DE3905430A1 - Ultraschall-pruefverfahren und -vorrichtung fuer kugeln - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Prüfverfahren sowie eine Ultraschall-Prüfvorrichtung, um Fehler an Bauele­ mente bildenden Kugeln festzustellen.

Die Oberflächen und das Innere von Bauelemente oder Konstruk­ tionsteile bildenden Kugeln wurden mit Hilfe einer Röntgen­ strahlenprüfung, einer zyklographischen Prüfung oder einer Prüfung des Äußeren mit Hilfe von Mikroskopen oder den Augen untersucht.

Bei der bisher angewendeten Röntgenstrahlenprüfung, zyklo­ graphischen Prüfung und Prüfung des Äußeren mit Hilfe von Mikroskopen oder den Augen wurden jedoch die als Bauelemen­ te dienenden und zu prüfenen Kugeln von Hand gedreht. Die Untersuchungen mit diesen Prüfverfahren sind insofern zeit­ aufwendige und mühsame Vorgänge, wobei es nicht sicher ist, daß die Kugeln auf ihrer gesamten Außenumfangsfläche auch tatsächlich abgetastet oder besichtigt worden sind.

Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Ultraschall-Prüfverfahren anzugeben und eine verbesserte Ultraschall-Prüfvorrichtung zu schaffen, um Fehler an Bau­ elemente bildenden Kugeln zu ermitteln, wobei durch dieses Verfahren und diese Vorrichtung alle dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile beseitigt werden.

Bei einem Ultraschall-Prüfverfahren zur Ermittlung von Feh­ lern an Bauelemente bildenden Kugeln, die in einem Ultra­ schallwellen übertragenden Medium angeordnet sind, mit Hilfe von von einer in das übertragende Medium eingetauchten Ultra­ schallsonde übermittelten reflektierenden Ultraschallechos wird eine Kugel auf zwei Sätzen von Kugel-Treibrollen ange­ ordnet, wobei diese Treibrollen während der Ermittlung von Fehlern, d.h. der Prüfung der Kugel, angetrieben werden, um die Kugel zu drehen.

Die Ultraschall-Prüfvorrichtung gemäß der Erfindung zur Ermitt­ lung von Fehlern an Bauelemeente bildenden Kugeln umfaßt Kugel-Treibrollen, von denen jede ein Wellenstück und einen Kugel-Treibabschnitt oder -bereich mit einer kreisförmigen Ausgestaltung in einem zum Wellenstück rechtwinkligen Quer­ schnitt hat, um eine auf den Kugel-Treibrollen angeordnete Kugel zu drehen, wenn die Treibrollen gedreht werden, und eine Ultraschall-Fehlerermittlungssonde, um Ultraschallwel­ len zu der Kugel zur Abtastung von Fehlern dieser Kugel zu übertragen.

In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung ist der Kugel-Treibabschnitt oder -bereich einer jeden Kugel- Treibrolle mit der zu prüfenden Kugel an wenigstens zwei Punkten in Berührung, wobei die Gestalt des Kugel-Treibab­ schnitts kreisförmig ist und diese Abschnitte in die beiden Punkte einschließenden sowie zum Wellenstück rechtwinkligen Querschnitten unterschiedliche Durchmesser haben. Durch diese Anordnung und Ausbildung wird ein Zentrum der Kugel fortschrei­ tend während der Drehung verschoben, so daß ein Abtasten durch die Ultraschallwellen auf der gesamten Außenumfangsfläche der Kugel bewirkt wird.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nä­ her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt einer Ultraschall- Prüfvorrichtung in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf zwei Rollensätze, die bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Anwendung kom­ men können;

Fig. 3 eine Draufsicht auf gegenüber der Fig. 2 abgewan­ delte Rollensätze;

Fig. 4a und 4b eine Seiten- bzw. Draufsicht von Treibrollen­ sätzen und einer zu prüfenden Kugel.

Wie bereits erwähnt wurde, sind die Kugel-Treibrollen als eine Kombination von Rollen ausgebildet, von denen jede ein Wellenstück sowie einen Kugel-Treibabschnitt oder -bereich hat, der in einem zum Wellenstück rechtwinkligen Querschnitt kreisförmig ausgestaltet ist. Die Treibrolle kann durch Zusam­ menfügen eines Wellenstücks mit zwei sphärischen oder kege­ ligen Oberflächenteilen oder durch einstückiges Ausbilden des Wellenstücks mit zwei sphärischen oder kegelförmigen Oberflächenteilen oder durch Zusammenfügen von zwei Kreis­ scheibenplatten mit gekrümmten bzw. sich verjüngenden Ober­ flächen zur Lagerung der zu prüfenden Kugel gefertigt sein.

