rechts hin verschoben ist, während das andere Ende der engen Röhre mit der weiten Röhre 36 verbunden ist.

Die Fig. 9 zeigt in einer vergrößerten Darstellung die halb kugelförmige Vertiefung 32, den Schlitz 34 sowie die im Träger 31ausgebildete enge und weite Röhre 35 und 36. Die Röhre 36 steht mit einer Pumpe (P) 37 in Verbindung, welche außerhalb des Wasserbehälters 38 angeordnet und mit diesem durch eine Leitung 39, wie die Fig. 8 zeigt, verbunden ist. Die Pumpe 37 steht über ein Absperrventil 40 und eine Leitung 41 mit der Röhre 36 in Verbindung. Um die Kugel 33 in der Vertiefung 32 zu drehen, wird Wasser aus dem Behälter 38 durch die Pumpe 37 zu den Röhren 36, 35 und zum Schlitz 34 hin gefördert sowie vom Schlitz 34 ausgestoßen, um auf Grund der Viskosität des Wassers die Kugel 33 zu drehen. Die durch die enge Röhre 35 fließende Wassermenge wird mittels des Absperrventils 40 so geregelt, daß die Kugel mit einer Geschwindigkeit von 300 U/min gedreht wird.

Um die Kugel 33 hin und her zu drehen, ist der Träger 31 an einem Drehtisch 42 befestigt, welcher mit einer Abtriebswelle 43a eines unter dem Boden des Wasserbehälters 38 angeordneten Elektromotors 43 verbunden ist. Irgendwelche Räume zwischen der Abtriebswelle 43a und dem Wasserbehälter 38 werden durch O-Ringe 44 abgedichtet, um ein Durchsickern von Wasser zu verhindern.

Des weiteren wird eine Ultraschall-Fehlerprüfsonde (Fehler prüfkopf) 45 mit einem Ultraschallwandler von 6 mm Durchmes ser und einer Brennweite von 20 mm durch eine Halterung 46 getragen. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Lage der Sonde 45 so eingestellt wird, daß der Abstand zwischen dem Kopf der Sonde 45 und der diesem zugewandten Oberfläche der Kugel 33 gleich der Brennweite der Sonde wird, worauf die Sonde 45 an der Halterung 46 mittels einer Stellschraube 47 fest gelegt wird. Über ein Kabel 49 ist die Sonde 45 mit dem Ultra schall-Prüfgerät 48 verbunden, welches seinerseits an einen Meßschreiber 50 angeschlossen ist.

Um die Ultraschallwelle, die auf die Kugel 33 trifft, zu einem Wandern längs der Kugeloberläche zu bringen, wird die Mittenachse ª der Sonde 45 von der Mittenachse b der Kugel um den Wert x, welcher gleich 1,3 mm±0,2 mm ist, verschoben.

Während die Ultraschallwelle mit einer Frequenz von 15 MHz von der Sonde 45 zur Kugel 33 hin ausgesandt wird, wird die Kugel in einer durch einen Pfeil angegebenen Richtung mit einer Geschwindigkeit von 300 U/min gedreht, und gleichzei tig wird der Kugelträger 31 durch den Motor 33 mit einer nie drigen Geschwindigkeit von 5 U/min über einen Winkel von wenig stens 180° gedreht.

Auf diese Weise kann die gesamte Oberfläche der Kugel 33 in selbsttätiger, automatisierter Weise geprüft werden. Das von der Sonde 45 erzeugte Echosignal wird an der Kathodenstrahl röhre des Ultraschall-Prüfgeräts 48 sichtbar dargestellt und durch den Meßschreiber auf einem Aufzeichnungspapier aufge tragen.

Unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung wurden zehn Kugeln aus Siliziumnitrid geprüft, und Echos, von denen angenommen wurde, daß sie von Fehlern reflektiert werden, wurden bei drei Kugeln aus den zehn Kugeln beobachtet. Dann wurden die Oberflächen dieser Kugeln mit einem optischen Mi kroskop überprüft, wobei ein Fehler nach Art einer Vertiefung in der Oberfläche einer jeden dieser drei Kugeln gefunden wurde, während in den Oberflächen der übrigen sieben Kugeln keine Fehler festzustellen waren.

