DE3843588C2 - Härteprüfgerät zur Härteprüfung unter Last und Verfahren zum Justieren eines derartigen Härteprüfgerätes - Google Patents
Härteprüfgerät zur Härteprüfung unter Last und Verfahren zum Justieren eines derartigen HärteprüfgerätesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Härteprüfgerät nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
Aus DE 35 04 535 C1, DE 33 29 690 C1 und DE 23 57 033 C2 sind Vorrichtungen
und Verfahren zur Ermittlung der Härte fester Körper nach der Kontakt-
Impedanz-Methode bekannt. Eine entsprechende Vorrichtung und ein
entsprechendes Verfahren zeigt auch die DE 37 20 625 C2, die nicht vorveröffentlicht
ist. Aus J. Kising u. a. "Das UCI-Verfahren - ein automatisierbares
Härteprüfverfahren nach Vickers unter Prüfkraft" In: VDI Berichte 583
(1986) S. 371 bis 391 ist ein Härteprüfgerät der eingangs genannten Art
bekannt. Schließlich zeigt JP 55-17442 (A), in: Pat. Abstr. of Japan. Sect. P,
Vol. 4 Nr. 47 (1980) (P-6) eine Einrichtung zum Umsetzen von Härtewerten
von Vickers-Meßwerten in Rockwell-Werte.
Bei dem aus US 31 53 338 und 35 72 097 bekannten Resonanzverfahren der
eingangs genannten Art zur Härteprüfung, das häufig als UCI-(Ultrasonic-
Contact-Impedance)-Verfahren bezeichnet wird, wird ein stabförmiger Resonator
mit Hilfe von piezoelektrischen Ultraschallwandlern zu Eigenschwingungen
in longitudinaler Richtung angeregt. Dabei wird ein Stab der Länge
L bei L/4 festgelegt, wodurch sich nur die erste Oberschwingung ausbilden
kann. Der Stab hat an seinem unteren, freien Endbereich einen Eindringkörper
aus Diamant. Bei elastischer Kopplung dieses Systems mit einer
Masse findet eine Verschiebung der Resonanzfrequenz f₀ des Resonators zu
höheren Werten f₀+df statt, da eine zusätzliche Rückstellkraft auf das
schwingende System wirkt. Die Größe dieser
Rückstellkraft und damit die genannte Verschiebung sind von der Kontaktfläche
zwischen Eindringkörper und Testkörper und deren elastischem
Verhalten abhängig.
Im einzelnen ist die Frequenzänderung eine Funktion der Kontaktfläche,
der Elastizitätsmoduli des Diamanten bzw. Testkörpers, der Poissonzahlen
des Diamanten bzw. Testkörpers und der Resonanzfrequenz des Resonators.
Die entsprechenden Formeln sind in den beiden US-Patenten angegeben.
Sind die Elastizitätsmoduli und Poissonzahlen nicht bekannt, kann
das vorbekannte Härteprüfgerät mit Hilfe einer Vergleichsplatte vorbekannter
Härte kalibriert werden. Dann sind Messungen an Werkstücken,
deren elastische Konstanten sich nur wenig von denen der Härtevergleichsplatte
abweichen, möglich. Es ist dann nur noch bei bekannter
Resonanzfrequenz die Messung der Frequenzverschiebung notwendig. In der
Praxis hat sich gezeigt, daß unlegierte und niedrig legierte Stähle
weitgehend übereinstimmende Elastizitätsmoduli bzw. Poissonzahlen haben,
so daß das Kalibrierverfahren mit einer einmaligen Grundeinstellung
sich für derartige Stähle eignet.
Das Härteprüfgerät der eingangs genannten Art ist aus dem Zeitschriftenartikel
"VDI-Bericht", Nummer 583/1986, Seite 371 bis 391, bekannt.
Bei diesem Kleinlast-Härteprüfer befinden sich alle elektronischen
Teile, insbesondere der für die Anregung des Resonators vorgesehene
elektronische Generator und die elektronische Empfängerschaltung, im
Grundgerät. Jedem Grundgerät ist nur eine Sonde zugeordnet, Sonde und
Grundgerät sind dabei aufeinander abgestimmt. Dieses Härteprüfgerät
wird mittels einer Härtevergleichsplatte grundjustiert. Bei Austausch
einer Sonde gegen eine andere Sonde muß eine neue Justierung stattfinden.
