DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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PRODUKTKONTROLLE DURCH EIGENFREQUENZ DES PRODUKTES

Autoren: M. Zima, (CZ); I.B. Moskovenko, L.J. Slavina, E.Z. Kovarskaja (RU)
Schlüsselwörter: akustische störungsfreie Kontrolle, ZVUK Geräte, E-Modul
Kontakt: Dipl.-Ing. Miroslav Zima

EINFÜHRUNG

In heutiger Produktion steigt das Interesse an zerstörungsfreien Kontrollmethoden, die eine schnelle und kostengünstige, 100-prozentige Kontrolle ermöglichen. Produktionsprozesse müssen frühestmöglich und kontinuierlich geprüft werden. Fehlerhafte Rohlinge müssen bereits vor dem mechanischen Bearbeiten, erkannt und aussortiert werden. Gerade die zerstörungsfreie Methode von ZVUK Messgeräten, welche die Eigenfrequenz (EFZ) von Produkten ermittelt, ist hierfür bestens geeignet. Als großen Vorteil dieser Messmethode bezeichnet man die Fähigkeit von ZVUK Geräten Prüfkörper zu kontrollieren, mit unebenen Oberflächen, bzw. mit hoher Porosität oder auch Produkte die eine hohe Schalldämpfung zeigen. Produkte welche mit anderen akustischen Messmethoden und Messgeräten schwierig oder gar nicht messbar sind.

Neben der Möglichkeit, mechanische und physikalische Eigenschaften von Produkten zu beurteilen, ermöglicht diese Methode auch in vielen Fällen Innendefekte des Prüfkörpers zu finden. Z.B. in dem Bericht [1] sind die Möglichkeiten aufgezeigt, wie mit der ZVUK Methode solche Innendefekte aufgespürt werden.

Gerätegruppe Marke "ZVUK" (""), sammelt Anforderungen zur einfachen und billigen Lösung, mit entsprechender Genauigkeit der Mess-Resultate und mit der Möglichkeit, das Eigenfrequenz-Spektrum ausreichend zu analysieren, nicht nur für großdimensionale Produkte, sondern auch für Kleinkörper.

Theoretische Basis

Die Eigenfrequenz von Produkten ist von Festigkeitskonstanten des Rohmateriales abhängig, die aber auch von anderen Parametern, wie z.B. Widerstand, Härte, Porosität usw., beeinflusst sind. Generell kann man das Verhältnis zwischen Eigenfrequenz und Festigkeitskonstanten sowie Abmessungen folgenderweise darstellen:

fi=Fi*Cl

wo:
    fi - Eigenfrequenz, die der gewählten Form den Wellen "i" entspricht;
    Fi - Form-Koeffizient, abhängig von der Form und Abmessungen des Körpers, Type der aufgerufenen Wellen und des Poisson-Koeffizients;
    Cl= - Achsen-Schallgeschwindigkeit (Geschwindigkeit von längslaufender Wellenausbreitung in einem endlosen Stab) E - E-Modul;
    r - Dichte des Materials

Unserer Meinung nach, sollte man zur Beurteilung von mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Produktes speziell die Achsen-Schallgeschwindigkeit "Cl" nützen. Dieser Parameter ist von Abmessungen und Form des Produktes unabhängig und kann als charakteristisch für jedes Material dienen. Im Unterschied zu E-Modul braucht man zum Abstimmen von "Cl" Schallgeschwindigkeit durch Eigenfrequenz keine Dichte " r " zu kennen. Außerdem ist dieser Parameter ausführend informationsreich, weil man mit ihm genügend ausführlich alle mechanischen und physikalischen Eigenschaften charakterisieren kann. Nicht nur bei der Anwendung, sondern auch die Herstellungsprozessstabilität.

MESSANLAGE

Gerätegruppe Marke "ZVUK" beinhaltet Geräte, die am Prinzip freier Eigenfrequenz oder aufgerufene Frequenz (Resonanzfrequenz) gebaut sind. Die Geräte haben auch entsprechende Programmausstattung für Frequenzspektrum-Analyse und Berechnen von den Festigkeitskonstanten.

