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Härteprüfvorrichtung Die Prüfvorrichtung nach der Erfindung beruht
auf dein Verfahren, nach dem der Prüfdruck gemessen wird, der zur Erzeugung einer
bestimmten konstanten Eindruckstiefe durch einen Druckstift oder eine Prüfkugel
notwendig ist oder `bei dem umgekehrt die Eindruckstiefe bei einem konstanten Prüfdruck
den Härtegrad bestimmt. Der Prüfdruck wechselt mit der Härte der zu prüfenden Materialprobe.
Dieses Verfahren ist, wie die Praxis ergeben hat, 'nur bei verhältnismäßig
weichem Prüfmaterial mit Erfolg verwendbar. Bei der Prüfung von gehärtetem Stahl
ist es erfahrungsgemäß unpraktisch und bei der Prüfung der heutigentags vielfach
verwendeten überharten Materialien unbrauchbar. Dies ist darauf zurückzuführen,
daß die überharten Materialien, wie Stahl und Diamant, aus denen die Druckspitzen
oder Prüfkugeln hergestellt sind, wesentlich kürzerbzw. nachgiebig zusammengedrückt
werden. wenn der durch sie übertragene Prüfdruck so hoch wird. daß in den überharten
Materialproben der Eindruck wirklich noch entstehen soll. Wird beispielsweise ein
Mikrometer zur Anzeige der Eindruckstiefe in der Materialprobe verwendet, so wird
dieser nicht die tatsächliche Tiefe des Eindrucks anzeigen, weil die Zeigervorrichtung
teilweise vermöge der Formveränderung der Druckspitze selbst und teilweise nur vermöge
des erzeugtenEindrucks verstellt wird, so daß, selbst wenn bekannte, bei der Benutzung
als recht unpraktisch erwiesene Ausgleichsmethoden, beispielsweise mit gleitenden
Skalen oder mit Einschaltung eines Vordrucks vor Ausübung des Prüfdrucks, angewandt
werden, ungenaue Resultate erzielt werden.
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Erfindungsgemäß wird die Formveränderung der Druckspitze oder Prüfkugel
bei der Ausführung der Messung der Eindruckstiefe automatisch ausgeglichen, und
zwar durch bewegliche und fein reagierende Lagerung oder Anbringung der Meßvorrichtung_
z. B. an einem Reversierhebel und durch Einschaltung einer Vorrichtung, die im gleichen
Maße sich zusammendrücken läßt wie die Druckspitze oder Prüfkugel. Durch diese Ausgleichsvorrichtung
wird die Meßvorrichtung von ihrem Antriebsstift stets um dasselbe Stück wegbewegt,
als dieVerkürzung oder das Zusammendrücken der Druckspitze ausmacht, so daß die
Meßvorrichtung nur zur Messung der wirklichen Tiefe des konstanten oder veränderlichen
Eindrucks in Tätigkeit treten kann. In Verbindung mit dieser Einrichtung besitzt
die Härteprüfvorrichtung nach der Erfindung eine den veränderlichen oder vorher
bestimmten Prüfdruck messende und anzeigende Me_ ßvorrichtung. Die Mikrometereinrichtung
für die Eindruckstiefe kann mit mehreren Zeigern ausgestattet sein, die einerseits
zur Anzeige der die Formveränderung der Druckspitze ausgleichenden Härteprüfung
und andererseits zur Angabe bei Vergleichsprüfungen dienen und so angeordnet sind,
daß bei letzterer Prüfungsart eine Nulleinstellung nicht nötig ist.
In
den Zeichnungen sind beispielsweise Ausführungsformen des Instrumentes dargestellt,
und zwar zeigt Abb. i eine Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels des Gesamtinstrumentes.