Ebenso muß eine neue Justierung stattfinden, wenn andere Materialien
mit deutlich unterschiedlichen Elastizitätsmoduli gemessen werden
sollen, beispielsweise anstelle eines Stahls die Materialien Kupfer,
Blei, Aluminium oder Gummi.
Die Grundjustierung mit Hilfe einer Härtevergleichsplatte des Gerätes
der eingangs genannten Art hat sich als nicht ausreichend erwiesen.
Bedingt durch zwangsläufige Produktabweichungen der einzelnen Sonden
und der einzelnen Grundgeräte voneinander sind die funktionalen Abhängigkeiten
der Härtewerte nach Vickers von der zugehörigen Frequenzänderung
df individuell bestimmt und von den Zusammenhängen für eine
andere Sonde bzw. ein anderes Grundgerät so unterschiedlich, daß merkliche
Fehler auftreten.
Aus der deutschen Patentschrift 33 29 690 ist ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Vereinfachung der Härtemessung nach der Kontakt-Impedanz-Methode
bekannt. Hierbei werden während eines ersten Zeitbereichs
die Schwingungen des frei schwingenden stabförmigen Resonators und
während eines zweiten Zeitbereichs gleicher Dauer wie der erste Zeitbereich
die Schwingungen des an ein Werkstück angekoppelten Resonators
ausgezählt. Während des zweiten Zeitbereichs werden die Schwingungen
des an das Werkstück angekoppelten Resonators nur so lange gezählt, bis
sich aus der Subtraktion dieses Zählwertes und dem Zählwert der während
des ersten Zeitbereichs gezählten Schwingungen der Differenzwert Null
ergibt, während der restlichen Dauer des zweiten Zeitbereichs werden
die Schwingungen mit einer fest vorgegebenen Periodendauer ausgezählt.
In einem Ausführungsbeispiel wird als Dauer des ersten Zeitbereichs
355 ms angegeben.
Aus der deutschen Patentschrift 35 04 535 ist ein Verfahren zur Ermittlung
der Härte fester Körper bekannt, das im wesentlichen mit einer
Vorrichtung durchgeführt wird, wie sie auch aus dem genannten VDI-Bericht
ersichtlich ist. Bei dem Verfahren wird jedoch keine Frequenzdifferenz
bestimmt, sondern die Amplitude des stabförmigen Resonators
bei mechanischer Kopplung mit dem Prüfstück bestimmt und aus dem Quadrat
der Amplitudenwerte die Härte des Prüfstücks ermittelt.
Ausgehend von dem Härteprüfgerät der eingangs genannten Art hat sich
die Erfindung die Aufgabe gestellt, die Nachteile des vorbekannten
Härteprüfgerätes der eingangs genannten Art und seines Justierverfahrens
zu vermeiden und das bekannte Härteprüfgerät und sein Justierverfahren
dahingehend weiterzubilden, daß eine präzisere Grundjustierung
erreicht wird und sich die Möglichkeit eröffnet, das Gerät mit einfachen
Mitteln und Verfahrensschritten für eine möglichst präzise Härteprüfung
andere Materialien als das für die Grundjustierung herangezogene
Material einzusetzen.
Ausgehend von dem Härteprüfgerät der eingangs genannten Art wird diese
Aufgabe dadurch gelöst, daß ein erster Speicher vorgesehen ist, in dem
die Funktion
HV =(x² (Ax² + Bx + C))-1
abgespeichert ist, wobei
x = df/f₀
ist mit f₀ der Grundfrequenz (Eigenfrequenz) des Resonators und df der
Frequenzabweichung von dieser Grundfrequenz bei Kontakt mit einem Material,
und daß ein zweiter Speicher vorgesehen ist für die Abspeicherung
der Koeffizienten A, B und C mindestens einer Meßsonde.
Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, daß sich die funktionale Abhängigkeit
des Härtewertes HV von der Frequenzverschiebung df durch die
oben genannte Formel darstellen läßt und diese Formel bei einer Extrapolation
zu höheren und geringeren HV-Werten, wie sie bei anderen
Materialien als das für die Grundeichung herangezogene Material sowie
auch bei diesem auftreten, recht genaue Werte für die Härte einer Probe
erhalten werden.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der
erste Speicher im Grundgerät vorgesehen und befindet sich der zweite
Speicher in der Meßsonde. Damit hat jede Meßsonde die Werte der Koeffizienten
A, B und C in sich abgespeichert, während das Grundgerät die
funktionale Abhängigkeit HV=f(x) permanent abgespeichert in sich trägt.
Dies ermöglicht einen Austausch des Grundgerätes mit unterschiedlichen
Meßsonden und umgekehrt, da das Grundgerät anhand der drei Koeffizienten,
die es von der Meßsonde mitgeteilt bekommt, jeweils die Anpassung
durchführt und die für die jeweilige Meßsonde geltende Funktion
HV=f(df) errechnet.
Verfahrensmäßig wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Grundjustieren
eines Härteprüfgerätes gelöst, bei dem das Justieren in an sich bekannter
Weise mit Hilfe von Härtevergleichsplatten erfolgt, bei welchem
Verfahren für drei Härtevergleichsplatten eines Materials, das HV-Werte
in einem möglichst breiten Bereich innerhalb der Werte HV=100 und HV
=1000 (Vickershärte) abdeckt, insbesondere Härtevergleichsplatten aus
niedrig legiertem Stahl, die Frequenzabweichung df von der Grundfrequenz
f₀ bestimmt werden, aus diesen drei ermittelten Werten df über
die Formel HV=(x² (Ax²+Bx+C))-1, wobei x=df/f₀ die 3 Koeffizienten
A, B und C ermittelt werden und die erhaltenen Werte abgespeichert,
vorzugsweise in der Meßsonde abgespeichert werden.
Aufgrund der drei möglichst weit auseinander liegenden und zudem in
einem Mittelbereich der Härte liegenden Härtevergleichswerte wird eine
für die jeweilige Meßsonde charakteristische funktionale Abhängigkeit
HV=f(df) errechnet und abgespeichert, mit Hilfe dieser konkreten
Funktion wird dann aus dem bei einem praktischen Einsatz ermittelten
df-Wert der Frequenzverschiebung unmittelbar der HV-Wert errechnet. Das
Härteprüfgerät nach der Erfindung deckt daher einen sehr breiten Bereich
zu ermittelnder Härtewerte ab. Das erfindungsgemäße Grundjustieren
erfolgt mit relativ geringem Aufwand, benötigt keinen erheblichen
Speicherplatz und läßt sich verfahrensmäßig einfach durchführen.
Wenn allgemein von den individuellen Parametern des stabförmigen Resonators
gesprochen wird, so sind hierunter nicht nur die Parameter
lediglich des nackten Resonatorstabes zu verstehen, sondern auch die
Parameter der an ihm angebrachten Ultraschallwandler, die individuelle
Ausbildung der Verbindung dieser Ultraschallwandler mit dem eigentlichen
Stab, die konkreten Verhältnisse der Halterung des Resonanzstabes
im Gehäuse usw. zu verstehen.
Im Grundgerät ist ein Mikrorechner vorgesehen, der mittels der in den
einzelnen Speichern der Meßsonden enthaltenen Informationen, unter
Berücksichtigung konstanter Parameter und der gemessenen Frequenzverschiebung
bzw. Periodendauer das Maß der Härte errechnet, das über die
Anzeigeeinheit von einem Benutzer abgelesen werden kann. Die einzelnen
Meßsonden sind für unterschiedliche Prüfkräfte ausgelegt, typische
Prüfkräfte liegen bei 2, 5, 10, 20 und 50 N.
Als sehr vorteilhaft hat es sich herausgestellt, im Gehäuse der Meßsonde
einen Schalter für die Auslösung des (empfangsseitigen) Meßvorgangs
für die Schwingungsdauer des Resonators und damit dessen Abweichung df
von der Eigenfrequenz vorzusehen, der ein auf die Position des verschiebbaren
Resonators reagierendes Auslöseelement hat. Beim Meßvorgang
wird die Meßsonde zunächst auf die Oberfläche der Probe aufgelegt und
langsam der Anlagedruck erhöht. Dabei komprimiert sich die Feder, die
in der Meßsonde angeordnet ist, der Resonator wird in das Gehäuse der
Meßsonde hineinbewegt. Hat er eine Position erreicht, die der vorgewählten
Prüfkraft entspricht, wird der Schalter betätigt und damit der
Meßvorgang ausgelöst. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß stets bei
einer vorgegebenen Prüfkraft gemessen wird.