In den Geräten sind folgende Messresultate vorausgesehen: Eigenfrequenz (f), Schallgeschwindigkeit (Cl), E-Modul (E).

Meßmethode von freier Eigenfrequenz

Auf dieser Basis ist das Gerät "ZVUK-203M" (Abb.1) konstruiert. Das Gerät kann im Bereich von 22 Hz bis 17,4 kHz arbeiten. Damit ist es möglich, Produkte in einem sehr breiten Abmessungsbereich zu messen, von 200 mm, bis zu meterlang. Zum Frequenzempfang wird das bereits eingebaute, oder ein optionales Mikrophon verwendet. Auch ein piezoelektrischer Kontaktgeber kann an das Gerät angeschlossen werden.


Abb 1:

Abb 2:

Im Gerät "ZVUK-203M" ist ein Bandfilter eingebaut, mit welchem man nicht nur die Grundfrequenz sondern auch eine größere Breite des Spektrums der Eigenfrequenz beurteilen kann. Als weitere Stufe in der Entwicklung des Gerätes "ZVUK-203M" ist das Gerät "SOUND-1". In diesem Gerät kann man Bandfilter regulieren und auch viele Messungen speichern. Beide Geräte kann man an einen PC anschließen, und somit die Möglichkeiten der Anwendungen erheblich steigern.

Resonanz-Messmethode

Auf dieser Basis ist unser Gerät "ZVUK-110M" und seine neueste Modifikation, Gerät "ZVUK-130" (Abb.2) gebaut. Der Frequenzmessbereich liegt zwischen 0,5 und 500 kHz. Damit ist das Gerät auch zum Messen von Kleinkörpern, bereits ab 3 mm und evtl. auch weniger, geeignet. Nach unserer Kenntnis, ist das Messen von so kleinen Körpern nur mit unserem Gerät möglich. Der Prüfkörper wird zwischen zwei piezoelektrische Kontaktgeber im Messstand befestigt. Diese Kontaktgeber sind im Kontaktbereich kugelförmig, um damit die Nebenwirkungen des Messstandes und des Befestigungssystems zu minimalisieren [3]. Das Elektronik-Bauteil beinhaltet den Frequenzgenerator und einen Breitband-Frequenzverstärker in Form einer PC-Platine, geeignet zum Einbau in IBM kompatible PC oder als optionales Gerät wie für unser Messgerät ZVUK-130 konstruiert. Die Geräte sind mit dem SW gesteuert, welches die ermittelte Eigenfrequenz der Prüfkörper nach Form und Abmessungen bestimmt und entsprechende Messweise empfiehlt (Abb. 3-7). Die Messresultate kann man in der Form einer Tabelle z.B. in Excel-Datei sammeln, welches eine nachträgliche Analyse und statistische Bearbeitung und Auswertung vereinfacht.


Abb. 3:

Abb. 4:

Abb. 5:

Abb. 6:

Abb. 7:

Kontrolle von den Schleifprodukten

Die Gerätegruppe "ZVUK" ist für die Kontrolle von mechanischen und physikalischen Eigenschaften, vor allem der Härte von Schleifprodukten, in einem sehr breiten Bereich von 3 mm bis 1200 mm, einsetzbar, und ermöglicht sofortige und endgültige Kontrollresultate zu erhalten. [4, 5].

