Ein Spezialist auf dem Gebiet der Oberflächenfeinstbearbeitung und der Messspezialist Mahr haben Lösungen bei der Detektion von Lunkern erarbeitet. In einem gemeinsamen Projekt wurden optische Messungen an einer supergefinishten Motorwelle mit dem neuen Weißlichtinterferometer MarSurf WS1 durchgeführt. Die Messergebnisse an den Lagersitzen belegen: Die schnelle, hochgenaue und berührungslose 3D-Erfassung von Mikrotopografien liefert Profilmerkmale bis in den Nanobereich und ergänzt die herkömmliche 2D-Messung.
Stellen wir uns vor, wir öffnen eine Blechdose mit einem Dosenöffner. Dort, wo sich der Deckel ablöst, bilden sich unregelmäßige, scharfe Grate und der Deckel bleibt üblicherweise hängen. Und jetzt stellen wir uns vor, die Dose hat die Maße von lediglich 0,01 mm Durchmesser und 1,2 µm Tiefe. So in etwa sehen Lunker aus, die durch Einschlüsse von Kugelgrafit in Gussteilen entstehen und bei einer Bearbeitung des Materials „geöffnet“ werden. Diese Hohlräume beeinflussen die Auswertung der RvK-Werte, welche das Ölrückhaltevolumen auf der Oberfläche einer Lagerstelle beschreiben. Insbesondere eine statistische Auswertung wird problematisch. Folglich werden Qualitätskontrollen notwendig, die personal- und damit kostenintensiv sind. Eine schnelle, sichere und automatisierte Oberflächenmessung ist also gefragt.
Berührungslose Messung
In mehreren Versuchsmessungen an einer Motorwelle, die unter Produktionsbedingungen bearbeitet wurde (siehe Abb. 1), hat Mahr die kritischen Lagersitze mit dem neuen Weißlichtsensor MarSurf WS1 mit Hilfe optischer Messtechnik, also berührungslos, erfasst und Oberflächencharakteristika mit Hilfe der Software herausgearbeitet.
Abb. 1: Bandfinishen in einer Produktionsmaschine
Im Gegensatz zur 2D-Messung per Tastschnittverfahren werden mit dem MarSurf WS1 Topografien im Nanobereich flächenhaft erfasst. Die Messungen lassen verschiedene Auswerteverfahren zu, die jeweils spezifische Messergebnisse abbilden. Farbcodierte Höhenbilder geben die Höhen am Werkstück wider. Farbcodierte 3D-Darstellungen zeigen die Topografie als 3-dimensionales Model (siehe Abb.2). In der fotorealistischen 3D-Darstellung wird die Struktur als Schwarz-Weiß-Bild dargestellt. Sie macht die Rauheitsstruktur besonders gut erkennbar. Diese Rauheitsstrukturen sind definiert erzeugte Oberflächenstrukturen, die durch die Superfinishtechnologie entstehen. Um Lunker hinsichtlich der Tiefe und ihrer Verteilung auf der Oberfläche näher zu untersuchen, wird die Zylinderform der Topografie durch verschiedene Filtercharaktere wie z.B. Polynomfilter herausgefiltert. Als Ergebnis bleibt die abgewickelte Mantelfläche des Werkstücks und deren Rauheit über. Nach Filterung der Zylinderform kann die Rautiefe der Topografie ermittelt werden: SK – Kernrauheitstiefe (3D), SpK – reduzierte Spitzenhöhe (3D), SvK – reduzierte Riefentiefe (3D).
Die Messergebnisse im Einzelnen:
Abb. 2: farbkodiertes 3D-Bild
Die Vorteile der 3-dimensionalen Erfassung gegenüber der 2-dimensionalen Messung wird im folgenden Beispiel verdeutlicht. Lunker lassen sich im Ergebnis der 3-D Messung leicht erkennen und lokalisieren. Ein beliebig gelegter Tastschnitt dagegen trifft nicht in jedem Fall einen Lunker. Eine Aussage über das Vorhandensein von Lunkern auf einer Oberfläche wären mit dieser Methode u.U. nicht sicher zu treffen. Die beiden Profilschriebe verdeutlichen den Vorteil der 3 dimensionalen Betrachtung der mit Superfinish bearbeiteten Oberfläche.
Abbildung 3: Tastschnitt ohne Lunker
Abb 4: Tastschnitt mit Lunker
Abbildung 3 zeigt eine gleichmäßige Rauheitsstruktur der gefertigten Oberfläche. Der zweite Tastschnitt, Abbildung 4, weist einen tiefen Lunker und mehrere flache Lunker auf. Beide Profile stammen von einem Werkstück, bei dem der Versatz der Messstellen nur wenige 0,1 mm beträgt.
Abb. 5: 3-dimensionale Darstellung der Messdaten
In der 3-dimensionalen Darstellung können die Lunker gezielt erkannt und vermessen werden.
Fazit:
Lunker an mit Superfinish bearbeiteten Wellen lassen sich mit dem Weißlichtinterferometer MarSurf WS1 innerhalb kurzer Messzeiten von nur 20 bis 30 Sekunden erfassen und auswerten. Durch die universelle Software-Plattform MarWin ist es hierbei möglich nicht nur typische Topografie-Darstellung und Bewertungen sondern auch Rautiefen- und Konturauswertungen vorzunehmen.
Mehr Informationen zum Oberflächenmessplatz MarSurf WS 1 finden Sie hier...
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