Ein besonderer Vorteil einer derartigen Meßsonde mit Schalter liegt in
einer schnellen Frequenzmessung. Voraussetzung ist hierfür, daß die
Empfangselektronik auf eine kurzzeitige Messung, z. B. 20 ms, ausgelegt
ist. Für derartige, in relativ kurzer Zeit erfolgende Messungen ist es
vorteilhafter, die Periodendauer der Schwingung und nicht die Frequenz
zu messen. Aufgrund der relativ kurzzeitigen Meßdauer
ist das Meßergebnis weitgehend unabhängig von
der zeitlichen Konstanz der Prüfkraft während der eigentlichen Meßzeit.
Dadurch eignet sich das Härteprüfgerät vorteilhaft auch für den Handbetrieb.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den übrigen
Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend
zu verstehenden Ausführungsbeispiels der Vorrichtung sowie
der Justierverfahren, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert werden, in dieser zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Härteprüfgerätes
mit einer Meßsonde, deren Gehäuse durch das gestrichelte Viereck
angedeutet ist, und einem mit einer numerischen Anzeigeeinheit
versehenen Grundgerät, eine Verbindungsleitung ist eingezeichnet,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Meßsonde eines Härteprüfgerätes
nach der Erfindung und
Fig. 3 eine Darstellung der Funktion HV=(x²(Ax²+Bx+C))-1 am
Beispiel zweier Kurven zur Erläuterung der Justierungen.
Das Härteprüfgerät zur Härteprüfung unter Last hat mindestens eine
Meßsonde 20, die ein griffelähnliches, im wesentlichen zylindrisches
und sich zu einer Prüfspitze 22 hin verjüngendes Gehäuse 24 hat. In
Fig. 1 ist das Gehäuse durch ein eingezeichnetes Rechteck
angedeutet, das Gehäuse selbst ist aus Fig. 2 im einzelnen ersichtlich.
Danach besteht es im wesentlichen aus einem außen zylindrischen, innen
aber abgestuften Rohrkörper 26, in den am oberen Ende ein Deckel 28
eingesetzt ist und der nach unten durch eine teilweise konische, auf
ein Gewinde des Rohrkörpers 26 aufschraubbare Hülse 30 verlängert
werden kann, falls mit Abstandsröhrchen 32 gearbeitet werden soll.
Im Inneren des Gehäuses 24 ist ein stabförmiger Resonator 34 verschiebbar
gelagert. Er ragt im Normalfall etwas, beispielsweise 15% seiner
Gesamtlänge, frei aus dem unteren Ende des Rohrkörpers 26 hinaus. Ist
die Hülse 30 aufgeschraubt, so bleibt nur noch der die Prüfspitze 22
bildende Diamant einschließlich seines stabförmigen Halters 36 sichtbar.
Dieser Halter hat einen Durchmesser von 1 mm und ist beispielsweise
8 mm lang. Er ist in einen nach unten offenen Schlitz 38 des
Resonators 34 eingesetzt, so daß Halter 36 und Prüfspitze 22 ausgetauscht
werden können.
Der Resonator 34 ist innerhalb des Rohrkörpers 26 von einem Führungsrohr
40 umgeben. Im unteren Bereich bildet es Gewinde aus, dort ist der
Resonator 34 mittels Fixierschrauben 42 eingespannt. In entsprechender
Entfernung vom inneren Ende des Resonators 34 ist ein O-Ring 44 zwischen
Führungsrohr 40 und Resonator 34 eingelegt. Beidseitig dieses O-Ringes
44 sind Paare von Ultraschallwandlern in entsprechenden Ausnehmungen
des Resonators 34 an diesem befestigt. Die zwischen
dem O-Ring 44 und dem inneren freien Ende angeordneten Ultraschallwandler
46 sind mit einem Generator 50 elektrisch verbunden und
dienen der Anregung des Resonators 34. Die näher der geometrischen
Mitte des Resonators 34 und auf der anderen Seite des O-Ringes 44
vorgesehenen Ultraschallwandler 48 sind mit einer hier nicht näher dargestellten
Empfängerschaltung elektrisch verbunden. Diese ist so ausgelegt,
daß die Periodendauer der mechanischen Schwingungen des Resonators
34 erfaßt und an einen ebenfalls nicht dargestellten Mikrorechner
weitergegeben wird.