Messergebnisse am Gerät "ZVUK-110M" - Schleifscheiben 51 x 26 x 9,5 mm

Messerbegnisse, gezeigte vom Gerät "ZVUK-110M"
Scheibe Deklarierte Härte Frequenz f, kHz Schallgeschwindigkeit Cl, m/s Schallindex SI Härte nach Messergebnis
1 J 33,59 4524 45 K
2 K 35,43 4771 47 K
3 L 36,73 4947 49 L
4 M 38,38 5168 51 M
5 N 39,2 5279 53 N
6 O 39,06 5261 53 N

Kontrolle von feuerfesten Produkten

Für feuerfeste Produkte existiert Korrelation zwischen Schallgeschwindigkeit "Cl", die mit dem Gerät "ZVUK" bestimmbar ist, und solchen Daten wie z.B. Oberflächenporosität, scheinbare Dichte und Druckfestigkeit. Beispiel solcher Korrelation zeigt Bild 8, für feuerfeste Ziegel. Bild 8: Verhältnis zwischen Druckfestigkeit und Schallgeschwindigkeit Cl Bei der Kontrolle von mehreren feuerfesten Produkten, z.B. Graphit-Tiegel, hat sich gezeigt, dass sich die Eigenfrequenz nach mehreren Thermozyklen ändert. Diese Änderungen in Messergebnissen ermöglichen, ein rechtzeitiges Eingreifen und den Austausch von Tiegel im Einsatz durchzuführen und dadurch Ausfallsituationen zu vermeiden [6].

Kontrolle von Kohlenstoff-Produkten

Eine Akustische Prüfung, welche die Eigenfrequenz mit der Gerätegruppe "ZVUK" ermittelt, ist bei der Endkontrolle von mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Produkten verwendbar. Z.B. bei Schmelzherd-Bloken von den Elektrolyseure, Kohlenelektroden für Alu-Schmelzanlagen und andere Metall-Schmelzanlagen [4].

Die Schallgeschwindigkeit "Cl" ist eindeutig mit Porosität, Festigkeit und Verwendungsparametern dieser Produkte verbunden. Die Einführung dieser akustischen Kontrolle ermöglicht eine frühzeitige Auswahl von feuerfesten Bauteilen mit gleichen mechanischen und physikalischen Eigenschaften und verlängert dadurch wesentlich die Lebensdauer der zum Einsatz verwendeten feuerfesten Bausteine und dadurch auch der ganzen Anlage.

Kontrolle von Gussteilen

Für Bauteile aus Gusseisen besteht eine Korrelation zwischen Schallgeschwindigkeit "Cl" und so wichtigen Eigenschaften wie Härte nach Brinell, Festigkeit, sowie der Anteil an Kugelgraphit. Die Messmethode der Eigenfrequenz mit dem Gerät ZVUK ermöglicht eine frühzeitige Feststellung der Parameter für Halbprodukte, z.B. von Elektro-Kochplatten, Triebwerkteilen, wie Kupplungsscheiben, Schwungscheiben usw. und das noch vor der mechanischen Endbearbeitung.

Kontrolle von Produkten aus hochfester Keramik und superharten Materialien

Auch hier besteht eine Korrelation zwischen Festigkeitsdaten (Schallgeschwindigkeit Cl, Koeffizient Poisson) und Härte, Dichte sowie Daten, die für die Anwendung charakteristisch sind: Abriebbeständigkeit, Festigkeit. Schallgeschwindigkeit "Cl" ist von technologischen Vorschriften und Verfahren abhängig, wie: Menge von Legierungen (Zusatzstoffen), Presskraft, Brenntemperatur und Brennprozess, usw.

Abstimmen von Festigkeitskonstanten von Materialien

Gerätegruppe Marke "ZVUK" hat eine komplette metrologische Ausstattung zur Bestimmung von Festigkeitskonstanten. E-Modul, Koeffizient Poisson, etc., welche die Festigkeitseigenschaften von verschiedenen Materialien charakterisieren. Inzwischen auch für keramische Produkte [8]. Für manche Steine mit einer konkreten Abmessung, kann man diese mit dem Gerät Marke "ZVUK" auch entsprechend zu internationalen Normen messen, wie z. B. nach Norm USA ASTM C1259-94.

Defektoskopie von Produkten

Akustische Prüfung, die auf Eigenfrequenz basiert, gibt eine Gesamtauswertung von der Gesamtproduktmasse. Gewöhnlich zeigen sich die Beschädigungen der Struktur-Integrität in niedrigeren Frequenzwerten und auch mit einer Veränderungen des Frequenzspektrums.

