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Vorrichtung zur Prüfung von Oberflächen
Es sind Vorrichtungen bekanntgeworden,
bei denen zur Prüfung ,der Feinheit der Bearbeitung auf die zu prüfende Oberfläche
ein lichtdurchlässiges Plättchen gelegt wird. Bei Beleuchtung dieses Plättchens
mit monochromatischem Licht entstehen bei richtiger Auflage des Plättchens auf die
Oberfläche Interferenzstreifen, aus deren Unregelmäßigkeiten man unmittelbar ein
Bild der Güte der Oberfläche gewinnen kann. Zur Betrachtung der Interferenzstreifen
kann man ein ganz normales Auflichtmiekroskop verwenden, dessen Lichtquelle durch
eine Natriumdampflampe oder einen anderen monoclhromatischen Strahler ersetzt ist.
Die Monochromasie kann auch durch ein vor die normale Lichtquelle geschaltetes Filter
erreicht werden. Ohne besondere zusätzliche Bauteile läßt sich dieses Verfahren
aber nur für konvexe Oberflächen anwenden. Schon bei ebenen Flächen miß insofern
noch ein besonderer Bauteil zu Hilfe gezogen werden, als es ja zwecklos wäre, das
Plättchen volllständig auf die Oberfläche aufzulegen. Es muß mindestens auf der
einen Seite ein Keil zwischen Plättchen und zu prüfender Oberfläche vorhanden sein,
der bewirkt, daß das Plättchen mit der zu prüfenden Oberfläche einen gewissen kleinen
Winkel einschließt.
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Vollends ungeeignet ist die bekannte Vorrichtung zur Beurteilung
von Oberflächen, die konkav ge-
krümmt. sind. Hier liegt ein ebenes
Plättchen jeweils nur an drei Punkten an der konkaven Oberfläche auf, und nur in
unmittelbarer Nähe eines dieser drei Punkte. erhält man ,die notwendige Linienschärfe.
Man kann zwar, wenn, wie bei Verwendung von normalen Aufilichtmikroslkopen, die
Strahlen des auftreffenden Strahlenbündels nicht genügend parallel sind, unter Umständen
auch ohne diese ausgezeichneten und scharfen Linien auskommen, wenn man lediglich
qualitative Schlüsse auf die Güte der Oberfläche ziehen will. Sobald es sich jedoch
darum handelt, anzugeben, in welcher Größenordnung die Rauhigkeiten Ider geprüften
Oberfläche liegen, sind Linien niederer Ordnung, also solche, die nach Lichtwege
von möglichst wenigen Wellenlängen entstehen, erforderlich.
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Gemäß der Erfindung wird bei einer Vorrichtung zur Prüfung von Flächen
auf Feinheit ,der Bearfbeitung mittels auf die mit monochromatischem Licht beleuchtete
F;läche aufgelegter lichtdurchlässiger Körper ein konvex gekrümmter Körper vorgesehen,
dessen zur Auflage auf die zu prüfende Fläche bestimmte Oberfläche einen Krümmungsradius
aufweist, der kleiner ist als der kleinste auf der zu prüfenden Fläche an der Prüfstelle
auftretende Krümmungsradius.
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In Abb. I ist eine bereits bekannte Vorrichtung sehr vereinfacht
und schematisch dargestellt. Auf die zu prüfende Oberfläche I wird ein lichtdurchlässiges
Plättchen 2 mit Hilfe eines Stützkörpers 3 so aufgelegt, 4aß das Plättchen 2 mit
der zu prüfen den Oberfläche I einen kleinen Winkel einschließt.
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Von einer Lichtquelle 4 aus wird Idiese Anordnung mit angenähert parallelen
Strahlen von monochromatischem Licht beleuchtet. Der gezeichnete Strahl 5 wird einmal
an der Unterseite 6 des Plättchens 2 als Strahl 7, ein zweites Mal an der Obeffläche
1 als Strahl 8 reflektiert. Die beiden Strahlen und 8 können infolge der Kleinheit
des Winkels zwischen Plättchen 2 und Oberfläche I in erster Annäherung als parallel
angesehen werden.
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Sie überlagern sich also und löschen sich immer dann gegenseitig ans,
wenn der Gaugunterschied zwischen ihnen gerade ein halbe Wellenlänge oder ein ungeradzahliges
Vielfaches davon beträgt. Bei einer ebenen Oberfläche erhält man daher bei der Anordnung
gemäß Abb. I senkrecht zur Zeichen ebene verlaufende nebeneinanderliegende Streifen
wechselnder Helligkeit.
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Abb. 2 zeigt ,die Verwendung dieser Vorrichtung zur Prüfung von konkav
gekrümmter Oberflächen.
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Auf die konkav gekrümmte Oberfläche 9 ist das ebene Plättchen 10 aufgelegt
und diese Anordnung von der Lichtquelle I I wieder mit nahezu parallelen Strahlen
monochromatischen Lichtes beleuchtet. Es tritt auch hier wieder das gleiche ein
wie in Abb. I.