Das Führungsrohr 40 wird von zwei zylinderringförmigen Gleitlagern 52
umgriffen, von denen sich ein erstes im unteren Endbereich des Rohrkörpers
26 befindet. Oberhalb dieses Gleitlagers 52 vergrößert sich der
Innendurchmesser des Rohrkörpers 26, um Platz für die Aufnahme der
Fixierschrauben 42 zu schaffen. Der zugehörige Bereich des Führungsrohres
40 dient zugleich als unterer Anschlag und damit Wegbegrenzer des
Führungsrohres 40 (einschließlich des Resonators 34) nach unten, der
Anschlag erfolgt an einer inneren Stufe 54. Auf der Gegenseite zur
Stufe 54 stützt sich eine Zylinderfeder 56 an den Aufnahmen für die
Fixierschrauben 42 ab. Sie hat einen nur unwesentlich größeren Innendurchmesser,
als der Außendurchmesser des Führungsrohres 40 beträgt und
liegt ob an einer hülsenförmigen Stellschraube 58 an, die an ihrem
Innenmantel mit dem zweiten Gleitlager 52 verbunden ist. Ihr Außenmantel
hat ein Außengewinde, das mit einem Innengewinde an der Innenwand
des Rohrkörpers 26 in Eingriff steht und von oben, also der Seite des
Deckels 28, eingeschraubt werden kann.
Der Resonator 34 ist insgesamt etwa 55 mm lang. Sein inneres Ende 60
befindet sich etwa auf mittlerer Länge des Rohrkörpers 26. Der typische
Hub des Resonators 34 mit seinem Führungsrohr 40 liegt bei etwa 1,5 mm.
In der Fig. 2 ist die entspannte Position des Resonators 34 gezeigt.
In dieser Stellung befindet sich ein Auslöseelement 62 eines zentrisch
angeordneten Schalters 64 in freiem Abstand vom Ende 60. Wird der
Resonator 34 einschließlich seines Führungsrohres 40 jedoch durch Aufsetzen
der Prüfungsspitze 22 auf einen (nicht dargestellten) Testkörper
nach innen in das Gehäuse 24 gedrückt, so kommt das Ende 60 in mechanischen
Kontakt mit dem Auslöseelement 62, der Schalter 64 wird hierdurch
betätigt und die Messung ausgelöst.
Der Schalter 64 kann auch anders als bisher dargestellt ausgeführt
sein: So kann er beispielsweise als Näherungsschalter, als Softwareschalter,
als Lichtschranke, als Berührungsschalter oder dergleichen
ausgeführt werden. Vorteilhaft ist, wenn der Schalter 64 bzw. sein
Auslöseelement 62 nicht selbst den Weg des Resonators 34 nach oben hin
begrenzt.
Zwischen Schalter 64 und Deckel 28 hat der Rohrkörper 26 des Gehäuses
24 seine geringste Wandstärke. In diesem Bereich ist die Sondenelektronik
angeordnet, sie hat einen jeweils in Fig. 1 angegebenen, in Fig. 2
aber nicht näher dargestellten Speicher 66 und Generator 50. Die Sonnenelektronik
ist mit Kontakten eines Steckverbinders 70 verbunden, der
von dem Deckel 28 umgriffen und von der oberen Stirnseite des Gehäuses
24 zugänglich ist. An ihm wird mittels eines zweiten, nicht dargestellten
Steckverbinders eine Verbindungsleitung 72 lösbar angeschlossen,
die in Fig. 1 dargestellt ist. Sie verbindet die Meßsonde 20 mit einem
Grundgerät 74, in dem eine Anzeigeeinheit 76, die hier numerisch ausgeführt
ist, ein Mikroprozessor 79, eine numerische Tastatur 80, ein
Speicher 82 und Taster 84, 86, 88 untergebracht sind. Die Anzeige des
jeweils gemessenen Härtewertes erfolgt unmittelbar im Anschluß an die
Messung mittels der Anzeigeeinheit 76.