In dieser Abbildung sind die verschiedenen Teile des Instrumentes in der Stellung
gezeigt, welche sie während der Härteprüfung einnehmen. Abb. 2 zeigt eine teilweise
geschnittene Seitenansicht des Instrumentes, während Abb. 3 in vergrößertem Maßstabe
die Hauptdruckstange zeigt, und zwar in Verbindung mit einer Hilfsdruckstange und
einem Ausgleichselement, durch das der den Drucktiefenmesser tragendeHebel eingestellt
wird. Die Abb. .4, 5 und 6 veranschaulichen die in Abb. 3 gezeigten Teile in Seitenansicht,
Rückansicht und Draufsicht. Abb.7 veranschaulicht-im Längsschnitt eine die Druckstangen
aufnehmende Hülse und die mit ihr in Verbindung stehenden Teile, wobei der Druck-
und der Tiefenmesser in strichpunktierten Linien dargestellt sind. Abb.8 ist ein
senkrechter Schnitt durch die Druckstangeneinrichtung, während Abb. 9 die Vorderansicht
des oberen Teiles des Instrumentes in vergrößertem Malistab und in untätiger Stellung
darstellt. Abb. io und i i zeigen in vergrößertem Maßstab zwei Ausführungsformen
der Abstützung einer Federplatte. Abb. i2 zeigt das Oberende der Hauptdruckstange
mit einer Verriegelung 'zur Verhütung ihrer Drehung. Abb. 13 ist ein Längsschnitt
durch eine geänderte Ausführungsform der Druckstangeneinrichtung, Abb. 14 eine Seitenansicht
des oberen Endes der Druckstange nach Abb. 13 und Abb. 15 eine Draufsicht auf Abb.
14. Die Abb. 16 zeigt einen Schnitt nach Linie A-A der Abb. 13 und Abb.
17
einen senkrechten Schnitt durch die in Abb. 16 gezeigte Vorrichtung.
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Der Prüfdruck wird von einem Handrad 4 unter Vermittlung der Getrieberäder
7, ;' auf ein Zahnrad 3 übertragen, das in die Zähne io (Abb.2) einer in Schwalbenschwanzführung
des Gestellarmes 2 geführten und am Druckmessergehäuse i i angebrachten Zahnstange
9 eingreift. In dem rohrförmigen Stutzen 12 des Gehäuses i i ist eine die Klemme
18 für die zu prüfende Materialprobe 45" tragende, an einer Drehung durch einen
Riegel 15 verhinderte Hülse 13 gleitbar angeordnet. In der gewünschten Stellung
kann die Hülse 13
durch eine Stellschraube 16 festgestellt werden. Die Hülse
13 und dadurch die' Klemme 18 wird durch eine auf dem verjüngten Teil 37 der Hülse
13 sitzende Feder 17 nach unten gedrückt, um die Materialprobe 45" fest auf der
Unterlage 75 zu halten.
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Die Hauptdruckstange 14, die die Druckspitze 45 trägt, ist gleitbar
in der Hülse [ 3 angeordnet und ragt aus deren Oberende heraus. Die Stange 14 trägt
am Oberende einen Riegel i9, der in eine senkrechte Führungsnut 2o des Gehäuses
i i ragt und die Stange 14 an einer Drehung verhindert.
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In der Bohrung 38 der Hauptdruckstange 14 ist gleitbar eine Hilfsdruckstange
21 angeordnet, gegen deren abgerundetes Oberende 2z' (Abb.8, 9) während des Prüfvorganges
sich eine Widerstandsfeder 22 legt. Diese als Federblatt ausgebildete Feder 22 liegt
an den Enden an harten Kugeln 23, 23' an, die in Aussparungen von verstellbar am
Gehäuse i i angebrachten Haltern 24, 24 ruhen. Auf die zur Befestigung der Halter
24, 24' dienenden Schrauben 25, 25' können Unterlagsscheiben 26' aufgesetzt werden,
um die Anlagepunkte der Kugeln 23, 23' an der Feder 22 zu
verstellen und dadurch
die freie Länge der Feder 22 zwischen den beiden Anlagepunkten zu vergrößern oder
zu verkleinern, was für die Normenmessungen erforderlich sein könnte. An Stelle
der Kugeln können auch Messerschneiden verwendet werden, wie in Abb. i dargestellt
ist. In Löcher an den Enden der Feder 22 greifen die verjungten Enden von Schrauben
27, die -in Verbindung mit auf den Schrauben 27 sitzenden Spiralfedern 27' die Federn
22 in unveränderlicher Lage in Berührung mit den Kugeln 23, 23' tragen. Auf der
Mitte der Feder 22 ruht das Unterende einer in eine senkrecht gleitbare hohle Zahnstange
28 (Abb. 9) eingeschraubten Stange 34 auf, die mit dem Oberende in einen Einschnitt
einer Stellschraube 35 eingreifen kann, wenn letztere zwecks Nulleinstellung des
Druckmessers nach unten geschraubt wird. Die Zahnstange 28 ist im Eingriff mit einem
Zahnrad 29, auf dessen Achse das Zahnrad 30 sitzt. Dieses greift in das auf der
Achse des Zeigers 32 sitzende Zahnrad 31, das mit einem Zahnrad 33 kämmt. Auf letzteres
wirkt eine Haarfeder so ein, daß es bestrebt ist, den Zeiger 32 unter Vermittlung
des Zahnrads 3i auf die Nullstellung einzustellen. Die Haarfeder hält auch die Zahnstange
28 unter Druck, so daß die Stange 34 in Berührung finit der Feder 22 bleibt.