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Ein von II ausgehender Strahl 12 wird einmal an der Unterseite 13
des PlättchensIo als Strahl I4, ein andermal an der Oberfläche 9 als Strahl 15 reflektiert.
Auch hier ergeben sich wieder zwei Strahlen, ,deren Ganguntenschied je nach Abstand
der Oberfläche g und der Unterseite des Plättchens I3 voneinander verschieden ist.
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Diese bekannten Vorrichtungen haben verschiedene Nachteile. Einmal
ist e;s, wie bereits ausgeführt, erforderlich, bei ebenen zu untersuchenden Flächen
einenbesonderen Bauteil, nämlich einen. in Abb. 1 mit 3 bezeichneten Abstandshalter
auf der einen Seite zwischen aufgelegten Plättchen und zu prüfender Olberfläche
anzuordnen. Zum anderen ist es schwer, ,die Oberfläche gerade an einer Stelle zu
prüfen, an ,der das aufgelegte Plättchen un'd tdie zu prüfende Oberfläche einen
möglichst geringen Abstand voneinander haben. Die Interferenzstreifen werden nämlich,
namentlich wenn Unebenheiten in der zu prüfenden Oberfläche vorhanden sind, wesentlich
schärfer und lassen außerdem eine genauere quantitative Beurteilung der von ihnen
wiedergegebenen Unebenheiten ,der geprüften Oberfläche zu, wenn derAlbstand zwischenXderPlättchenunterseite
und der zu prüfenden Oberfläche nur wenige Licahtwel;lenlängen beträgt. Man erhält
jedoch sowohl bei der Anordnung nach Abb. I wie bei der Anordnung nach Abb. 2 eine
Dreipunktauflage des Plättchens und wäre nun für möglichst genaue Messungen darauf
angewiesen, zu ermitteln, an welchen Stellen das Plättchen auf der zu prüfenden
Oberfläche unmittelbar aufliegt. Nur in der Umgebung solcher Stellen könnte man
mit zufriedenstellenden Meßergebnissen rechnen. Diese Ermittlung ist aber, wenn
sie überhaupt gelingt, schwierig und zeitraubend. Im allgemeinen muß man bei diesen
Anordnungen damit rechnen, daß man an einer Stelle arbeitet, an der die Bedingung
der größtmöglichen Nähe zwischen Plättchen und zu prüfender Oberfläche gar nicht
oder nur in unzureichendem Maße erfüllt ist. Die beobachteten Interferenslinien
haben ,deshalb weder die optimale Schärfe, noch ist es möglich, aus ihnen auf die
Größe der Bearbeitungsrauhigkeit der Oberfläche quantitative Schiüsse zu ziehen.
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In der Abb. 3 ist eine Vorrichtung gemäß der Erfindung angegeben,
durch die die angegebenen Nac'hteile beseitigt werden. Auf die zu prüfende Oberfläche
16 ist eine HohRkugelk.alotte I7 aufgesetzt. Von einer Lichtquelle Is aus fällt
monochromatisches Licht, von 4em der Strahl 19 gezeichnet ist, auf die Anordnung
und wird dort in gleicher Weise wie bei den Vorrichtungen nach Abb. I und 2 an der
Unterseite20 der Kugelltalotte und an der Oberfläche 16 reflektiert. Die Interferenz;linien
bilden sich hier als angenähert kreisförmige Streifen um den Mittelpunkt aus, der
durch den Berührungspunkt zwischen Kugelkalotte I7 und Oberfläche I6 gegeben ist.
In der Nälhe dieses Mittelpunktes kann man mit Sicherheit mit sehr scharfen Interferenzlinien
rechnen und mit Verhältnissen, die es erlauben, aus derForm der Linien auf die Tiefe
der geprüften Oberfläche zu schließen.
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Abgesehen davon macht diese Anordnung die Verwendung von besonderen
Hilfsmittelri zur Herstellung des kleinen Winkels zwischen zu prüfender Oberfläche
und Prüfplättchen unnötig. Der aufgelegte Körper kann auch die Form eines Hohlzylindersektors
haben. Dann bilden sich die Interferenzstreifen als parallel zur Berührungslinie
Prüfling
- Hollzylindersektor laufende Geraden aus.
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In Abb. 4 ist ,die Anwendung der in Abb. 3 gezeigten Vorrichtung
auf die Messung konkav gekrümmter Flächen beschrieben. Auf die konkav gekrümmte
Flächen ist wieder eine Hohlkugelkalotte 22 mit der unteren Fläche 27 aufgelegt.
Der von der Lichtquelle 23 kommende Strahl 24 wird in bereits mehrfach geschilderter
Weise in die Strahlen 25 und 26 zerlegt. Die entstehenden Interferenzstreifen sind
in diesem Fall ineinanderliegende geschlossene Kurven von ovaler Form, die um den
genau feststellbaren Berülhrungspunkt zwischen Prüfling und Hohlkugelkalotte herumliegen.