Fig. 3 zeigt den Verlauf der Funktion HV=(x² (Ax²+Bx+C))-1 für
zwei unterschiedliche Sätze der Koeffizienten A, B und C. Aufgetragen
sind auf der y-Achse die Vickers-Härtewerte HV und auf der x-Achse die
Frequenzabweichung df in Hertz. Ausgegangen wird von drei vorgegebenen
Härtewerten HV₁, HV₂ und HV₃, für diese Werte liegen Härtevergleichsplatten
vor, mit deren Hilfe die Justierung erfolgt. Die genannten HV-Werte
der einzelnen Platten sollen einen möglichst breiten Bereich der
Härtewerte im Bereich HV=100 bis HV=1000 überstreichen, beispielsweise
beträgt der Wert HV₁=850, der Wert HV₂=550 und der Wert HV₃=240
Vickers-Härte. Die beiden Kurven 90, 92 nach Fig. 3 unterscheiden
sich durch unterschiedliche Sätze der Koeffizienten A, B und C. Jede
Kurve ist dem - hier nicht dargestellten - tatsächlichen Verlauf der
Abhängigkeit von HV über df so gut wie möglich nachgebildet. Tatsächlich
sind die Abweichungen äußerst gering. Die wirkliche Kurve fällt auf
jeden Fall im Bereich der drei HV-Werte der Härtevergleichsplatten mit
der angenommenen Kurve 90 bzw. 92 nach der oben genannten funktionalen
Abhängigkeit zusammen.
Der Grundjustiergang selbst läuft wie folgt ab: Eine Meßsonde 20 wird
mit einem Grundgerät verbunden. Beim Grundgerät wird ein Taster 84
mit der Beschriftung "Grundjustierung" gedrückt, das Grundgerät verlangt
sodann die Eingabe des HV-Wertes einer ersten Härtevergleichsplatte.
Dieser wird über die Tastatur 80 eingegeben. Nun wird die
Meßsonde 20 gegen die entsprechende Härtevergleichsplatte gedrückt, die
Frequenzabweichung df wird ermittelt. Dieser Vorgang wird für die
beiden anderen Härtevergleichsplatten wiederholt, es ergeben sich wiederum
Frequenzabweichungen df, die jedoch jetzt andere Werte haben.
Aus den einzelnen df-Werten werden über die Formel x=df/f₀ die zugehörigen
x-Werte und mit diesen über die genannte funktionelle Abhängigkeit
die Koeffizienten A, B und C der speziellen Meßsonde errechnet.
Diese Koeffizienten werden im Speicher 66 der Meßsonde abgespeichert.
Tauscht man nun die Meßsonde 20 gegen eine andere Meßsonde aus, so
erhält man eine andere Kurve 92 und damit einen anderen Satz der Koeffizienten
A, B und C.
Nach Abschluß der Grundjustierung sind die Meßsonden nun einsetzbar für
das Material, aus dem die Härtevergleichsplatten bestehen, vorzugsweise
niedrig legierter Stahl.
Um nun auch andere Materialien, beispielsweise Aluminium, Kupfer, Gummi
usw. härtemäßig prüfen zu können, wird wie folgt vorgegangen: Man nimmt
eine Härtevergleichsplatte des Materials, für das die Messung erfolgen
soll, beispielsweise Kupfer. Es wird nun der Taster 86 mit der Zuordnung
"Justierung eines speziellen Materials" betätigt, sobald er
gedrückt ist, fordert das Grundgerät 74 die Eingabe des HV-Wertes
dieses Materials. Anschließend wird - wie oben beschrieben - mittels
der grundjustierten Meßsonde 20 eine Messung durchgeführt und der df-Wert
der Frequenzverschiebung ermittelt. Würde dieser Wert in die oben
genannte Gleichung mit den festen Parametern A, B und C eingesetzt, so
ergäbe sich ein HV-Wert, der sich von dem entsprechenden der Härtevergleichsplatte
für das spezielle Material unterscheidet. Die Unterschiede
werden dadurch berücksichtigt, daß nunmehr gesetzt wird x=K+df/f₀.