Wie die Fig. 2 als konkretes Beispiel zeigt, kann jeder der beiden Rollensätze aus einem Wellenstück und zwei sphärischen Flächenteilen oder -abschnitten mit gleichen Außendurchmessern bestehen. Gemäß Fig. 3 wird jeder der beiden Rollensätze aus einem Wellenstück und zwei kegeligen Flächenteilen oder -ab­ schnitten mit gleichen Außendurchmessern gebildet. Des wei­ teren zeigt die Fig. 4, daß jeder der beiden Rollensätze aus einem Wellenstück und zwei sphärischen Oberflächenabschnit­ ten oder -bereichen, die unterschiedliche Durchmesser haben, besteht.

Gemäß der Erfindung wird eine ein Konstruktionsteil bildende Kugel auf zwei solchen Rollensätzen angeordnet und mit einer vorbestimmten Drehzahl oder Umlaufgeschwindigkeit durch Rei­ bungskräfte zwischen dieser Kugel und den drehenden Kugel- Treibrollen gedreht.

Im Fall von Kugel-Treibrollen, die jeweils ein Wellenstück und zwei sphärische Flächenabschnitte mit gleichen Außendurch­ messern haben sowie mit gleicher Drehzahl in beiden Sätzen gedreht werden, wird die Kugel in Parallelität mit den Rollen bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit gedreht.

Das Prinzip des Drehens der Kugel, die von einem Rollensatz mit sphärischen oder kegeligen Oberflächenabschnitten von unterschiedlichen Durchmessern getrieben wird, wird beispiel­ haft unter Bezugnahme auf die Fig. 4 erläutert.

Wie die Fig. 4 zeigt, wird eine Kugel c mit dem Durchmesser D _c auf zwei Sätzen von Rollen, welche jeweils zwei sphäri­ sche Oberflächenabschnitte a sowie b mit den Durchmessern D _A bzw. D _B haben, angeordnet. Die Durchmesser d _A , d _B und e _A sowie e _B der sphärischen Flächenabschnitte a sowie b und der Kugel c liegen rechtwinklig zu einer Drehachse X der Kugel c und verlaufen durch die Berührungspunkte A sowie B zwischen der Kugel c und den sphärischen Flächenabschnitten a sowie b. Wenn die Rollen mit einer Drehzahl N gedreht wer­ den, so wird die Kugel c mit einer Drehzahl n gedreht. In diesem Fall ergeben sich die folgenden Umlaufgeschwindigkei­ ten:

V _A = π e _A × N/60 × d _A /e _A = π Nd _A /60
V _B = π e _B × N/60 × d _B /e _B = f Nd _B /60

Das heißt mit anderen Worten, daß die Kugel c mit den Umlauf­ geschwindigkeiten V _A und V _B gedreht wird, deren Verhältnis ein Verhältnis der Außendurchmesser D _A und D _B ist, so daß die Kugel einer Kraft F unterworfen wird, welche aus dem Unterschied zwischen den Umlaufgeschwindigkeiten V _A und V _B resultiert. Deshalb wird die Drehachse X der Kugel c nachein­ ander und fortschreitend verschoben, während die Kugel c in einer vorbestimmten Richtung dreht.

Kugeln, die mit dem Ultraschall-Prüfverfahren und mit der Prüfvorrichtung gemäß der Erfindung untersucht werden, sind solche, die als Bauelemente oder Konstruktionsteile für La­ ger, abriebfeste Bauteile und gleitende Elemente verwendet werden.

Die Materialien der zu prüfenden Kugeln unterliegen keinen speziellen Beschränkungen. Es können keramische Materialien und Metalle verwendet werden. Da die keramischen Materialien insbesondere in bezug auf ihre Festigkeit durch feine Fehler in diesen nachteilig beeinflußt werden, ist die Erfindung insbesondere auf Kugeln aus keramischen Materialien anwend­ bar. Keramische Kugeln werden vor allem aus Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Zirkoniumdioxid oder Aluminiumoxid gefertigt, die die Anforderungen an hohe Festigkeit und hohe Härte für eine Verwendung als Lagerbauteile, abriebfeste Teile, Gleit­ bauteile u.dgl. erfüllen.

