DE4239159C2 - Vorrichtung zum zerstörungsfreien Messen der Dicke einer Härteschicht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum zerstörungsfreien Messen von Werkstücken mittels Ultraschall, wobei der Sende- und Empfangswandler über eine Flüssigkeit mit dem Werkstück gekoppelt ist.

Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise beschrieben in der DE-Lit. "Koppelmann, Ultraschallmeßeinrichtung für Härtetiefenmessung an Stahlwalzen, Materialprüfung 14 (1972) Nr. 5, Seiten 156 bis 159" und der DE 32 10 173 A1.

In verschiedenen Versuchen konnte nachgewiesen werden, daß das Ultraschall-Rückstreuverfahren sich zur zerstörungsfreien Er­ mittlung der Einhärtetiefe bei polykristallinen Werkstoffen eig­ net. Beim Einsatz dieses Verfahrens an induktiv gehärteten Tei­ len aus Stahl, bei denen die Ausdehnung der Übergangszone zwi­ schen einer feinkörnigen Martensitstruktur des gehärteten Gefü­ ges zu einem groberen Gefüge des vergüteten Ausgangsmaterials vorzugsweise mit einem sehr steilen Härtegradienten übergeht, ist dieses Verfahren für Einhärtungstiefen ab 2 mm anwendbar. Dieses trifft besonders bei größeren Komponenten wie Wälzlager, Kurbellager o. a. zu. Das Verfahren wurde versuchsweise direkt vor Ort während des Härtens unmittelbar unter der Abschreckbrau­ se eingesetzt. Als Ankoppelmedium zwischen dem Prüfkopf und dem Werkstück kann zweckmäßigerweise direkt das Abschreckmedium be­ nutzt werden.

Das Ultraschall-Rückstreuverfahren in Impuls-Echotechnik nutzt die physikalische Tatsache, daß Ultraschall-Transversalwellen, die durch Schrägeinstrahlung entstehen, sich bis zur Grenz­ schicht zwischen Rand und Kerngefüge ohne wesentliche Schall- Streuung ausbreiten. Am Übergangsbereich zwischen Rand- und Kerngefüge tritt dann eine starke Streuung auf, die sich als Meßsignal für die Einhärtetiefe eignet. Die Schrägein­ strahlung erfolgt in der Form, daß beispielsweise beim Einsatz zum Messen der Härtetiefe bei Stahl der Ultra­ schallimpuls unter einem Winkel von etwa 17° auf die Ober­ fläche des zu prüfenden Objektes gerichtet wird. Als Kop­ pelmedium zwischen dem Ultraschallwandler und dem Werk­ stück wird vorzugsweise Wasser verwendet. An der Grenzflä­ che zwischen Wasser und Stahl werden aufgrund der Bre­ chungsgesetze die einfallenden Longitunalwellen in Trans­ versalwellen umgewandelt, die sich unter dem gewünschten Winkel von 41° zur Oberflächennormale im Prüfstück aus­ breiten.

Das in der DE-Lit. "Koppelmann" beschriebene Meßverfahren wurde bisher vorzugsweise im labormäßigen Maßstab erprobt. Die bisherigen Versuchsaufbauten eignen sich noch nicht für die industrielle Anwendung und ermöglichen keine hier­ für erforderliche sichere und eindeutige Anzeige, die un­ zweifelhaft und störungsfrei die vorliegende Härtetiefe anzeigt.

Ebenso wie in der DE-Lit. "Koppelmann" zeigt auch die DE 32 10 173 A1 eine Vorrichtung zum zerstörungsfreien Messen mittels Ultraschall mit einem als Aufnahme für ei­ nen in etwa gleichbleibenden Abstand zur Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks gehaltenen Sende- und Empfangswandler dienenden Kopplungsstück, welche nur mit einem Zulauf für eine Koppelflüssigkeit versehen ist. Dabei ist der DE-Lit. "Koppelmann" die Lehre zu entnehmen, wie eine derartige Vorrichtung zum zerstörungsfreien Messen der Dicke einer Härteschicht bei polykristallinen Werkstoffen anzuordnen ist. Sie lehrt jedoch nicht, daß sich die Öffnung, in der der Sende- und Empfangswandler angeordnet ist, in Schallrichtung erstreckt. Das Fließwassergehäuse nach der DE-Lit. "Koppelmann" erstreckt sich vielmehr senkrecht auf die Oberfläche. Der Raum des Fließwassergehäuses ist so groß, daß sich bei der erforderlichen Schrägstellung des Prüfkopfes keine Beeinträchtigung des Meßstrahls durch das Gehäuse ergibt. Nachteilig wird dadurch sehr viel Koppel­ flüssigkeit benötigt. Wie aus dem Funktionsschema nach Fig. 1 erkennbar ist, wird diese Koppelflüssigkeit frei um das Werkstück zum Aufnahmebehälter geführt. Dabei wird sie unter industriellen Maßstäben sehr stark verschmutzt. Schon für Laborbedingungen ist ein Filter erforderlich, der bei industriellem Einsatz sehr stark verschmutzen würde und häufig ausgewechselt werden müßte. Auch die DE 32 10 173 A1 besitzt lediglich Zuläufe für die Koppel­ flüssigkeit. Auch hier läuft die Koppelflüssigkeit über das zu prüfende Werkstück ab.