Der Wert für K wird so gewählt, daß, eingesetzt in die oben genannte
Gleichung mit den festen Parametern A, B und C derjenige HV-Wert erhalten
wird, der dem Wert der Härtevergleichsplatte entspricht. Der gefundene
K-Wert wird im Speicher 82 abgespeichert und kann jederzeit durch
Betätigen des Tasters 88 wieder abgerufen werden. Das Härteprüfgerät ist
somit justiert für das spezielle Material.
Im Grundgerät können mehrere Justierungen für einzelne, spezielle Materialien
vorgesehen sein. Die hier beschriebene Anordnung mit den Tastern
dient lediglich einer einfachen Erklärung, im allgemeinen wird
die Steuerung nicht über Taster, sondern im wesentlichen über Software
und die Eingabetastatur 80 erfolgen.
Der Vorgang einer Justierung für ein spezielles Material ist in Fig. 3
schematisch dargestellt. Vorgegeben wird ein Wert HV₄, der der Härtewert
der Härtevergleichsplatte für das spezielle Material ist. Ohne
Korrektur durch den K-Wert, also unter der Annahme, das spezielle
Material sei dasselbe Material, wie es für die Grundjustierung benutzt
wurde, erhält man die Frequenzabweichung df₄ und damit den Punkt 94 in
Fig. 3. Durch Korrektur mittels des K-Wertes wird ein zugehöriger x-Wert
erhalten, in der Fig. 3 ist diese Korrektur (jedoch umgerechnet
auf df) durch den Pfeil 96 dargestellt, der eine Verschiebung parallel
zur x-Achse bis zum Schnittpunkt mit der zugehörigen Kurve 90 der
Meßsonde 20 zeigt. Durch die Korrektur mittels des K-Wertes ist also
die spezielle Härteverlaufskurve des untersuchten Materials angepaßt an
die Härteverlaufskurve des Materials, mit dem die Grundjustierung
durchgeführt wurde. Es zeigt sich überraschend, daß bei Benutzung der
funktionalen Abhängigkeit HV=f(x) eine Ausweitung des Meßbereichs
des Härteprüfgerätes zu niedrigen und höheren HV-Werten, als für die
Grundjustierung benutzt wurde, möglich ist und daß die Erweiterung
verläßliche Härtewerte für eine Vielzahl von Materialien liefert.
Die Zuordnung der gemessenen Frequenzabweichung df für die Gerätegrundjustierung
und die spezielle Justierung kann auch durch eine sogenannte
Komparatorschaltung erfolgen. Diese enthält als Kernstück die Funktion
HV=f(x) mit den beiden unterschiedlichen Festlegungen von x, also
einmal x=df/f₀ und (für das spezielle Material) x=K+df/f₀. Durch
feste Definition der Härtevergleichsplatten ist der Definitionsbereich
der zu ermittelnden Justierung in der Komparatorschaltung integriert.
Die Komparatorschaltung erhält in einer festgelegten Reihenfolge die auf
den Härtevergleichsplatten ermittelten Meßfrequenzen bzw. Frequenzabweichungen
df. Danach wird innerhalb dieser Schaltung die Gleichung HV=f(x)
so lange verändert, bis die gemessenen Frequenzen eine feste
Zuordnung zu den Härtevergleichsplatten haben. Ausgehend von der erhaltenen
Grundjustierung können durch die beschriebene Einpunktjustierung
Härtevergleichsplatten beliebiger spezieller Werkstoffe durch Justierung
für diesen Werkstoff der jeweiligen Sonde zugeordnet werden.
Mittels der Sondengrundjustierung lassen sich Linearitätsunterschiede
bei der Fertigung der Sonden kompensieren. Die Einpunktjustierung bietet
die Möglichkeit, mit einer bestimmten Sonde die Härte einer bestimmten
Anzahl unterschiedlicher Werkstoffe zu bestimmen.