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Ist die Prüfvorrichtung nicht im Betrieb, so berührt die Druckstange
2i nicht die Feder 22 (Abb. 9), um die Nulleinstellung des die Drucktiefe anzeigenden,
mit der Stange 14 verbundenen Mikrometers 36 zu ermÖglichen. Die Druckspitze 45
der Stange 14 ruht zunächst nur durch das konstante Eigengewicht dieser Teile auf
dem Probestück 45", ohne einen Eindruck hervorzurufen, was besonders bei Prüfung
von weichem Material von Wichtigkeit ist. Die Druckstange 14 ist in dem oberen verjüngten
Teil 37 der Hülse 13 gleitbar geführt. ,Die im oberen Teil die Hilfsdruckstange
2i aufnehmende Bohrung 38
der Stange 14 endet bei 38' kurz oberhalb
des Gesenkes für die Druckspitze 4.5 (Abb. 2 und 8). Im untersten Teil der
Bohrung 38 sitzt ein harter Stahlbolzen .I7, auf dem ein Ausgleichsglied in Gestalt
eines zusammendrückbaren Stifts SS aufruht (Abb. 2, 3, 8). Das Unterende der Druckstange
-21 stützt sich während des Prüfvorganges auf den Kopf des Stiftes #5, auf dem auch
noch zu beiden Seiten der Stange 21 die Schneiden 42' der beiden ä,irnie .I2 eines
Hebels 41 aufruhen. Dieser ist auf dem Zapfen 44 schwingbar an dem durch
Schraube 4o an der Stange 14 befestigten Arm 39 angebracht. Durch eine verstellbare
Feder 43 wird der Hebel 41 in einer solchen Lage gehalten, daß die Schneiden 42'
in federnder Berührung mit dem Stift 55 bleiben. In dein am Hebel 41 angebrachten
Auge 4.1' ist durch Schraube .I9 die Meßvorrichtung 36 für die Drucktiefe befestigt.
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Wird zur Vornahme einer Messung durch das Handgetriebe das Gehäuse
i i gesenkt, so drückt die Feder 22 auf das Oberende der Stange 21, wodurch die
Druckspitze 45 in das Probestück 45" eingedrückt wird. Bei dem Druck auf die Stange
21 (Abb. 8) wird der :#.usgleichsstift 5 5 proportional zu dem ausgeübten Druck
verkürzt oder zusammengedrückt. Die durch die Feder 43 in Berührung finit dein-
Stift 55 gehaltenen Schneiden 42' werden entsprechend der Verkürzung des Stiftes
55 gesenkt, und dadurch führt der Hebel 41 eine der mikroskopisch feinen Bewegung
entsprechende Schwingung aus, wodurch das das Auge 41' tragende Außenende nach oben
kippt, und zwar um ein vorher bestimmtes, der Kontraktion der Druckspitze 45 entsprechendes
Stück. Durch die Schwingung des Hebels 41 wird das Mikrometer 36 von seinem einstellbar
an der Hülse 13 angebrachten Antriebsstift So (Abb. 7 ) abgehoben. durch den das
Mikrometer bei der Abwärtsbewegung der Stange 14 vermöge einer Befestigung an dieser
Stange 14 beim Eindringen der Druckspitze in das Probestück betätigt wird. Es wird
somit das Mikrometer 36 bei jeder durch den Druck 'verursachten Verkürzung der Druckspitze
45 um ein entsprechendes Stück von seinemAntriebsstift 5o entfernt, und dadurch
wird bei der Drucktiefenmessung der durch die Kontraktion der Spitze 45 entstehende
Fehler ausgeglichen. Vermöge dieser selbsttätigen Regelung der Relativstellung des
Tiefenmessers wird nur die wirkliche Drucktiefe des Stiftes 45 selbst bei den härtesten
Materialproben angezeigt.