Die DE 30 29 444 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Messen der Oberflächenkontur von Werkstücken mittels Ultraschall mit einem als Aufnahme für jeweils einen etwa in gleichblei­ bendem Abstand zur Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks gehaltenen Sendewandler und Empfangswandler dienenden Kopplungsstück. Diese Vorrichtung weist zwei sich zur Oberfläche des Werkstückes erstreckende, eine Hosenkammer bildende Öffnungen auf. Für die Entfernungsmessung ist der Einsatz von getrenntem Sender und Empfänger erforderlich, wogegen zum Messen der Dicke einer Härteschicht ein kombi­ nierter Sende- und Empfangswandler benötigt wird. Damit besteht auch nicht die Notwendigkeit, zwei Öffnungen vorzu­ sehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum zerstörungsfreien Messen der Dicke einer Härteschicht derartig weiterzubilden, daß eine sichere und eindeutige Anzeige der vorliegenden Härtetiefe auch dann gewähr­ leistet ist, wenn die Vorrichtung unter Betriebsbedingun­ gen bei Hitze und Schmutz eingesetzt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 10 beschrieben. Vorteilhaft führt die Verwendung eines Ablaufs am, den Sende- und Emp­ fangswandler tragenden Kopplungsstück für den größten Teil der Kopplungsflüssigkeit zu einem direkten Umlauf und da­ mit zum Beheben der vorbeschriebenen Nachteile, was darüber hinaus durch eine geringere Verdampfung von Koppelflüssigkeit einen positiven Umwelteinfluß hat. Durch die Ausbildung der Erfindung mit den Merkmalen nach Anspruch 2 kann sichergestellt werden, daß Streusignale, die als reflektierende Oberflächensignale den Grundpegel der Messung unnötig erhöhen, zum einen gebündelt und zum andern ausgeschieden werden. Gerade diese Maßnahme erhöht die genaue Anzeige wesentlich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Kopplungsstück in Zusammenwirken mit dem Ultra­ schallwandler und dem zu prüfenden Werkstück und

Fig. 2 ein ultraschall-Rückstreusignal des Ultraschallimpulses.

Die elektrischen und elektronischen Geräte zur Erzeugung des Ultraschallsendeimpulses sowie zur Verarbeitung des Ultraschall­ empfangssignals sind nicht dargestellt. Diese sind aus der Lite­ ratur allgemein bekannt. Von daher ist in Fig. 1 lediglich der Sende- und Empfangswandler 1 der Ultraschallmeßvorrichtung dar­ gestellt. Dieser Sende- und Empfangswandler ist über eine Ver­ schraubung 2 in einem Kopplungsstück 3 eingesetzt. Das Kopp­ lungsstück ist im Ausführungsbeispiel aus Vollmaterial herge­ stellt.

Als zu prüfendes Werkstück 4 ist die Laufbahn eines Kugel-Groß­ wälzlagerringes beschrieben. Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines derartigen Ringes. Die Kugellaufbahn 5 umgibt als umlaufende Grube mit annähernd halbkreisförmigem Querschnitt den Lagerring. Die Kugellaufbahn wird induktiv gehärtet, so daß sich eine Här­ teschicht 6 bildet. Die Dicke 7 dieser Härteschicht 6 soll ge­ messen werden.

Die dem Werkstück 4 zugewandte Fläche 8 des Kopplungsstückes 3 entspricht der Oberflächenform des Werkstückes und ist somit im vorliegenden Fall etwa als Teil einer Zylindermantelfläche aus­ gebildet. In Fortsetzung der Aufnahmebohrung für den Sende- und Empfangswandler 1 weist das Kopplungsstück 3 eine sich auf die Oberfläche 9 des zu prüfenden Werkstückes hin erstreckende Öff­ nung 10 auf. Diese Öffnung erstreckt sich in Schallrichtung 11 des abstrahlenden Ultraschallimpulses. Im Ausführungsbeispiel ist der Sende- und Empfangswandler 1 so ausgebildet, daß die Ultraschallwellen in Richtung seiner Erstreckung senkrecht aus einer Sende- und Empfangsfläche 12 austreten. Das Kopplungs­ stück 3 ist so ausgebildet, daß die Schallwellen unter einem Winkel α von 17° gegenüber der Normalen 13 zur zu prüfenden Oberfläche 9 verlaufen. Die diesbezüglichen physikalischen Grund­ sätze sind bereits vorher beschrieben.