Die Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Ultra schall-Fehlerprüfvorrichtung gemäß der Erfindung, wobei ein in einer Oberfläche einer zylindrischen Rolle eines Lagers ausgebildeter Fehler ermittelt werden soll. Die Rolle 61 wird drehbar und ohne Spiel auf einer im wesentlichen halbzylindri schen konkaven Fläche des Rollenträgers 62 gelagert. In dieser halbzylindrischen Fläche des Rollenträgers 62 sind zwei in der Umfangsrichtung der halbzylindrischen Fläche verlaufende Schlitze 63 ausgestaltet, die über eine Röhre 64, welche im Rollenträger ausgebildet ist, mit einer Leitung 65 in Ver bindung stehen. Wie bei der Ausführungsform von Fig. 8 steht die Leitung 65 mit einer Pumpe in Verbindung, so daß das Ultraschall-Übertragungsmedium, wie Wasser, das in einem Be hälter 66 enthalten ist, durch die Schlitze 63 ausgestoßen wird, um die Rolle 61 in Richtung des Pfeils A (Fig. 10) zu drehen.

Von einer Halterung 68 wird eine Ultraschallsonde 67 gelagert, die mittels einer Stellschraube 69 festgehalten wird. Die Sonde 67 ist mit einem Ultraschall-Prüfgerät 71, mit dem ein Meßschreiber 72 verbunden ist, über ein Kabel 70 in Verbindung.

Bei dieser Ausführungsform ist die Sonde 67 mit Bezug zur Rolle 61 so angeordnet, daß der Versetzungswert x zwischen der Mittenachse ª der Sonde und der Normalachse b der Rolle mit 1,3 mm bei einer Toleranz von ±0,2 mm bestimmt ist. Ein Wandler der Sonde ist von der Rolle mit einem Abstand, der gleich der Brennweite des Wandlers ist, getrennt.

Der Rollenträger 62 wird linear durch einen (nicht gezeig ten) Motor hin- und herbewegt, wie durch die Pfeile B und C angegeben ist. Die Sonde 67 ist bei der in Rede stehenden Ausführungsform dieselbe wie bei der vorherigen Ausführungs form und wird mit einer Geschwindigkeit von 300 U/min durch Ausstoßen von Wasser von den Schlitzen 63 gedreht, während der Rollenträger 62 linear mit einer Geschwindigkeit von 3 cm/s bewegt wird.

Zehn Rollen aus Siliziumnitrid wurden mit Hilfe der oben be schriebenen Vorrichtung geprüft. Bei vier Rollen aus diesen zehn wurden fehlerartige Echos beobachtet. Durch Besichtigen der zylindrischen Oberfläche dieser vier Rollen mit einem optischen Mikroskop wurde in jeder Oberfläche dieser vier Rollen ein Fehler nach Art einer Vertiefung festgestellt, während bei den anderen sechs Rollen in den Zylinderflächen keine Fehler zu ermitteln waren.

Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ultra schall-Fehlerprüfvorrichtung ist im Querschnitt in Fig. 11 gezeigt. Da diese Ausführungsform derjenigen von Fig. 8 ähnlich ist, werden zu dieser Ausführungsform gleichartiger Teile mit denselben Bezugszahlen bezeichnet und nicht nochmals im ein zelnen erläutert. Bei der Ausführungsform von Fig. 11 wird eine Sonde 45 von einem an einem Drehtisch 42 befestigten Arm 81 gehalten. Damit wird die Sonde 45 durch Betreiben eines Elektomotors 43 um das Zentrum einer Kugel 33 im wesent lichen 180° gedreht. Die Kugel 33 wird durch Umwälzen von im Behälter 38 enthaltenem Wasser über die Leitung 39, die Pumpe 37, das Absperrventil 40, die Leitung 41 und den Kugel träger 31, in dem Röhren sowie ein Schlitz ausgebildet sind, wie in Fig. 9 gezeigt ist, gedreht. Der Kugelträger 31 ist mit dem Behälter 38 durch einen Träger 82 fest verbunden. Auch bei dieser Ausführungsform kann die gesamte Oberfläche der Kugel 33 automatisch abgetastet und jeglicher in der Kugeloberfläche oder in deren Nähe vorhandener Fehler unver züglich und präzis festgestellt werden.

