In der Produktion gibt es Temperaturschwankungen.

Temperaturschwankungen stellen eine der wichtigsten Ursachen für Messfehler dar. Da die Fertigungstoleranzen immer enger werden und der Spielraum für Messfehler kleiner wird, muss dieses Problem angegangen werden. Lesen Sie hier über das Verfahren der Temperaturkompensation wie es bei vielen Mahr-Messsystemen angewandt wird.

Die meisten Werkstoffe dehnen sich aus, wenn sie erwärmt werden. Wenn das Ziel der Prüfung darin besteht, die wahre Größe eines Werkstücks zu bestimmen, muss seine Temperatur bekannt sein. Nach der allerersten ISO-Norm (ISO 1) wird automatisch davon ausgegangen, dass diese Temperatur 20 °C (68 °F) beträgt. Doch nur wenige Prüfverfahren überwachen die Temperatur des Werkstücks, geschweige denn versuchen, sie zu beeinflussen. Viele Qualitätsbeauftragte nehmen an, dass einer thermisch erzeugten Veränderung bei dem Werkstück die gleiche Veränderung bei dem Messinstrument und der Maßverkörperung gegenübersteht, dass alles sich in gleichem Maße ausdehnt und schrumpft und alles prima klappt.

Beachten Sie den Werkstoff
Weit gefehlt. Messinstrument, Maßverkörperung und Werkstück – diese drei Komponenten eines Maßprüfsystems können aus verschiedenen Werkstoffen sein, sodass sich die Auswirkungen der Wärmeausdehnung unterscheiden werden, auch wenn alle auf der gleichen Temperatur sind. Doch die Komponenten werden nicht zwangsläufig die gleiche Temperatur haben. Werkstücke, die erst kurz zuvor eine Trockenbearbeitung erfahren haben, können einige Grad wärmer sein bzw. noch einige Stunden lang wärmer bleiben. Bei Zuführung eines Kühlmittels hergestellte Werkstücke können kälter sein. Das Messinstrument bzw. die Maßverkörperung kann sich auf einem Prüfstand in direktem Sonnenlicht oder unter einem Kühl- oder Heizlüfter befinden. Durch die Temperaturschichtung in einem Raum können Temperaturunterschiede zwischen in Bodennähe aufbewahrten Komponenten und in einem Hochregal gelagerten Komponenten bestehen. Zudem können die relativen Massen der Komponenten einen Unterschied bewirken. Beispielsweise wird ein Motorblock für das Erreichen des Gleichgewichts mit der Umgebungstemperatur länger brauchen als eine Bohrungslehre. Und in manchen Fällen können Temperaturschwankungen bei Messinstrument und Werkstück in entgegengesetzten Richtungen wirken, wodurch der Fehler verstärkt und eben nicht aufgehoben wird. Beispielsweise bewirken hohe Temperaturen, dass die Kontakte einer Bohrungslehre länger werden, was natürlich dazu führt, dass die gemessenen Innendurchmesser kleiner sind als die tatsächlichen Innendurchmesser. Andererseits wird der Innendurchmesser eines dünnwandigen Teils, z.B. einer Lagerbuchse, mit höheren Temperaturen größer.

Beispiel Aluminium
Diese Fehler können signifikant sein. Als Beispiel seien ein Werkstück aus Aluminium mit einem kritischen Maß von 0,102 m (4.0000 inch) und eine Maßverkörperung aus Stahl für die Nullpunkteinstellung des Messinstruments betrachtet. In der Werkhalle ist es heute warm, doch das Werkstück und die Maßverkörperung sind im Gleichgewicht bei 26,7 °C (80 °F) und damit 6,7 K (12 °F) über der "Norm". Die Maßverkörperung und das Werkstück haben sich wie folgt ausgedehnt:

Maßverkörperung aus Stahl:  ca. 7,3 µm (6 μin x 4 x 12 = .000288 inch)
Werkstück aus Aluminium: ca. 15,8 µm (13 μin x 4 x 12 = .000624 inch)

Der nur durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Werkstoffe verursachte Fehler beträgt 15,8 µm - 7,3 µm = 8,5 µm (.000336 inch). Für die meisten Prüfvorgänge ist das eine signifikante Größenordnung.

Wird nun stattdessen angenommen, dass die Temperatur der Werkhalle genau 20 °C (68 °F) beträgt und dass Maßverkörperung und Messinstrument jeweils auf Umgebungstemperatur sind, das Werkstück jedoch gerade von der Maschine gekommen ist und eine Temperatur von 26,7 °C (80 °F) aufweist, dann wird die gesamte Abweichung von 15,8 µm (.000624 inch), die das Teil aufweist, als Messfehler erscheinen!

Einige Unternehmen versuchen, dieses Problem durch Einflussnahme auf die Umgebung in den Griff zu bekommen. Üblicherweise umfasst dies die Einführung von hoch entwickelten HLK-Steuerungen, Umbauten an Gebäuden, die Gewährung einer Ruhezeit für Werkstücke, damit sie vor einer Maßprüfung das Temperaturgleichgewicht erreichen, und andere aufwändige Maßnahmen. Das funktioniert gut bei Messlaboratorien, ist bei Maschinenhallen jedoch vergeblich. Die Gebäude sind zu groß, haben eine zu große Fläche und einen zu großen Rauminhalt, es gibt zu viele Wärme erzeugende Einrichtungen, die aus- und wieder eingeschaltet werden – alles in allem zu viele Variablen. Im Grunde müsste man die Werkhalle in eine kontrollierte Laborumgebung verwandeln – und das wäre richtig teuer!

Das Verfahren der Temperaturkompensation
Besser ist es, die Temperatur des Messinstruments, der Maßverkörperung und des Werkstücks zu messen und Temperaturabweichungen auf der Grundlage der bekannten Ausdehnungskoeffizienten zu kompensieren. Dies ist nun direkt in der Fertigung praktisch umsetzbar, indem spezielle Geräte wie etwa von Albion Devices Inc. (Solana Beach, Kalifornien) verwendet werden, die sich mit elektronischen Prüfsystemen koppeln lassen. Üblicherweise werden zwei kleine, industriegeeignete Fühler am Messinstrument angebracht: einer zum Messen der Temperatur des Messinstruments und einer zum Messen des aufgespannten Werkstücks bzw. der aufgespannten Maßverkörperung. Das System kann für die entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Komponenten programmiert werden, und die Ergebnisse werden einem Algorithmus zugeleitet, der als Ausgabe des Messinstruments ein temperaturkompensiertes Messergebnis erzeugt. (In den Algorithmus können weitere Kompensationsfaktoren integriert werden, um außergewöhnliche Elemente in der Geometrie des Messinstruments, Temperaturunterschiede zwischen der Oberfläche eines Werkstücks und seinem Inneren und dergleichen zu korrigieren.) Solch ein System wird thermisch induzierte Fehler um 90 bis 95 Prozent reduzieren. In unserem zweiten Beispiel mit dem Werkstück aus Aluminium würde der Fehler auf etwa 1,57 µm (62 μ") oder weniger reduziert werden. Das ist ein Wert, mit dem die meisten Betriebe leben können.
George Schuetz, Mahr Federal Inc.