DE3934578C2 - Verfahren zur Härteprüfung von Serienteilen mit geringer mechanischer Reaktanz - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Härteprüfung von Serienteilen mit geringer mechanischer Reaktanz, wobei die Prüfung unter Last und mit einem Härte­ prüfgerät durchgeführt wird, das einen stabförmigen Resonator, der an seinem freien Ende einen Vickers-Eindringkörper hat, aufweist.

Aus der DE-Veröffentlichung "Das UCI-Verfahren - ein automatisierbares Härteprüfver­ fahren nach nach Vickers unter Prüfkraft" in VDI-Berichte 583, VDI-Verlag GmbH (1986) S. 371-391, J. Kising et al., ist ein Verfahren zur Härteprüfung von Prüflingen bekannt. Die Prüfung wird mit einer vorgegebenen Prüfkraft unter Last mit einem Härteprüfgerät durchgeführt, das einen stabförmigen Resonator aufweist, der an seinem freien Ende einen Vickers-Eindringkörper hat und eine Einrichtung zum optischen Ausmessen der Eindrücke umfaßt. Dadurch ist einerseits eine Härtemessung nach der Ultraschall-Kon­ takt-Impedanzmethode (UCI) und andererseits ein optisches Ausmessen derselben Ein­ drücke möglich. Zur Kalibrierung wird eine Härtevergleichsplatte eingesetzt. Es wird ein Eindruck ausgeführt, der UCI-mäßig vermessen wird. Der dabei erhaltene Wert für die Frequenzverschiebung wird dem bekannten Härtewert der Härtevergleichsplatte zugeordnet. Dieses bekannte Verfahren setzt voraus, daß die Reaktanz des Prüflings und Dämpfungseffekte vernachlässigt werden können.

Die Härteprüfung nach Vickers ist als ein bekanntes, normiertes Meßverfahren vielfältig im praktischen Einsatz. Bei der vergleichbaren Härteprüfung nach der Kontakt-Impe­ danzmethode (UCI, ultrasonic contact impedance) wird die Frequenzverschiebung des stabförmigen, mechanischen Resonators, der in Kontakt mit der Oberfläche des härte­ zuprüfenden Teils gebracht wird, gemessen und hieraus die Härte ermittelt (US-PS 31 53 388; DE-PS 37 20 625). Dabei geht man von einem Prüfling mit unendlich großer mechanischer Reaktanz aus, d. h. es wird ein Prüfling angenommen, der entweder eine große Masse besitzt, mittels einer Koppelvorrichtung an eine große Masse angekoppelt ist oder in idealer Weise akustisch bedämpft wird. In der Veröffentlichung von Gladwell und Kleesattel in "Ultrasonics, Oktober 1968, Seiten 244 bis 251" ist der Einfluß der Reak­ tanz des Prüflings durch Angabe eines Faktors für die Prüflingsreaktanz berücksichtigt. Bei Prüfkräften zwischen drei N und neun N und einer Resonanzfrequenz von ca. acht­ zig kHz liegt ausreichende Reaktanz des Prüflings dann vor, wenn er eine Masse von mehr als zehn Gramm, eine Dicke von über vier Millimetern und eine rechtwinklige Geometrie mit mindestens fünf Millimeter Kantenlänge besitzt. Darüberhinaus sollte eine plane Auflage über ein Koppelmittel auf einer schweren, ebenen Grundplatte gewährleistet sein. Diese Bedingungen sollten erfüllt werden, wenn ein exakter Ver­ gleich von UCI-mäßigen und über Vickers bestimmten Härtewerten nach DIN-Norm ge­ fordert wird.

Die Anwendung des UCI-Verfahrens ist somit zunächst allgemein auf Prüflinge größerer Reaktanz eingeschränkt. Bei Prüflingen geringerer Reaktanz muß man sich mit Korrek­ turen behelfen. Die vorbekannten Korrekturverfahren sind jedoch aufwendig, erlau­ ben nicht zwangsläufig eine einwandfreie Korrelation zwischen UCI-mäßigen und opti­ schen Eindrücken und sind vielfach fehlerhaft, häufig tritt auch der Fall auf, daß eine Korrektur für einen spezifischen Probentyp nicht vorhanden ist.