Gemäß der Erfindung ist die Sondenlagerung imstande, um die Kugel einschließlich einer Mittelachse einer drehenden Fläche der Kugel zu drehen, so daß das Abtasten von Fehlern an und in der Kugel auf deren gesamter Außenumfangsfläche ohne ir­ gendeinen mühsamen und/oder beschwerlichen Vorgang ausgeführt werden kann.

Das bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete Medium für die Übertragung des Ultraschalls ist im allgemeinen Was­ ser. Jedoch können auch andere Flüssigkeiten, wie Turbinen-, Zylinderöl u.dgl., für diesen Zweck zur Anwendung kommen.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die Ultraschall-Fehlerprüf- oder -ermitt­ lungsvorrichtung nach der Erfindung zwei Sätze von Kugel- Treibrollen 11 mit jeweils zwei Kugeln von 10 mm Durchmesser, um keramische Kugeln 10, die untersucht werden sollen, zu drehen, einen Kugel-Antriebsmotor 14 zur Drehung der Treib­ rollen 11 mit Hilfe von Getrieberädern 12 und eines Antriebs­ riemens 13, einen Sonden-Tragarm 16, an dem eine Sonde 15 befestigt ist, und einen Sonden-Antriebsmotor 17, der durch den Tragarm 16 die Sonde 15 um die Keramikkugeln 10 dreht. Die Vorrichtung wird in einem Wasserbehälter 18, der eine geeignete Menge an Wasser enthält, zum Teil angeordnet. Wie die Fig. 1 zeigt, werden die Motoren 14 und 17, die die Kera­ mikkugeln 10 bzw. die Sonde 15 antreiben, an einem Tragge­ stell 23 gelagert, während die beiden Sätze von Kugel-Treib­ rollen 11 an einem Lagerbock 24 gehalten werden. Eine in den Antrieb zwischen dem Motor 14 und den beiden Sätzen von Kugel-Treibrollen 11 eingegliederte Welle ist drehbar in La­ gern 25 aufgenommen.

Beispiel 1

Kugeln 10 aus Siliziumnitrid mit 10 mm Durchmesser wurden unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung geprüft. Nach Aufbringen von einer Kugel 10 auf die Kugel­ Treibrollen 11 wurde der Antriebsmotor 14 in Gang gesetzt, um diese Rollen über die Getrieberäder 12 sowie den Antriebs­ riemen 13 zu drehen. In diesem Fall wurde die Drehzahl des Antriebsmotors 14 für die Rollen 11 bzw. die Kugel 10 so ge­ regelt, daß die Kugel auf den Rollen mit 300 U/min gedreht wurde.

Eine Ultraschallsonde 15 mit einem Schwingungsgeber von 5 mm Durchmesser und einer Fokusweite von 10 mm wurde mit einer Fehlerermittlungsfrequenz von 30 MHz verwendet. Die Sonde 15 wurde am Tragarm 16 befestigt und mit einem Ultraschall- Defektoskop 19 über ein Kabel 20 verbunden. Dann wurde die Sonde 15 in ihrer Lage so justiert, daß der Abstand zwischen der Sonde 15 sowie der Oberfläche der Kugel 5 mm betrug und die Einfallswinkel der Ultraschallwellen im wesentlichen rechtwinklig zur Oberfläche der Kugel 10 gerichtet waren.

Der Kugel-Antriebsmotor 14 wurde so betrieben, daß die Kugel 10 mit einer Geschwindigkeit von 300 U/min gedreht wurde, während Wellenformen durch eine Kathodenstrahlröhre 21 des Defektoskops 19 betrachtet und zugleich die Wellenformen durch einen mit dem Defektoskop 19 verbundenen Meßschreiber 22 aufgezeichnet wurden. Des weiteren wurde der Antriebsmotor 17 in Gang gesetzt, um die Sonde 15 über einen Winkelbereich von 180° um die Kugel 10 mit einer Geschwindigkeit von 5 U/min zu drehen und die gesamte Oberfläche der Kugel abzu­ tasten.