Die Fig. 12 zeigt wesentliche Teile einer weiteren Ausführungs form einer Ultraschall-Fehlerprüfvorrichtung gemäß der Erfin dung, die eine Abwandlung der in Fig. 10 gezeigten Ausführungs form darstellt, weshalb gleichartige Teile mit denselben Be zugszahlen bezeichnet sind. Eine zylindrische Rolle 61 eines Lagers wird drehbar von einem Rollenträger 62 gelagert, der mit einem Behälter 66 über einen Träger 91 verbunden ist. Im Rollenträger 62 ist eine im wesentlichen halbzylindrische konkave Fläche ausgebildet, auf der die Rolle ruht. In der halbzylindrischen konkaven Fläche sind in Umfangsrichtung Schlitze ausgestaltet, mit denen Leitungen in Verbindung ste hen. Die Rolle 61 wird in Richtung eines Pfeils A durch Umwäl zen von im Behälter 66 enthaltenem Wasser über eine Leitung 92, eine Pumpe 93, ein Absperrventil 94, eine Leitung 95 und den Rollenträger 62 gedreht. Anstatt die Rolle 61 linear in ihrer Achsrichtung zu bewegen, wird bei dieser Ausführungs form die Ultraschallsonde 67 linear und parallel zur Achs richtung der Rolle 61 bewegt. Zu diesem Zweck wird die Rolle 67 von einer Sondenhalterung 96 getragen, die verschiebbar an einer Führungsstange 97 gelagert ist. Mit einem in der Halterung 96 ausgebildeten Gewinde steht eine Gewindespindel 98 in Eingriff, die durch einen Elektromotor 39 gedreht wird, so daß die Sondenhalterung 96 und damit die Sonde 67 linear und parallel zur Achsrichtung der zylindrischen Rolle 61 be wegt werden. Auf diese Weise kann die gesamte Oberfläche der zylindrischen Rolle automatisch mit dem Ultraschallstrahl abgetastet werden, so daß jeglicher Fehler in der Oberfläche der Rolle oder in unmittelbarer Nähe dieser Oberfläche exakt ermittelt werden kann.

Wenngleich der Erfindungsgegenstand zur Ermittlung von feinen Fehlern, die in der Oberfläche von Drehkörpern aus anderen Materialien als Keramiken vorhanden sind, verwendet werden kann, ist es vorzuziehen, den Erfindungsgegenstand bei Drehkörpern aus einem Keramikmaterial zur Anwendung zu bringen, weil selbst ein feiner Fehler in der Oberfläche des Drehkörpers einen großen Einfluß auf dessen mechanische Festigkeit hat. Die aus Keramikmaterial, z. B. Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder Zirkonerde, gefertigten Drehkörper werden in vorteilhaf ter Weise für Lager, abriebfeste Bauteile und Gleitteile, für die eine hohe mechanische Festigkeit und Härte gefordert wird, verwendet.

Als Ultraschallwellen-Übertragungsmedium wird im allgemeinen Wasser verwendet, jedoch kann anstelle von Wasser Turbinen- oder Zylinderöl zur Anwendung kommen.

Wie vorstehend im einzelnen beschrieben wurde, können mit dem Ultraschall-Fehlerprüfverfahren und mit der Ultraschall- Fehlerprüfvorrichtung gemäß der Erfindung sehr feine Fehler, die einen Durchmesser von etwa 30-100 µm haben und in der Oberfläche der Kugel oder der Rolle von Lagern oder in einer Oberflächenschicht, die eine Dicke von etwa 2 mm hat, entstan den sind, in exakter Weise innerhalb einer sehr kurzen Zeit spanne ermittelt werden.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung eines Defekts im Oberflächen bereich eines keramischen Drehkörpers mit kreisförmigen Querschnitt, wie einer Lagerkugel oder -rolle, mit Hilfe einer fokussierenden Sonde, die in einem Übertragungsmedium eine Ultraschallwelle in Richtung auf den Drehkörper ab strahlt und die von diesem reflektierte Ultraschallwelle aufnimmt, und deren Mittelachse (a) zu einer Normalachse (b) des Drehkörpers um einen Wert (x) parallel versetzt angeordnet wird, so daß die Ultraschallwelle im wesent lichen in einem kritischen Reflektionswinkel auf den Dreh körper auftritt, wobei ein Teil der Ultraschallwelle gebrochen wird und im wesentlichen entlang der Oberfläche des Drehkörpers als Oberflächenwelle propagiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwelle im wesentlichen auf der Oberfläche des Rotationskörpers mit einer solchen Versetzung (x) fokussiert wird, daß der Brechungswinkel der Ultraschallwelle im wesentlichen 90° beträgt, wobei der Rotationskörper zur Abtastung seiner gesamten Oberfläche in dem Übertragungsmedium gedreht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreh körper und die Sonde derart angeordnet sind, daß der Versetzungs wert (x) zwischen der Mittelachse (a) der Sonde und der Normalachse (b) des Drehkörpers die folgende Bedingung erfüllt: (D/2) · (V_L/V_B)-D · (2/100)≦x≦(D/2) · (V_L/V_B)+D · (2/100),in welcher D (mm) einen Durchmesser eines Drehkörpers V_B (m/s) eine Geschwindigkeit einer innerhalb des Drehkörpers wandernden Ultraschall-Kriechwelle und V_L (m/s) eine Geschwindigkeit einer durch das Ultraschallwellen-Übertragungsmedium wandernden Ultra schall-Längswelle bezeichnen.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Drehkörper des Lagers aus einem Keramikmaterial, das aus einer aus Siliziumnitrid, Siliziumkarbid und Zirkonerde be stehenden Gruppe ausgewählt ist, gefertigt ist.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lagerkugel um eine erste, zur Normalachse (b) rechtwinkligen Drehachse gedreht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel mit wenigstens 180° um eine zweite Drehachse, die sowohl zur Nor malachse (b) als auch zur ersten Drehachse rechtwinklig ist, ge dreht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde mit wenigstens 180° um eine zweite Drehachse, die sowohl zur Normalachse (b) als auch zur ersten Drehachse recht winklig ist, gedreht wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehkörper eine Lagerrolle ist und um seine Längsachse gedreht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rolle linear in Richtung ihrer Längsachse bewegt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde linear zur einer zur Längsachse der Rolle parallelen Richtung bewegt wird.