Das UCI-Verfahren ist deutlich einfacher und schneller durchzuführen als die optische Vermessung von Eindrücken zur Bestimmung der Härte nach Vickers. Auch läßt sich das UCI-Verfahren viel einfacher automatisieren als das optische Ausmessen. Insofern be­ steht ein Bedürfnis, das UCI-Verfahren auch für Prüflinge geringerer Reaktanz einzuset­ zen, weil durch die Prüfung Zeit und Aufwand gespart wird. Nur muß das UCI-Prüfver­ fahren zu verläßlichen, mit den optisch erhaltenen Werten übereinstimmenden bzw. möglichst gut übereinstimmenden Ergebnissen führen.

Hier setzt die Erfindung ein. Sie hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren zur Härteprüfung unter Last und nach dem UCI-Verfahren für Serienteile geringer mecha­ nischer Reaktanz anzugeben, bei dem die Vorteile des UCI-Verfahrens im wesentlichen beibehalten werden und eine Härteprüfung resonanter Prüflinge mit guter Genauig­ keit und hoher Reproduzierbarkeit ermöglicht wird.

Ausgehend von dem bereits beschriebenen Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentan­ spruchs 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt somit zur Kalibrierung und Justierung eine Kombination optischer und UCI-mäßiger Härteprüfungen unter Ausmessen jedes ein­ zelnen Eindrucks möglichst nach beiden Prüfverfahren vor und ermöglicht eine allge­ mein ausführbare, vom Anwender erstellbare Korrektur. Das optische Ausmessen wird zur Kalibrierung und Justierung der UCI-Messungen herangezogen. Durch Justieren des UCI-Verfahrens an einem Serienteil (nach vorangegangener Kalibrierung) werden Kor­ rekturfaktoren erhalten, die eine für praktische Zwecke ausreichend genaue Angabe der Härtewerte der Serienteile ermöglichen. Nach Kalibrierung bzw. Justierung läßt sich an den weiteren Serienteilen die Härteprüfung nach den UCI-Verfahren in an sich bekannter, rascher und einfacher Weise durchführen, die Vorarbeiten müssen also nur einmal erfolgen, je größer die Zahl der zu prüfenden Serienteile ist, um so geringer fal­ len also die Vorarbeiten ins Gewicht.

Unter einem Serienteil werden praktisch identische Teile aus einer industriellen Pro­ duktion verstanden, die im allgemeinen nur durch ungewollte Abweichungen in den Behandlungsschritten geringfügige Unterschiede voneinander aufweisen, beispiels­ weise in der Härte. Als Serienteile mit kleiner Reaktanz kommen beispielsweise kleinere Federn, Schaltgabeln, Kontakte mechanischer Taster usw. in Betracht. Die Serienteile können komplexe Geometrie aufweisen. Es muß jedoch die Möglichkeit gegeben sein, daß die Serienteile irgendwie auf einem Träger fixiert werden, damit sie sich während der Prüfung nicht bewegen können, so daß also ein einmal vorgenommener Eindruck wiedergefunden werden kann. Hier hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, genormte Probenträger einzusetzen, auf denen die einzelnen Serienteile immer in derselben Ausrichtung und Position fixiert werden, das Fixieren kann beispielsweise mittels einer hochviskosen Flüssigkeit erfolgen. Hierdurch lassen sich bei jedem ein­ zelnen Serienteil an möglichst exakt derselben Position, für die bei dem Referenz-Seri­ enteil das Justieren (die kombinierte Prüfung) durchgeführt wurde, erreichen.