Bei der an zehn Kugeln aus Siliziumnitrid durchgeführten Ul­ traschall-Fehlerprüfung wurden Echos, die vermutlich durch Fehler hervorgerufen wurden, an zwei Kugeln beobachtet. Teile der beiden Kugeln, an denen die Echos festgestellt wurden, wurden geschliffen, wobei Poren- oder Blasenfehler in der Größenordnung von 80-100 µm in Tiefen von 0,8 mm bzw. 1,2 mm von der Kugeloberfläche aus gefunden wurden.

Beispiel 2

Anstelle der Kugel-Treibrollen 11 wurden zwei Sätze von Ku­ gel-Treibrollen 30 gemäß Fig. 4a und 4b verwendet. Jeder Rol­ lensatz bestand aus zwei Kugeln mit Durchmessern von 10 mm bzw. 12 mm. Die Prüfvorrichtung wurde im Behälter 18 angeord­ net, in den Wasser gefüllt wurde.

Kugeln 10 aus Siliziumnitrid hatten einen Durchmesser von 10 mm und wurden durch einen Trocken-Farbstift markiert. Eine Kugel 10 wurde auf die Treibrollen 30 gelegt. Anschlie­ ßend wurde der Antriebsmotor 14 in Gang gesetzt, um über die Getrieberäder 12 sowie den Antriebsriemen 13 die Treibrollen 30 zu drehen. In diesem Fall wurde der Antriebsmotor 14 so geregelt, daß die Kugel 10 aus Siliziumnitrid an den Treib­ rollen 30 mit einer Geschwindigkeit von 300 U/min gedreht wurde. Ein Rotationszentrum der Kugel 10 wurde während dieser Drehung progressiv verschoben. Die Verschiebung des Rotations­ zentrums der Kugel 10 wurde mit Hilfe der sich bewegenden, an der Kugeloberfläche befindlichen Farbstift-Markierung mit den Augen beobachtet, und die für ein Drehen der Verschie­ bung um 180° erforderliche Zeit wurde gemessen. Als Ergebnis wurde gefunden, daß sich die Drehung über 180° mit 15 Sekun­ den verschob.

Eine Ulstraschallsonde 15 mit einem Schwingungsgeber von 5 mm Durchmesser und einer Fokusweite von 10 mm wurde mit einer Fehlerermittlungsfrequenz von 30 MHz zum Einsatz ge­ bracht. Die Sonde 15 wurde am Tragarm 16 befestigt und mit dem Ultraschall-Defektoskop 19 über ein Kabel 20 verbunden. Dann wurde die Sonde 15 in ihrer Lage so justiert, daß der Abstand zwischen der Sonde sowie der Oberfläche der Kugel 5 mm betrug und die Einfallswinkel der Ultraschallwellen im wesentlichen rechtwinklig zur Oberfläche der Kugel 10 ver­ liefen.

Der Kugel-Antriebsmotor 14 wurde in Gang gesetzt, um die Ku­ gel 10 mit einer Geschwindigkeit von 300 U/min zu drehen, wobei Wellenformen mittels der Kathodenstrahlröhre 21 des Defektoskops 19 beobachtet und zugleich die Wellenformen an dem mit dem Defektoskop 19 verbundenen Meßschreiber 22 aufge­ zeichnet wurden. Während die Kugel auf diese Weise gedreht wurde, wurde das Ermitteln von Fehlern in der Kugel für 15 Sekunden durchgeführt.

Bei der Ultraschall-Fehlerprüfung an den zehn Kugeln aus Si­ liziumnitrid wurden vermutlich durch Fehler verursachte Echos an drei Kugeln festgestellt.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß das Ultraschall-Prüfverfahren und die Ultraschall-Prüfvorrich­ tung für Bauelemente bildende Kugeln gemäß der Erfindung zu­ verlässig und schnell feine Fehler an und in Kugeln ermit­ teln kann.