Claims (9)
1. Härteprüfgerät zur Härteprüfung unter Last
- - mit mindestens einer Meßsonde (20) in Form eines Handgerätes,
das ein griffelähnliches Gehäuse (24) hat, in dem
verschiebbar ein stabförmiger Resonator (34) untergebracht
ist,
- a) der an seinem freien, aus dem Gehäuse vorstehenden Endbereich eine Meßspitze (22) aufweist,
- b) gegenüber dem Gehäuse (24) über eine Feder (56) abgestützt ist und
- c) mit Ultraschallwandlern (46, 48) verbunden ist, die an einen elektronischen Generator (50) und eine Änderungen seiner Schwingungsdauer bzw. Frequenz erfassenden Empfängerschaltung angeschlossen sind und
- - mit einem Grundgerät (74), das eine Anzeigeeinheit (76) aufweist und über eine Verbindungsleitung (72) lösbar mit der Meßsonde (20) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Speicher (82) vorgesehen ist,
in dem die Funktion HV=(x² (Ax²+Bx+C))-1 abgespeichert ist,
wobei
x=df/f₀ ist und
HV der zu messende Härtewert (Vickers-Härte) ist,
f₀ die Grundfrequenz (Eigenfrequenz) des freien Resonators und
df die Frequenzabweichung des Resonators von f₀ ist,
und daß ein zweiter Speicher (66) vorgesehen ist für die Abspeicherung der Koeffizienten A, B und C mindestens einer Meßsonde (20).
x=df/f₀ ist und
HV der zu messende Härtewert (Vickers-Härte) ist,
f₀ die Grundfrequenz (Eigenfrequenz) des freien Resonators und
df die Frequenzabweichung des Resonators von f₀ ist,
und daß ein zweiter Speicher (66) vorgesehen ist für die Abspeicherung der Koeffizienten A, B und C mindestens einer Meßsonde (20).
2. Härteprüfgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
erste Speicher (82) im Grundgerät (74) und der zweite Speicher in
der Meßsonde (20) angeordnet ist.
3. Härteprüfgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
ein zusätzlicher Speicher für mindestens ein unterschiedliches Material
vorgesehen ist, daß im ersten Speicher (82) einerseits die
Abhängigkeit x=K+df/f₀ abgespeichert ist und andererseits mindestens
ein Speicherplatz für einen K-Wert des Werkstoffes vorgesehen
ist und daß eine Eingabeeinrichtung (Taster 86, 88) für den Aufruf
einer Kalibrierung für das spezielle Material einschließlich Ermitteln
eines K-Wertes und den Abruf dieser Einstellung vorgesehen ist.
4. Härteprüfgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß im Gehäuse der Meßsonde (20) ein Schalter (64) für die
Auslösung des (empfangsseitigen) Meßvorgangs für die Schwingungsdauer
des Resonators (34) angeordnet ist, der ein auf die Position
des verschiebbaren Resonators (34) reagierendes Auslöseelement (62)
hat.
5. Härteprüfgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Empfangselektronik auf eine kurzzeitige Messung,
z. B. eine Messung innerhalb von 20 ms, der Schwingungsdauer des
Resonators (34) ausgelegt ist.
6. Härteprüfgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß im Grundgerät (74) Eingabevorrichtungen (Taster 84,
86, 88) für den Aufruf eines Grundjustierverfahrens, eines Justierverfahrens
für ein spezielles Material und für die Einstellung des
Grundgerätes auf die Härtemessung eines speziellen Materials vorgesehen
sind.
7. Verfahren zum Justieren des Härteprüfgerätes nach einem der Ansprüche
1 bis 6 mit Hilfe von Härtevergleichsplatten, dadurch gekennzeichnet,
daß für drei unterschiedliche Härtevergleichsplatten eines
Materials, das HV-Werte in einem möglichst breiten Bereich innerhalb
der Werte HV=100 und HV=1000 abdeckt, insbesondere aus niedrig
legiertem Stahl, die Frequenzabweichung df von der Grundfrequenz
f₀ bestimmt wird, daß aus diesen drei Werten für df über die Formel
HV=(x²·(Ax²+Bx+C))-1 über x=df/f₀ die drei Koeffizienten A, B
und C ermittelt werden und daß die erhaltenen Werte der Koeffizienten
A, B und C, vorzugsweise in der Meßsonde (20), abgespeichert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für eine
Härtevergleichsplatte eines anderen Materials die Frequenzabweichung
df von der Grundfrequenz f₀ bestimmt wird, daß die ermittelte Frequenzabweichung
df durch Wahl der Konstanten K in der Formel
df=(x-K)×f₀ so geändert wird, daß derjenige x-Wert erhalten
wird, den das Material für die Grundjustierung gemäß Anspruch 7
liefern würde, und daß der so erhaltene K-Wert abgespeichert wird.
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