DE3905430C2

DE3905430C2 -

Info

Publication number: DE3905430C2
Application number: DE3905430A
Authority: DE
Inventors: Keiji Nagoya Aichi Jp Kawasaki; Koji Gifu Jp Fushimi; Shigeo Nagoya Aichi Jp Nishioka
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1988-02-26
Filing date: 1989-02-22
Publication date: 1992-12-17
Also published as: JPH0625756B2; DE3905430A1; JPH01219554A; US4969361A

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Prüfungsverfahren sowie eine Ultraschall-Prüfungs-Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2.

Ein derartiges Verfahren bzw. eine entsprechende Vorrichtung ist aus US-Z: Ultrasonics, November 1973; S. 247, 249 bekannt. Hierbei soll die Kugel, die sich um eine horizontale Achse dreht, periodisch angehalten werden. Die Kugel soll hierauf verdreht werden und anschließend um eine neue Achse rotieren. Damit läßt sich eine gleichmäßige Abtastung der gesamten Oberfläche nicht erzielen, und es besteht die Gefahr, daß mehr oder weniger große Oberflächenbereiche ungeprüft verbleiben.

Aus der DE-OS 21 06 891 ist ein Kugelprüfgerät bekannt, bei welchem der antreibende Mechanismus aus einem als lose laufendes Stützrad ausgebildeten Stützelement und zwei auf einer Achse sitzenden, kegelförmigen Reibrädern besteht. Auch hier ist eine gleichmäßige Rotation und Abtastung der Kugel bzw. der Kugeloberfläche innerhalb eines Schallübertragungsmediums nicht möglich.

Nach der DE-PS 15 73 840 ist ein Antriebswalzenpaar für in einer Prüfeinrichtung zu prüfende Kugeln vorgesehen, auf welchem die zu prüfenden Kugeln laufen. Seitliche Stützrollen sollen eine oszillierende Bewegung der Kugel ausführen. Auch hier läßt sich eine gleichmäßige Drehung der Kugel zur vollständigen Überprüfung der gesamten Kugeloberfläche nicht erzielen.

Auch nach der DE-PS 12 76 914 soll eine oszillierende Bewegung auf die Kugel übertragen werden. Es ist dort eine Steuerscheibe vorgesehen, die in der Weise von einer Rotationsfläche abweicht, daß sich der Kontaktpunkt zwischen Kugel und Scheibe im Raum periodisch mit der Abwälzbewegung hin- und herverlagert. Es soll hierbei keine gleichmäßige Drehung der Kugel erzielt werden.

Nach der DE-OS 30 04 079 dreht sich die Kugel in einer Schale auf einer Koppelflüssigkeit. Über die Koppelflüssigkeit abstrahlende Düsen soll die Kugel um eine nicht raumfeste Achse gedreht werden. Da sich die Kugel hierbei nahezu willkürlich dreht, ist ein gleichmäßiges Erfassen der Kugeloberfläche nicht durchführbar.

Schließlich ist aus der DE-OS 31 48 609 ein Detektor bekannt, bei welchem eine erste Antriebseinrichtung die zu prüfende Kugel um eine erste Drehachse antreibt, während eine zweite Antriebseinrichtung vorgesehen ist, mit deren Hilfe der Tastkopf eine Drehbewegung um eine die erste Drehachse schneidende zweite Drehachse gedreht wird. Es ist dementsprechend ein außerordentlicher konstruktiver Aufwand erforderlich, um die beiden unterschiedlichen Drehbewegungen auszuführen.

Angesichts dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die es ermöglichen, die gesamte Kugeloberfläche gleichmäßig abzutasten, ohne daß es erforderlich ist, den Tastkopf oder Detektor um eine zweite Rotationsachse zu drehen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 oder 2 angegebenen Merkmale, wobei hinsichtlich bevorzugter Ausgestaltungen der Vorrichtung auf die Merkmale der Unteransprüche verwiesen wird.