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Die Drucktiefenmessung ist dann zuverlässig konstant und ist, während
der resultierende Druck veränderlich für verschiedene Härtegrade bleibt, der quantitative
Ausdruck für die die Härte angebende Zahl. Wird der Hebel -.i durch eine Schraube
so festgelegt, daß die Schneiden 42' außer Berührung mit dem Stift 55 sind, so bleibt
das Instrument dennoch betriebsfähig. jedoch nur für Vergleichsmessungen, d. h.
es wäre keine bestimmte Konstante vorhanden. Vergleichende Härtewerte der Materialproben
könnten erzielt werden, und hierbei würde der Tiefenmesser 36 nur einen Annäherungswert
der Drucktiefe anzeigen. Wird das Instrument für diesen Zweck besonders bei außergewöhnlich
hohem Druck verwendet, so könnte man die Druckstange 14 aus einem einzigen Stück
bestehen lassen und den Arm 39 mit Hebel .Il nicht schwingbar, sondern fest durch
die Schraube,jo mit der Stange verbinden. Es sind dann allerdings nur vergleichende
Messungen möglich, die gegenüber den Messungen, die mit Ausgleichsinstrumenten ausgeführt
werden, weniger genaue Angaben machen.
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Das Mikrometer 36 könnte auch an der Hülse 13 befestigt werden, jedoch
müßte es dann umgekehrt zur Uhrzeigerrichtung laufen, um die Bewegung der Druckstange
zur Hülse anzuzeigen. Vorzugsweise wird ein Mikrometer angewandt, bei dem ein Gleitstift
4i" aus dem Mikrometergehäuse herausragt und durch einen Getriebesatz mit dem Zeiger
verbunden ist. Das Miktometer ist zweckmäßig mit einem Einzelzeiger und einem Doppelzeiger
ausgestattet. Der Einzelzeiger wird zur Nulleinstellung verwendet, während die beiden
in einem bestimmten Winkel zueinander angebrachten Doppelzeiger die Ablesung der
Messung bei mehreren aufeinanderfolgenden Prüfungen erleichtern und es unnötig machen,
daß nach jeder Materialprüfung das Mikrometer jedesmal auf Null eingestellt wird.
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Der Antriebsstift So des Mikrometers ist in seinem an der Hülse 13
befestigten Träger 51 durch eine Schraube 52 verstellbar, die mit einer konischen
Verjüngung sich an eine schräge Fläche 52 des Stiftes So anlegt und die Nulleinstellung
des Mikrometers ermöglicht (Abb. i). Durch eine Feder 53 wird der Stift
50 gegen die Schraube 52 gedrückt.