Entgegengesetzt geneigt und spiegelbildlich zur Normalen 13 weist das Kopplungsstück 3 eine weitere Öffnung 14 auf. Diese Öffnung hat in etwa den gleichen Querschnitt wie die Öffnung 10.

Sie besitzt einen ebenen, rechtwinklig zur Erstreckungsrich­ tung 15 dieser weiteren Öffnung 14 angeordneten Boden 16. Im Ausführungsbeispiel ist die weitere Öffnung 14 im Bodenbereich mit reduziertem Querschnitt 17 ausgebildet. Dieser reduzierte Querschnitt ist jedoch nicht kleiner als die Sende- und Empfangs­ fläche 12 des Sende- und Empfangswandlers 1.

Um eine Ankopplung des Ultraschallsende- und Empfangswandlers 1 an das zu prüfende Werkstück 4 zu erreichen, ist es erforder­ lich, daß sich zwischen diesen eine Koppelflüssigkeit befindet. Im vorbeschriebenen Anwendungsfall, bei dem die Härtetiefenmes­ sung direkt mit dem eigentlichen Härtevorgang durchgeführt wird, wird als Koppelflüssigkeit die eingesetzte Abschreckflüssigkeit der Härtemaschine genutzt. Hierzu weist das Kopplungsstück 3 eine Zulaufbohrung 18 und eine Rücklaufbohrung 19 auf. Besonders vorteilhaft wird die Zulaufbohrung 18 so angeordnet, daß der Zulauf 20 am Boden 16 der weiteren Öffnung 14 erfolgt. Der Ab­ lauf 21 in die Rücklaufbohrung 19 wird vorteilhaft an dem von der Oberfläche 9 des Werkstücks 4 entferntesten Bereich der sich an den Schallwandler anschließenden Öffnung 10 oder der weiteren Öffnung 14 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Ablauf 21 am obersten Punkt des reduzierten Querschnitts 17 der weiteren Öffnung 14 angeordnet. Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß ein weitgehend blasenfreier Umlauf der Koppelflüs­ sigkeit gewährleistet wird. Die Koppelflüssigkeit läuft nicht nur durch den Ablauf 21 ab, sondern tritt auch aus dem Spalt zwischen Kopplungsstück 3 und Werkstück 4 aus. Um den Spalt zwi­ schen Koppelstück 3 und Werkstück 4 so gering wie möglich zu halten, sind an wenigstens zwei Seiten der dem Werkstück gegen­ überliegenden Fläche 8 des Kopplungsstückes 3 Gleitkufen 22 an­ geordnet.

Die vorbeschriebenen Gleitkufen 22 bestehen aus verschleißfestem Material, wodurch ein geringer Verschleiß des Kopplungsstückes 3 erzielt wird. Die Gleitkufen sind form- oder kraftschlüssig mit dem Kopplungsstück verbunden. Im Ausführungsbeispiel sind sie mit dem Kopplungsstück verschraubt. Geeignete Befestigungsein­ richtungen wie beispielsweise Seitennuten 23 mit Gewindebohrun­ gen 24 dienen zur Befestigung des Kopplungsstücks 3 an eine ent­ sprechende Vorschub- oder Halteeinrichtung. Beim Einsatz der Meßvorrichtung nach der Erfindung direkt an der Härtemaschine kann diese Halterung auch direkt mit dem Induktionskopf oder der Abschreckbrause der Härtemaschine verbunden sein.

Fig. 2 zeigt ein typisches Echosignal der beschriebenen Vorrich­ tung zum Messen der Dicke einer Härteschicht mittels Ultra­ schall. Eine erste Pegelspitze 25 zeigt das Eintrittsecho in die Werkstückoberfläche an. Die 2. Pegelspitze 26 wird durch die Ultraschallstreuung am Übergang von der Härtezone zum Grundge­ füge erzeugt. Durch eine geeignete Eichung der Meßgeräte und eine entsprechende Anpassung des Meßprogramms wird es möglich, auf dem Anzeigeschirm die gemessene Einhärtetiefe im mm direkt anzuzeigen. Eine weitere Pegelspitze 27 zeigt das Oberflächen­ reflexionsecho an, das durch den Boden 16 der weiteren Öff­ nung 14 reflektiert wird. Die Längserstreckung 28 der weiteren Öffnung 14 ist so zu wählen, daß diese weitere Pegelspitze 27 ausreichend getrennt vom Meßsignal der zu messenden Härtetiefe ist. Das heißt, die weitere Pegelspitze 27 muß so weit von der 2. Pegelspitze 26 entfernt sein, daß auch durch sie hervorgeru­ fene Rauschsignale keinen Einfluß mehr auf die 2. Pegelspitze 26 haben. Im Normalfall wird diese weitere Pegelspitze nicht mehr im Anzeigebereich des Ultraschallmeßgerätes liegen.