Diese Messwerte können somit in vielen Fällen die Existenz von Defekten aufzeigen. Untersuchungen dieser Art mit guten Resultaten hat man zum Aufspüren von Defekten in Kohlenprodukten in verschiedenen Produktionsphasen durchgeführt. Diese Methode kann auch Defekte in Gussteilen, wie z.B. in "Träger von Isolatoren", frühestmöglich entdecken.

Perspektiven von der Methode und ZVUK-Geräteeinsatz

Neueste Untersuchungen haben gezeigt, dass durch die Methode der Eigenfrequenzmessung auch Material bedingte Ermüdungsrisse in Eisenbahnräder problemlos festgestellt werden können. Diese Prüfmethode ist mit dem dafür entwickelten mobilen und leichten Handgerät durchführbar. Das Messgerät zeigt objektive Messresultate und nützt langjährige Erfahrungen bei der Schlagkontrolle von Eisenbahnrädern. Bei späteren Untersuchungen kann man sicher diese Methode noch weiter ausbauen, z.B. in Richtung zerstörungsfreier Kontrolle von verschiedenen Bauteilen und Baugruppen beim Eisenbahntransport und bei Eisenbahnstrecken (z.B. Schwellen, Gleisen, Leitungsmaste usw.)

Als weiterer Vorteil ist hervorzuheben, dass mit der Methode von Eigenfrequenzbestimmung auch der Verbindungsgrad von mehreren Teilen in einer Einheit kontrolliert werden kann. Als Beispiel dient hierfür die Kontrolle des Überstandes bei Kurbelstangengehäuse in Schiffmotoren, Löt- oder Schrauben-verbindungen. Diese bisherigen Resultate ermöglichen eine zuversichtliche Prognose, dass künftig diese zerstörungsfreie Prüfmethode auch zur Kontrolle von Verbindungen verschiedenster Teile in der Herstellung sowie bei Reparaturarbeiten zur Verwendung kommt.

Literatur:

  1. P. Cawley, Rapid Production Quality Control by Vibration Measurements // Materials Evaluation. - v. 45, May, 1987, p.543-548.
  2. Patent No. 2151385 RF, MKI 7G 01 N 3/40, Anlage für Abstimmen von der Härte und anderen physikalischen und mechanischen Eigenschaften von den Schleifkörper (Kropotov A.O., Kononov O.A., Moskovenko I.B. u a, Aktennr. 98109010/28; vorgelegt am 12.05.98; publiziert am 20.06.2000, Bulletin ? 17.
  3. Patent No. 1648770 DDR, MKI G 01 N 3/40, Anlage für Abstimmen von der Härte von Schleifkörper ( Glagovsky B.A., Moskovenko I.B. u a, vorgelegt am 18.03.67, ausgegeben am 02.12.76)
  4. A.F. Grebjonkin, W.A Krjukowskij, B.A. Glagovsky, W.A. Lyssanow, I.B. Moskovenko, Zerstörungsfreie akustische Materialprüfung an Kohlenstoffanoden // Aluminium-66, Jahrgang.-1990.- ? 9.- S.854-857. 5. J. Kriegesmann, B.A. Glagovsky, I.B. Moskovenko, H.A. Schmid, Zerstörungsfreie Bestimmung der Härte an Schleif- und Honwerkzeugen // Industrie Diamanten Rundschau.- 1/93.- S. 58-61 (Germany).
  5. Chernyavets A.N., Moskovenko I.B., Kovarskaja E.Z., Akustische zerstörungsfreie Kontrolle von der Qualität von Kohl-Tiegel zum Metallschmelzen // Farbige Metalle - 1997, No. 3, S. 77-79 (Russland)
  6. I.B. Moskovenko, L.Ya.Slavina, G.P. Zaitsev and N. Yu. Artsutanov, Determination of elastic constants of materials on specimens in the shape of square plates // Nondestr. Test. Eval.-2001.-Vol. 17.-p.133-142.

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