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In den Abb. 13 bis 17 ist eine geänderte Ausführungsform der Ausgleichsvorrichtung
in den Druckstangen dargestellt. Auf die Druckstange 14 ist am oberen Ende ein abnehmbarer
quer verlaufender Arm 8o (Abb. 14, 15) durch Schraube 82 festgeklemmt, der am einen
Ende eine Führungsnase 81 und ferner eine Bohrung 83 zum Durchtritt der Hilfsdruckstange
besitzt. An Stelle des Hebels 41 und des Ausgleichsstiftes 55 ist eine Federscheibe
84 (Abb. 16, 17) vorgesehen. die auf einer ringförmigen Schneide 85 am Boden
der Bohrung der Hauptdruckstange
z4 liegt (Abb. 13, 16, 17). Auf
dieser Scheibe 84 ruht die Hilfsdruckstange 9a mit dem sie umgebenden Rohr 86, das
ebenfalls mit einer Schneide 87 versehen ist. Am Rohr 86 ist durch Schraube 89 ein
durch den Schlitz 9i der Druckstange 14 ragender Arm 88 befestigt, der in dem Stutzen
9o den Tiefenmesser 36"' trägt. Das Rohr 86 ist durch einen im Zickzack verlaufenden
Schlitz 94 in der Längsrichtung elastisch gemacht und besitzt eine Tut 95, in die
eine Schraube 96 zwecks Verhinderung einer Drehung des Rohres 86 hineinragt. Durch
eine Mutter 97 kann der Druck des Rohres 86 auf die Scheibe 84 eingestellt werden.
Durch diesen Druck wird das Rohr 86 auf die Federscheibe 84 und diese gegen die
Schneide 85 gedrückt. Werden die Druckstangen zur Ausführung der Messung nach unten
gedrückt, so wird die Mitte der Scheibe 84 durch die Stange 92 niedergedrückt, und
dementsprechend wird der Rand der Scheibe 84 nach oben gebogen. Hierbei wirkt die
Scheibe als Hebel, der demselben Zweck dient und dieselbe Wirkung hat wie der Hebel
41 bei dem Instrument nach den Abb. i bis 12. Die mikroskopisch kleine Hebelbewegung
genügt, um das Rohr 86 anzuheben und um in dem vom Rohr getragenen Mikrometer einen
Ausgleich für die Kontraktion der Druckspitze 45 zu schaffen. Sobald die Druckstange
14 einem Druck für eine Härteprüfung unterworfen wird, wird sie an der Druckspitze
in Gemäßheit mit deren Elastizitätsmodul per Flächeneinheit kürzer. Mit anderen
Worten, das Molekulargefüge der Spitze wird einer Formv eränderung unterworfen,
während am Oberende der Stange eine Kontraktion mechanisch eintritt, und demgemäß
wird durch diese Bewegung das Mikrometer vermöge der Hebelwirkung in umgekehrter
Richtung betätigt.
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Der durch das Handrad .4 ausgeübte Prüfdruck wird durch das Druckmessergehäuse
i i bzw. die Feder 22 auf Druckspitze 45 übertragen, und hierbei wird im Druckmesser
der Druck und im Mikrometer 36 die Drucktiefe angezeigt. Bei der Abwärtsbewegung
des Druckmessers legt sich zunächst die Halterkappe 18 mit leichtem, vorher bestimmtem
Druck auf das Probestück 45" und hält dieses auf seiner Unterlage 75 unter dem Druck
der Feder 17 fest. Bei weiterer Abwärtsbewegung des Druckmessers bewegt sich der
Zeiger 36' des Tiefenmessers 36 so lange, bis die Druckspitze 45 mit der Materialprobe
45" in leichte, den Nullpunkt einstellende Berührung kommt. Hierauf wird die Druckvorrichtung
festgehalten und zunächst der Zeiger 36' durch die Schraube 52 auf Null eingestellt,
falls dieses gewünscht werden sollte. Ehe die Druckspitze 45 in die Materialprobe
45" eingedrückt wird, kann die zu prüfende Stelle des Materials 45" durch das Loch
18' der Kappe 18 ausgesucht und unter der Spitze 45' eingestellt werden. Ist dann
der Zeiger 36' eingestellt, so wird der Druckmesser i i weiter abwärts bewegt, bis
das Oberende 2i' der Druckstange 2i gegen die Feder 22 stößt. Sobald die Berührung
zwischen Feder 2? und Stange 2i stattfindet (Abb. i, 2 und 13), bewegen sich sowohl
der Druckmesserzeiger 32 als auch die Tiefenmesserzeiger 36', 36" (Abb. i und 9).