Dadurch, daß die Kugel an Punkten mit unterschiedlichen Durchmessern an den Antriebselementen in Kontakt steht, führt sie eine Drehbewegung aus, die sich aus einer Rotation um eine Horizontalachse und eine solche um eine Vertikalachse zusammensetzt. Dabei wird die Rotation der Ultraschallprüfsonde zur Erfassung der gesamten Kugeloberfläche überflüssig. Durch die gleichmäßige Rotationsbewegung der Kugel ist ein Abtasten der gesamten Oberfläche gewährleistet.

Die Treibabschnitte können gemäß den Unteransprüchen 3 und 4 kugel- oder kegelförmig ausgebildet sein.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Vorrichtung, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigt im einzelnen:

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 kommen können;

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

Fig. 4a und 4b eine Seiten- bzw. Draufsicht von Treibrollensätzen 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 Zusammenfügen eines Wellenstücks mit zwei sphärischen oder kegeligen Oberflächenteilen oder durch einstückiges Ausbilden des Wellenstücks mit zwei sphärischen oder kegelförmigen Oberflächenteilen oder durch Zusammenfügen von zwei Kreisscheibenplatten mit gekrümmten bzw. sich verjüngenden Oberflächen 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 bestehen. Gemäß Fig. 3 wird jeder der beiden Rollensätze aus einem Wellenstück und zwei kegeligen Flächenteilen oder -ab schnitten 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 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 = π 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.

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 Ultraschallfrequenz 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 Ultraschallsonde 15 mit einem Schwingungsgeber von 5 mm Durchmesser und einer Fokusweite von 10 mm wurde mit einer Ultraschallfrequenz 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.

Claims

1. Ultraschall-Prüfverfahren zur Ermittlung von Fehlern an einer keramischen Kugel (10, c), bei dem eine einen Fehler ermittelnde Ultraschall-Sonde (15) sowie Antriebselemente (11, a, b) in ein Ultraschall-Übertragungsmedium eingetaucht werden, die Keramik-Kugel (10, c) auf die Antriebselemente (11, a, b) aufgelegt wird, Ultraschall-Wellen auf die Keramik-Kugel (10, c) gerichtet und das von der Keramik-Kugel (10, c) reflektierte Ultraschall-Echo aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei von vier einen Treibabschnitt aufweisenden Antriebselementen (11, a, b) auf einer Antriebswelle angeordnet und die Antriebswellen parallel zueinander ausgerichtet werden, wobei die Keramik-Kugel (10, c) jeden der Treibabschnitte in einem Punkt berührt und die Berührpunkte mit den Treibabschnitten jeweils einer Antriebswelle einen unterschiedlichen Abstand (d_A, d_B) zur zugeordneten Antriebswelle besitzen.

2. Ultraschall-Prüfungsvorrichtung zur Ermittlung von Fehlern an einer keramischen Kugel (10, c), bei der eine einen Fehler ermittelnde Ultraschall-Sonde (15) sowie Antriebselemente (11, a, b) in ein Ultraschall-Übertragungsmedium eingetaucht sind, die Keramik-Kugel (10, c) auf die Antriebselemente (11, a, b) aufgelegt ist, Ultraschall-Wellen auf die Keramik-Kugel (10, c) gerichtet werden und das von der Keramik-Kugel (10, c) reflektierte Ultraschall-Echo aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei von vier einen Treibabschnitt aufweisenden Antriebselementen (11, a, b) auf einer Antriebswelle angeordnet und die Antriebswellen parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei die Keramik-Kugel (10, c) jeden der Treibabschnitte in einem Punkt berührt und die Berührpunkte mit den Treibabschnitten jeweils einer Antriebswelle einen unterschiedlichen Abstand (d_A, d_B) zur zugeordneten Antriebswelle besitzen.

3. Ultraschall-Prüfungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente (11, a, b) im Bereich der Treibabschnitte kugelförmig ausgebildet sind.

4. Ultraschall-Prüfungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente (11, a, b) im Bereich der Treibabschnitte kegelförmig ausgebildet sind.