Vorrichtungsmäßig hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, den stabförmigen Resona­ tor mit dem Vickers-Eindringkörper auf der einen Seite und ein für die optische Aus­ messung des Eindrucks benötigtes Objektiv auf der anderen Seite an einem in einer Längsführung verschiebbaren oder um eine Achse verschwenkbaren Schlitten anzu­ ordnen, der so verschoben werden kann, daß nach Durchführen einer UCI-Messung mit Einprägen eines Eindrucks das Objektiv über exakt die Stelle des Eindrucks gefahren wird. Anders ausgedrückt entspricht der Verschiebe- bzw. der Schwenkweg exakt dem räumlichen Abstand zwischen der Achse des Resonators und der optischen Achse des Objektivs. Hierdurch ist sichergestellt, daß immer derjenige Eindruck, der zunächst bei dem UCI-Verfahren erstellt und entsprechend ausgemessen wurde, auch im Objektiv erscheint und dort optisch ausgemessen werden kann. Die erfindungsgemäße Zuord­ nung der sowohl UCI-mäßigen als auch optischen Ausmessung eines Eindrucks wird hierdurch sichergestellt.

Dieses Verfahren kann noch dadurch verbessert werden, daß stets in einer Meßfolge drei eng nebeneinanderliegende, auf einer gewissen Konfiguration angeordnete Ein­ drücke vorgenommen werden. Auch für den Fall, daß sich bereits andere Eindrücke auf dem Prüfling befinden, kann dann aus der Lage und Orientierung der Meßpunkte der tatsächlich zunächst UCI-mäßig erfaßte und im Anschluß noch optisch auszumes­ sende Eindruck herausgefunden werden. Weiterhin ist durch eine derartige Mehr­ punktmessung, die auch mehr als drei Meßpunkte umfassen kann, eine Mittlung mög­ lich, sie kann in einem nachgeschalteten Rechner ausgeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich gut für automatisiertes Messen. Die Steu­ erung aller mechanischen Bewegungen (Verschieben bzw. Verschwenken des Schlit­ tens, Auf- und Abfahren der UCI-Sonde usw.), der Meßwerterfassungen und Korrektu­ ren kann in einem Rechner erfolgen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprü­ chen sowie der nun folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend zu verstehen­ den Ausführungsbeispiels, das unter Bezugnahme auf die Zeichnung und unter Erläu­ terung des Verfahrens im folgenden näher beschrieben wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung des Härteprüfgerätes mit einem Prüfling,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines zu prüfenden Serienteils, das auf einem standardisierten Tragteil befestigt ist und

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 2 und insbesondere das zu prü­ fende Serienteil.

In Fig. 1 sind von einem Härteprüfgerät dargestellt eine Sonde 20 mit einem stab­ förmigen Resonator 22, an dessen freiem, unteren Ende ein Vickers-Eindringkörper 24 befestigt ist, und ein Mikroskopobjektiv 26 mit aufgesetzter CCD-Videokamera. Sonde 20 und Mikroskopobjektiv 26 sind gleichachsig an einem Schlitten 28 montiert, ihr ge­ genseitiger Abstand ist so klein wie möglich gewählt. Der Schlitten 28 ist an einer Längsführung 30 verschiebbar angeordnet, die im hier gezeigten Ausführungsbeispiel aus zwei Rundstangen besteht. Von dieser haben die Achsen des Resonators 22 und des Objektivs 26 denselben Abstand. Der Schlitten 28 kann um den Abstand der Achsen des Resonators 22 und des Objektivs 26 entlang der Längsführung 30 verschoben werden, an beiden Enden des Verschiebeweges sind (nicht dargestellt) einstellbare Anschläge vorgesehen. Die Anordnung ist so getroffen, dass bei Verschieben von einem Anschlag zum anderen der Ort, an dem der Vickers-Eindringkörper 24 einen Eindruck hinterlas­ sen konnte, exakt zentrisch in der Mitte des Objektivs 26 erscheint. Durch einen Motor (nicht dargestellt) kann die Verschiebebewegung mechanisch, insbesondere durch ei­ nen Rechner gesteuert, erfolgen.

