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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Automatisierung der nationalen Normalmesseinrichtung für das Härteprüfverfahren nach Rockwell

02.12.2016

Wesentlich für eine Härtenormalmesseinrichtung ist neben einer mehr oder weniger direkten Rückführung auf SI-Einheiten der Masse und der Länge, dass der Messablauf exakt den Anforderungen der entsprechenden Norm entspricht. Bei der Härteprüfung nach Rockwell ergibt sich daraus eine Herausforderung für die Durchführung von Kalibrierungen. Bislang musste bereits vor der eigentlichen Kalibrierung ein ungefährer Härtewert des Prüflings vorliegen bzw. eingegeben werden, damit der Messablauf so eingestellt werden kann, dass eine normkonforme Kalibrierung erfolgt. Hierzu müssen die vorab einzustellenden Belastungs- und Entlastungszeiten und Geschwindigkeiten, insbesondere v2, auf den jeweiligen Rockwellwert angepasst werden. Diese Herausforderung erforderte entsprechende Erfahrungen beim Bediener des Gerätes und erforderte mindestens einen Probeeindruck, wenn keine Erfahrungswerte über den Werkstoff vorhanden waren.

In der PTB wurde nun im Rahmen einer Masterarbeit ein Verfahren entwickelt, das unabhängig vom Bediener und ohne einen zusätzlichen Probeeindruck einen Schätzwert für den Härtewert des Werkstoffes ermittelt.

Das Konzept beinhaltet eine Extrapolation der resultierenden Eindringtiefe während der Initialisierungsphase vor der Durchführung der eigentlichen Messung und verwendet diese für eine Abschätzung des voraussichtlichen finalen Messwertes.


Abb. 1 Vergleich der während der Initialisierungsphase bestimmten Härtevorwerte (HRSchätzwert) mit den gemessenen Härtewerten (HRnormkonform) für sechs unterschiedliche Härtevergleichsplatten.

Die Umsetzung des Konzepts wurde mit einer Speicher-Programmierbaren Steuerung (SPS) realisiert.

Der Vergleich der während der Initialisierungsphase ermittelten Härtevorwerte mit den in der anschließenden Messung ermittelten Härtewerten (s. Abb. 1) zeigte Differenzen von maximal 7 %. Die Unsicherheiten dieser abgeschätzten Vorwerte sind etwa einen Faktor zwei größer als die der Messwerte.

In Tabelle 1 sind die Ergebnisse der Zeit- und Geschwindigkeitsmessungen für 60 durchgeführte Härteprüfungen und die Referenzwerte aus DIN EN ISO 6508 für jede Phase des Prüfvorgangs aufgelistet. Als wichtiges Ergebnis resultiert aus Tabelle 1, dass alle Zeitmessungen den Vorgaben der Norm entsprechen. Die Zeiteinstellungen können demnach mit ± 0,16 s genau eingehalten werden. Die wichtige Bremsgeschwindigkeit v2 erfüllt ebenfalls die Vorgabe der Norm. Die Geschwindigkeiten können mit ± 1,9 µm·s-1 eingehalten werden. Die Anwendbarkeit des entwickelten Automatisierungsverfahrens ist damit nachgewiesen.

Tabelle 1: Messergebnisse automatisierter Härteprüfungen nach Rockwell über den Wertebereich (20…65) HRC. In Spalte 1 sind die Phasen einer Rockwellprüfung chronologisch aufgelistet. In Spalte 2 werden die Testparameter der jeweiligen Phase benannt. Spalte 3 listet die Referenzwerte aus der DIN EN ISO 6805 auf und Spalte 4 listet die Messergebnisse auf. Alle Messergebnisse sind nach Prüfung als normkonform einzustufen.



Die PTB kann nun normkonforme Härteprüfungen bei Werkstoffen mit unbekannten Eigenschaften schneller, nutzerfreundlicher und bedienerunabhängiger durchführen.

Publikationen

[1] D. Grziwotz, Masterarbeit „Automatisierung einer Normalmesseinrichtung für das Härteprüfverfahren nach Rockwell“, 2016, Technische Universität Braunschweig, Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik.

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