Bezugszeichenliste

1 Sende- und Empfangswandler
2 Verschraubung
3 Kopplungsstück
4 Werkstück
5 Kugellaufbahn
6 Härteschicht
7 Dicke
8 Fläche
9 Oberfläche
10 Öffnung
11 Schallrichtung
12 Sende- und Empfangsfläche
13 Normale
14 weitere Öffnung
15 Erstreckungsrichtung
16 Boden
17 reduzierter Querschnitt
18 Zulaufbohrung
19 Rücklaufbohrung
20 Zulauf
21 Ablauf
22 Gleitkufe
23 Seitennut
24 Gewindebohrung
25 1. Pegelspitze
26 2. Pegelspitze
27 weitere Pegelspitze
28 Längserstreckung
α Winkel

Claims (10)

1. Vorrichtung zum zerstörungsfreien Messen der Dicke einer Härteschicht (6) bei polykristallinen Werkstoffen mittels Ultraschall, mit einem als Aufnahme für einen in gleich­ bleibendem Abstand zur Oberfläche (9) des zu prüfenden Werk­ stückes (4) gehaltenen und auf die Oberfläche einstrahlenden Sende- und Empfangswandler (1) dienenden Kopplungsstück (3),

• - das eine, zwei sich zur Oberfläche (9) des Werkstückes (4) erstreckenden Öffnungen (10, 14) aufweisende Ausnehmung besitzt, wobei
• - die beiden Öffnungen (14) sich spiegelbildlich unter einem Winkel (α) in bezug auf eine auf den Einstrahlmittelpunkt der Oberfläche (9) errichteten Normalebene (13) erstrecken,
• - eine Öffnung (10) am werkstückabgewandten Ende den Sende- und Empfangswandler (1) aufnimmt, von der Sende- und Empfangsfläche (12) abgeschlossen ist und sich in Schallrichtung (11) erstreckt,
• - die weitere Öffnung einen ebenen, senkrecht zur Erstreckungsrichtung (15) angeordneten, die Öffnung (14) verschließenden Boden (16) aufweist und
• - die Ausnehmung zusätzlich zum Spalt zwischen Kopplungs­ stück (3) und Oberfläche (9) des Werkstückes (4) mit wenigstens einem Zulauf (20) und wenigstens einem Ab­ lauf (21) für eine Kopplungsflüssigkeit versehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längserstreckung (28) der weiteren Öffnung (14) eine Länge aufweist, die ausreichend ist, daß das durch den Boden (16) dieser weiteren Öffnung (14) erzeugte Reflexionssignal (27) ausreichend getrennt vom Meßsignal (26) der zu messenden Härtetiefe ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Querschnitt der sich an den Schallwandler anschließenden Öffnung (10) und der weiteren Öffnung (14) gleich oder größer ausgebildet sind als die Sende- und/oder Empfangsfläche (12) des Sende- und Empfangswandlers (1).

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die an den Schallwandler anschließende Öffnung (10) und die weitere Öffnung (14) beim Einsatz zum Messen der Dicke (7) der Härteschicht (6) von Stahl jeweils mit einer Neigung von etwa 17° gegenüber der Normalen (13) zur Oberfläche (9) einander gegenüberliegen.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Werkstück (4) zugewandte Fläche (8) des Kopplungsstückes (3) der Oberflächenform des Werkstückes (4) angepaßt ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablauf (21) für die Kopp­ lungsflüssigkeit am von der Oberfläche (9) des Werkstückes (4) entferntesten Bereich der sich an den Schallwandler anschließenden Öffnung (10) oder der weiteren Öffnung (14) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulauf (20) für die Kopp­ lungsflüssigkeit am Boden (16) der weiteren Öffnung (14) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Werkstück (4) zugewandte Fläche (8) des Kopplungsstückes (3) an wenigstens zwei Sei­ ten mit Gleitkufen (22) ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitkufen (22) aus verschleißfestem Material bestehen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gleitkufen (22) auswechselbar form- oder kraftschlüssig mit dem Kopplungsstück (3) verbunden sind.