10. Vorrichtung zur Ermittlung eines Defektes im Oberflächenbe reich eines Drehkörpers mit kreisförmigem Querschnitt, wie einer Lagerkugel oder -rolle, mit Hilfe einer Ultraschallwelle nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, mit einer fokussierenden Sonde (24, 45, 67) zur Ab strahlung einer fokussierten Ultraschallwelle in Richtung auf den Drehkörper (21, 33, 61) und Aufnahme der von dem Defekt reflektier ten Ultraschallwelle, einer ersten den Drehkörper (21, 33, 61) um seine Mittelachse drehbar abstützende Halteeinrichtung (23, 31, 62), einer zweiten, die fokussierende Sonde (24, 45, 67) in bezug zum Drehkörper (21, 33, 61) derart lagernde Halteeinrichtung (25, 46, 68, 96), daß eine Mittelachse (a) der Sonde zur Normalachse (b), um einen Wert (x) parallel versetzt ist, daß die Ultraschallwelle in einem im wesentlichen kritischen Reflektionswinkel auf den Drehkörper auftrifft, wobei ein Teil der Ultraschallwelle mit im wesentlichen 90° gebrochen wird und im wesentlichen entlang der Oberfläche des Drehkörpers als Oberflächenwelle läuft, während sich die Sonde in einem Abstand von dem Drehkörper be findet, der im wesentlichen gleich dem Brennpunktabstand der Ultraschallwelle ist, so daß die von der Sonde abgestrahlte Ultraschallwelle auf der Oberfläche des Drehkörpers fokussiert wird, sowie einer Einrichtung (26, 38, 66), die ein Ultraschallübertragungsmedium enthält, in welches die Sonde und die erste sowie die zweite Halte einrichtung eingetaucht sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Versetzungswert (x in mm) der Mittelachse (a) der Sonde (24, 45, 67) und der Normalachse (b) des Drehkörpers (21, 33, 61) die folgende Bedingung erfüllt: (D/2) · (V_L/V_B)-D · (2/100)≦x≦(D/2) · (V_L/V_B)+D · (2/100),worin D (mm) einen Durchmesser des Drehkörpers, V_B (m/s) eine Ge schwindigkeit einer innerhalb des Drehkörpers wandernden Ultra schall-Kriechwelle und V_L (m/s) eine Geschwindigkeit einer durch das Ultraschallwellen-Übertragungsmedium wandernden Ultraschall- Längswelle bezeichnen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite, die Sonde (24, 45, 67) lagernde Halteeinrichtung eine die Sonde in einer in Richtung deren Mittelachse verschiebbar lagernde Halterung (25, 46, 68, 96) und eine die Sonde in der Halterung festlegende Einrichtung (27, 47, 69) umfaßt, so daß ein Abstand zwischen dem Drehkörper (21, 33, 61) und der Sonde auf die Brennweite der Sonde einzustellen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, zur Ermittlung von Fehlern an einem eine Kugelgestalt aufweisenden Drehkörper, ge kennzeichnet
durch eine erste, die Kugel (33) um deren Mittelachse drehende Ein richtung (31, 32, 34, 35, 36, 37) und
durch eine zweite, die Kugel um eine Achse, die sowohl zur Normal achse als auch zur Mittelachse der Kugel rechtwinklig ist, um wenigstens 180° drehende Einrichtung (42, 43, 31).

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste drehende Einrichtung einen Tragblock (31), eine in einer Oberfläche des Tragblocks ausgebildete, im wesentlichen halb kugelförmige konkave Fläche (32), auf der die Kugel (33) ohne Spiel gelagert ist, einen in der halbkugelförmig konkaven Fläche aus gebildeten, sowie parallel zur Normalachse verlaufenden Schlitz (34), eine in dem Tragblock ausgebildete, mit dem Schlitz in Ver bindung stehende Röhre (35, 36) und eine das Ultraschallwellen- Übertragungsmedium durch die Röhre sowie den Schlitz zur Aus bildung einer die Kugel drehenden Strahlströmung umwälzende Ein richtung (37) umfaßt.