In einer Auflage 25 ist eine an sich bekannte Vorrichtung vorgesehen, um das Tragteil 34 in einer konkret bestimmten Winkelorientierung und an einem (gegebenenfalls ein­ stellbaren) Ort zu fixieren.

In der Darstellung gemäß Fig. 2 befindet sich ein zu prüfendes Serienteil 32, im fol­ genden Prüfling genannt, auf einem standardisierten Tragteil 34, auch Halter genannt. Der Prüfling 32 ist dabei so auf einer oberen, planen Oberfläche 36 des Tragteils 34 fi­ xiert, daß er eine genau vorgegebene Ausrichtung und räumliche Lage hat. Hierzu können gegebenenfalls Markierungen auf der Oberfläche 36 vorgesehen sein, um die Ausrichtung durchführen oder zumindest prüfen zu können. Im allgemeinen Fall wird eine Lehre oder eine mechanische Vorrichtung benutzt, um die Prüflinge auf die Ober­ fläche jeweils in exakt der gleichen Anordnung aufsetzen zu können. Die Prüflinge 32 werden mittels eines hochviskosen Mediums, beispielsweise Fett, auf der Oberfläche befestigt.

Andere Möglichkeiten der Befestigung des Prüflings 32 an einem Tragteil 34 sind je­ doch nicht ausgeschlossen, beispielsweise kann der Prüfling auch - wie an sich bekannt - in Kunststoff eingebettet und anschließend angeschliffen werden.

Fig. 3 zeigt schließlich insgesamt sechs Sätze von jeweils drei Eindrücken auf der Oberfläche des Prüflings. Das Prüfungsverfahren, das dabei abläuft, wird im folgenden im einzelnen erläutert:

Eine von drei Härtevergleichsplatten wird am Meßort der Auflage 25 unter die Sonde 20 gebracht und es werden drei Eindrücke (ein Satz) mit einer Prüfkraft von beispiels­ weise acht N ausgeführt, die UCI-mäßig erfaßt werden. Anschließend wird über den gleichen Ort das Objektiv 26 geschoben oder geschwenkt und werden nacheinander die drei Eindrücke optisch ausgemessen. Bei dem UCI-Verfahren ist der Härtewert eine Funktion der gemessenen Frequenzverschiebung der Schwingungsfrequenz des stab­ förmigen Resonators 22, beim Verfahren der Vickers-Härteprüfung eine (im allgemei­ nen lineare) Funktion der Fläche des Eindrucks 38. Bei Auswertung des UCI-Verfahrens wird von einer quadratischen Funktion ausgegangen, bei Auswertung nach Vickers von einer zumindest linearen, hier jedoch allgemein ebenfalls quadratischen Funktion. Damit hängt der bekannte Härtewert der Härtevergleichsplatte über drei Koeffizien­ ten, die jeweils den Koeffizienten des quadratischen Ausdrucks, den Koeffizienten des linearen Ausdrucks und die Konstante angeben, mit der gemessenen Frequenzver­ schiebung bzw. Eindruckfläche zusammen. Durch Ausmessen zweier weiterer Härte­ vergleichsplatten unterschiedlicher Härtewerte liegen für jedes Meßverfahren drei Gleichungen vor, so daß die Koeffizienten bestimmt werden können. Damit ist die Ka­ librierung abgeschlossen.

Anschließend wird von den Serienteilen mindestens eines als Referenz-Serienteil aus­ gewählt. Es wird an den Meßort der Auflage 25 gebracht und dort werden in vorgege­ bener Reihenfolge an unterschiedlichen Teilbereichen des Prüflings 32 jeweils drei Ein­ drücke 38 ausgeführt und über die quadratische Eichkurve der zugehörige Härtewert ermittelt. Anschließend wird wieder das Objektiv 26 über den Meßort gebracht und werden nacheinander die Eindrücke optisch ausgemessen. Die entsprechenden Meß­ werte werden ebenfalls mittels der erhaltenen quadratischen Eichkurve in Härtewerte umgerechnet.