Die letzteren geben die Tiefe des Eindruckes an, während der Zeiger 32 die Größe
des Druckes anzeigt, der zur Hervorbringung dieses Eindruckes nötig ist. Für Standard-Härtemessungen
ist eine vorher bestimmte Tiefe des Eindruckes erwünscht. Bei allen zu prüfenden
Proben sind demgemäß die Tiefenangaben notwendig, um diese vorher bestimmten Werte
zu ersehen. Die Tiefenangabe ist als konstanter Faktor zu betrachten, während der
Druckmesser den veränderlichen Faktor, d. h. den Härtegrad, angibt.
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Natürlich könnte man mit dem Instrument auch tinen konstanten, gleichmäßigen
Druck ausüben, um dann die Angaben des Tiefenmessers auszuwerten. Eine derartige
Methode der Benutzung des Instrumentes ist besonders zur Bestimmung des Fließpunktes
von weichen Metallen erwünscht.
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Bei der Prüfung von harten Metallen, bei der es erwünscht ist, konstante
Tiefenwerte mit dem Mikrometer 36 zu registrieren, konnte man die konstanten Tiefenangaben
bei den gebräuchlichen Instrumenten nicht gebrauchen, weil die Druckspitzen sich
unvermeidlich durch Kontraktion verkürzten, wenn auch die Druckspitzen aus gehärtetem
Stahl oder aus Diamant bestanden. Das Mikrometer konnte bei den bekannten Instrumenten
keinen Unterschied zwischen einem tatsächlichen Eindruck in das Material und der
gleichzeitigen Kontraktion der Druckspitze machen. Dieser Nachteil wird durch die
ausgleichende Reversierhebelwirkung beseitigt.
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Nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Mikrometer 36 nicht
fest an der Stange 14 angebracht, und dadurch kann es eine mikroskopische Längsbewegung
in einer der Druckrichtung entgegengesetzten Richtung, also von dem Probestück weg,
ausführen. Diese Bewegung wird dadurch erreicht, daß der Hebel 41 (Abb. i bis 9)
kippen kann bzw. die Scheibe 84 (Abb. 13 bis i7) eine Aufwärtsbewegung des
Mikrometers parallel zur Druckstange 13 hervorzurufen vermag. Durch die Aufwärtsbewegung
des Mikrometers, die von dem auf die Metallprobe ausgeübten Druck abhängig ist,
muß immer der durch die Kontraktion der Druckspitze 4.5
auftretende
Fehler ausgeglichen werden. Da das Mikrometer immer nur um ein genau der Kontraktion
der Druckspitze ,45 entsprechendes Stück in die Höhe gehen kann, lassen sich die
Verhältnisse zwischen Drucktiefe und Druck leicht graphisch auswerten, um qualitative
und quantitative Härtekurven zu erzeugen. Die wichtigsten Teile des Instrumentes
bilden ein in sich abgeschlossenes Ganzes, das auch von dem Gestell abgenommen und
beispielsweise an einem Bohrmaschinenkopf montiert werden kann.
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Die Druckstange mit dem die Eindruckstiefe messenden System und die
Klemmhülse, die den Antriebsstift für das Mikrometer trägt, bilden zusammen ein
für sich abgeschlossenes Drucktiefenmeßgerät, das unabhängig von der Druckvorrichtung
arbeiten könnte. und deshalb könnte man auch das Probestück auf einer Waage prüfen,
die dann den Druck angibt, der zur Erzeugung der gegebenen Tiefe des Eindruckes
nötig ist.
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Das Mikrometer könnte durch eine Schraube ; 8 (Abb. i, 3 bis 6) ausgeschaltet
werden, die es in einiger Entfernung vom Antriebsstift 5o feststellen kann. Dies
wird bei Prüfung von weichen Metallen oder bei solchen Prüfungen vorteilhaft sein,
die nur Annäherungs-'und nicht Kontrollprüfungen sein sollen. Für genau nachzuprüfende
Proben, die bei der Härtemessung von Materialien wichtig sind, ist aber immer die
Ausgleichseinrichtung notwendig.