Gemäß der Erfindung kann ein Ultraschall-Prüfverfahren Fehler an Bauelemente bildenden, in einem Ultraschallwellen über­ tragenden Medium angeordneten Kugeln mit Hilfe von reflektie­ renden Ultraschallechos, die von einer in das übertragende Medium eingetauchten Ultraschallsonde übertragen werden, entdecken. Die zu prüfende Kugel wird auf zwei Sätzen von Kugel-Treibrollen angeordnet, welche angetrieben werden, um die Kugel während der Prüfung zu drehen. Eine Ultraschall- Prüfvorrichtung umfaßt Kugel-Treibrollen, von denen jede ein Wellenstück sowie einen Kugel-Treibabschnitt mit kreisförmi­ ger Gestalt in einem zum Wellenstück rechtwinkligen Quer­ schnitt hat, um die auf den Treibrollen angeordnete Kugel bei Drehen der Treibrollen zu drehen, und eine Ultraschall­ sonde, die um die Kugel drehbar ist, um Ultraschallwellen für ein Abtasten von Fehlern der Kugel zu dieser hin zu übertragen.

Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausfüh­ rungsbeispiele erläutert; es ist jedoch klar, daß dem Fach­ mann bei Kenntnis der vermittelten Lehre Abänderungen und Abwandlungen an die Hand gegeben sind, die als in den Rahmen der Erfindung anzusehen sind.

Claims (12)

1. Ultraschall-Prüfverfahren zur Ermittlung von Fehlern an Bauelemente bildenden Kugeln, die in einem Ultraschallwel­ len übertragenden Medium angeordnet sind, mit Hilfe von von einer in das übertragende Medium eingetauchten Ultra­ schallsonde übermittelten reflektierenden Ultraschallechos, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kugel auf zwei Sätzen von Kugel-Treibrollen angeordnet wird und die Treibrollen zur Drehung der Kugel während der Ermittlung von Fehlern der Kugel angetrieben werden,

2. Prüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Satz von Kugel-Treibrollen zwei Treibrollen um­ faßt und sämtliche vier Kugel-Treibrollen im wesentlichen den gleichen Durchmesser haben.

3. Prüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Satz von Kugel-Treibrollen zwei Kugel-Treibrol­ len mit unterschiedlichen Durchmessern umfaßt.

4. Prüfverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallsonde um eine Mittel­ achse einer Rotationsfläche der auf den Kugel-Treibrollen angeordneten Kugel um diese Kugel herum gedreht wird.

5. Ultraschall-Prüfvorrichtung zur Ermittlung von Fehlern an Bauelemente bildenden Kugeln, gekennzeichnet durch Kugel-Treibrollen (11, 30, a, b), von denen jede ein Wel­ lenstück sowie einen Kugel-Treibabschnitt mit kreisförmi­ ger Gestalt in einem zum Wellenstück rechtwinkligen Quer­ schnitt hat, um eine auf den Kugel-Treibrollen angeord­ nete Kugel (10, c) bei einer Drehung der Kugel-Treibrol­ len zu drehen, und durch eine Ultraschallwellen zur Abta­ stung von Fehlern der Kugel (10, c) zu dieser übertragen­ de Ultraschallsonde (15) .

6. Prüfvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel-Treibrollen (11, 30, a, b) aus zwei Treib­ rollensätzen bestehen und jeder Satz ein Wellenstück sowie zwei Kugel-Treibabschnitte umfaßt.

7. Prüfvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche vier Kugel-Treibabschnitte von kreisförmi­ ger Gestalt sind und im wesentlichen gleiche Durchmesser (d _A , d _B ) haben.

8. Prüfvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Kugel-Treibabschnitte sphärische Oberflächen­ bereiche (a, b) sind.

9. Prüfvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Kugel-Treibabschnitte Kegel-Oberflächenberei­ che haben.

10. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kugel-Treibabschnitt einer jeden der Kugel-Treibrollen (11, 30, a, b) mit der Kugel (10, c) an wenigstens zwei Punkten in Berührung ist und die Kugel-Treibabschnitte eine kreisförmige Gestalt mit unter­ schiedlichen Durchmessern in die beiden Punkte einschlie­ ßenden sowie zum Wellenstück rechtwinkligen Querschnitten haben.

11. Prüfvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel-Treibrollen (11, 30, a, b) aus zwei Sätzen von Kugel-Treibrollen bestehen und jeder Satz das Wellen­ stück sowie zwei Kugel-Treibabschnitte umfaßt.

12. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen die Ultraschall­ sonde (15) lagernden Sonden-Tragarm (16) umfaßt, der um die auf den Kugel-Treibrollen (11, 30, a, b) angeordnete Kugel (10, c) um eine Mittelachse (X) einer Rotations­ fläche der Kugel herum drehbar ist.