Für jeden einzelnen Eindruck kann nun ein Verhältnis zwischen dem optisch ermittel­ ten Härtewert und dem nach dem UCI-Verfahren erhaltenen Härtewert errechnet wer­ den. Der Quotient (Korrekturfaktor) wird für die Korrektur der folgenden Messungen an den weiteren Serienteilen 32 eingesetzt. Die weiteren Messungen erfolgen ohne optische Ausmessung, lediglich nach dem UCI-Verfahren. Es werden auf den sonstigen Serienteilen - vorzugsweise in gleicher geometrischer Anordnung - wiederum Eindrüc­ ke durchgeführt und die erhaltene UCI-Frequenzverschiebung mittels des Korrektur­ faktors und sodann über die quadratische Eichkurve in einen Härtewert umgerechnet. Nach erfolgter Kalibrierung und Justierung können beliebig viele Serienteile durchge­ messen werden. Randkorrekturen usw. sind nicht erforderlich, insbesondere dann, wenn die geometrische Anordnung der Eindrücke auf dem Referenz-Prüfling mit den­ jenigen auf den weiteren Prüflingen übereinstimmt, da Randeffekte im Rahmen der Korrektur automatisch mitkorrigiert werden.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist die UCI-Methode auch für kleine Prüflinge, sofern sie als Serienteil vorliegen, zugänglich. Kleine Prüfteile fallen jedoch, beispiels­ weise im Rahmen der Sensortechnik, und bedingt durch den allgemeinen Trend zur Miniaturisierung auch mechanischer Teile, zunehmend an.

Claims (4)

1. Verfahren zur Härteprüfung von Serienteilen (32) mit geringer mechanischer Reak­ tanz, wobei die Prüfung unter Last und mit einem Härteprüfgerät durchgeführt wird, das einen stabförmigen Resonator (22), der an seinem freien Ende einen Vic­ kers-Eindringkörper (24) hat und eine Einrichtung zum optischen Ausmessen der Eindrücke umfaßt, aufweist und dadurch einerseits eine Härtemessung nach der Kontakt-Impedanzmethode (UCI) und andererseits ein optisches Ausmessen dersel­ ben Eindrücke gestattet, bei dem Verfahren

• 1. wird zur Kalibrierung an drei Härtevergleichsplatten mindestens jeweils ein Eindruck (38) ausgeführt, der sowohl UCI-mäßig als auch optisch vermessen wird,
• 2. werden aus den erhaltenen Werten für Frequenzverschiebung bzw. aus dem geometrischen Maß des Eindrucks und dem bekannten Härtewert der jeweiligen Härtevergleichsplatte die Koeffizienten einer quadratischen Korrekturfunktion für die UCI-Messung und einer zumindest linearen Korrekturfunktion für die optische Messung ermittelt,
• 3. werden auf einem an einem Tragteil (34) fixierten Referenzserienteil Eindrücke (38) durchgeführt und diese UCI-mäßig und optisch ausgemessen und aus dem Verhältnis des pro Eindruck erhaltenen optischen und UCI-mäßigen Meßwertes jeweils ein Korrekturfaktor ermittelt,
• 4. und anschließend werden die anderen Serienteile (32) jeweils wie das Referenz­ serienteil an dem Tragteil (34) fixiert, an möglichst gleichen Orten UCI-mäßig aus­ gemessen und der Korrekturfaktor für die Korrektur des erhaltenen Meßergebnis­ ses eingesetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine einzelne, lokale Messung jeweils drei (oder mehr) nebeneinander liegende Eindrücke (38) ausge­ führt werden, die in einer festen geometrischen Beziehung zueinander stehen, beispielsweise auf einer Geraden oder einem Dreieck liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Härtewerte der Serienteile (32) im Bereich der Härtewerte liegen, die die drei Härtevergleichs­ platten aufweisen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß standardisierte Tragteile (34) für die Fixierung der Serienteile (32) verwendet werden.