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Eine besonders vorteilhafte Anwendung kann der Erfindungsgedanke
bei der Messungsder Feinheit von Oberflächen in Bohrungen ergeben. In Abb 5 ist
eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, wie sie zur
Beurteilung von Bohrungsflächen verwendet werden kann. In die Bohrung 28 ist ein
hohizylindersektorförmiges Plättchen 29 eingelegt und ein Spiegel 30 unter einem
gewissen Winkel eingebracht. Der von außen kommende monochromatische Strahl 3I wird
am Spiegel 30 auf das Plättchen 29 reflektiert und zerlegt sich dort in der in Abb.
4 angegebenen Weise in zwei Strahlen 32 und 33, die an der Oberfläche des Plättchens
29 miteinander zur Interferenz kommen. Es entstehen geradlinige Interferenzstreifen
parallel zur Berührungslinie der Bohrungsfläche mit dem Körper 25. Die Interferenz
kann mittels des Spiegels 30 von außerhalb der Bohrung beobachtet werden.
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Noch einfacher ist die in Abb. 6 dargestellte Vorrichtung, bei der
der Spiegel und die konvex gekrümmte Oberfläche in einem einzigen Körper vereinigt
sind. In die Bohrung 34 ist der lichtdurchlästige Körper 35 eingesetzt, der die
Form eines einseitig tbgeschrägten Zylinders hat. Ein von außen in die Bohrung hineinfallender
Strahl 36 dringt in den Körper 35 ein, wird an seiner Rückfläche 37 total reflektiert
und fällt auf die Berührungsstelle zwischen der Oberfläche des Körpers 35 und der
Innenfläche der zu untersuchenden Bohrung 34. Der Durchmesser des Körpers ist so
gewählt, daß er kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung.
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Es entstehen also Interiferenzlinien von der in Abb. 5 angegebenen
Art, die von außerhalb der Bohrung über die total reflektierende Rückseite 37 des
Körpers 35 beobachtet werden können.
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Die Anordnung der Abb. 6 ist insofern nicht ganz so gut wie die der
Abb. 5, als bei ihr der Lichtweg über größere Strecken im festen Medium, im Regelfall
also in Glas, verläuft. Dieser lange Weg des Lichtes in festen Körpern macht sich.in
der Güte der Abbildung etwas störend bemerkbar. Praktisch wird man also vorteilhaft
so vorgehen, wie in Abb. 5 im Prinzip dargestellt ist, und wird lediglich das auf
die Unterlage aufzulegende Plättchen und den Spiegel miteinander an einem einzigen
Befestigungsteil anbringen und so in die zu prüfende Bohrung einführen. Auf diese
Weise wird der lange Weg des Lichtes in festen Körpern vermieden. Man erhält aber
andererseits den Vorteil der Anordnung gemäß Abb. 6, daß man lediglich einen einzigen
in die Bohrung einzuführen'den Teil hat.
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Man kann auch Bohrungen, wie sie in Abb. 5 und Abb. 6 dargestellt
sind, mit einer in Abb. 3 dargestellten Kugelkalotte als auf die zu prüfende Oberfläche
aufzulegenden Körper prüfen. Man erhält dann wieder die Interferenzlinien als um
den Auflagepunkt konzentrisch angeordnete geschlossene Kurvenzüge von ovaler Form,
was den weiteren Vorteil hat, daß man gegebenenfalls vorhandene Vorzugsrichtungen
der Rauhigkeit der geprüften Olberfläche sofort erkennen und auch hinsichtlich ihrer
Richtung festlegen kann. Es werden sich beispielsweise Schleifriefen, die in Umfangsrichtung
verllaufen, durch Auszackungen anderen Stellen der Kurven bemerkbar machen als durch
gleitende Beanspruchung in der Bohrung hervorgerufene Längsriefen. Aus der Lage
der Unregelmäßigkeiten auf dem Umfang der Kurven kann man jederzeit eindeutig feststellen,
in welt'her Richtung die geprüfte Oberfläche vorzugsweise Unebenheiten aufweist.
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Die auf Idie zu prüfende Fläche aufgesetzte Olberfläche wird vorzugsweise
in bereits vorgeschlagener Weise so dünn metallisiert, daß die zur Interferenz gelagenden
Strahlen möglichst gleiche Intensität haben. Bei dieser Stärke der Metallisierung
entstehen die kontrastreichsten Interferenzstreifen.
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Mitunter kann es aber auch vorteilhaft sein, auf den optimalen Kontrast
zu verzichten. Durch stärkere Metallisierung erhält man nämlich schmalere dunkle
Streifen, was insbesondere das Auszählen der Streifen stark erleichtern kann und
die Deutlichkeit der Auszackungen verbessert.
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PATENTANSpRtJC:HE: I. Vorrichtung zur Prüfung von Flächen auf Feinheit
der Bearbeitung mittels auf die mit monochromatischem Licht beleuchtete Fläche aufgelegter
lichtdurchlässiger Körper, dadurch gekennzeichnet, daß' konvex gekrümmte Körper
vorgesehen sind, deren zur Auflage auf die zu prüfende Fläche bestimmte Oberfläche
einen Krümmungsradius aufweist, der kleiner ist als der kleinste auf der zu prüfenden
Fläche an der Prüfstelle auftretende Krümmungsradius.