Oberflächenmesstechnik

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1 Fachhochschule für Technik und Wirtschaft Fachbereich 2 / Ingenieurwissenschaften II Labor Messtechnik Anleitung für das Praktikum : Oberflächenmesstechnik Inhalt : 1 Versuchsziel 2 Aufgaben zur Vorbereitung des Versuches 3 Grundlagen der Oberflächenmesstechnik 3.1 Allgemeines 3.2 Oberflächenparameter 3.3 Profilfilter 4 Messaufbau 4.1 Lichtschnittmessgerät Aufbau Messprinzip Ableseeinrichtung 4.2 Oberflächenmessgerät Aufbau Messprinzip 5 Versuchsdurchführung 5.1 Aufgabenstellung 5.2 Messablauf 5.3 Auswertung der Messdaten

2 1 Versuchsziel - richtige Handhabung im Umgang mit Oberflächenprüfgeräten - Bedeutung und Anwendung von Rauheitsparametern - Bedeutung und Einsatz von Profilfiltern 2 Aufgaben zur Vorbereitung des Versuches - Einarbeiten in den Versuch nach Versuchsanleitung - Begriffe der Oberflächenmesstechnik - Ordnungssystem für Gestaltabweichungen

3 3 Grundlagen der Oberflächenmesstechnik 3.1 Allgemeines Die Oberfläche stellt die Grenze zwischen zwei Medien dar; z.b. die Grenze zwischen einem festen Körper (Werkstück) und der Luft. Eine völlig glatte Oberfläche ist nicht herstellbar und auch in den meisten Fällen nicht erforderlich (dies könnte sich nachteilig auf die Funktion des Teiles auswirken). Eine Oberfläche besteht also immer aus den sich überlagernden Gestaltabweichungen : Formabweichung (1. Ordnung), Welligkeit (2. Ordnung) und Rauheit (3. und 4. Ordnung). (Gestaltabweichungen 5. und 6. Ordnung Gefügestruktur und Gitteraufbau fallen in das Gebiet der Werkstofftechnik.) siehe auch DIN 4760 Bild 1 : Darstellung der Gestaltabweichung 1. bis 4. Ordnung Um die Gestaltabweichungen getrennt voneinander charakterisieren zu können, wurden Oberflächenkennwerte definiert und genormt. Die meisten genormten Oberflächenkennwerte beruhen in ihrer Definition auf dem zweidimensionalen Profilschnitt. Bild 2 : Messtechnisch erfasste Oberfläche Je nach der Art der Oberflächenkennwerte werden diese entweder aus dem ungefilterten Ist- Profil, aus dem gefilterten Rauheitsprofil oder aus dem gefilterten Welligkeitsprofil ermittelt.

4 3.2 Oberflächenparameter Auf die Vielzahl der genormten Oberflächenparameter kann hier nicht eingegangen werden. So werden im folgenden nur jene Kennwerte näher erläutert, die für die Versuchsdurchführung relevant sind. Rauheitsprofil R Bei dem gefilterten Rauheitsprofil werden die langwelligen Profilanteile (Formabweichung, Welligkeit) durch elektrische Hochpassfilter gedämpft, so dass innerhalb der Messstrecke nur Rauheitskenngrößen, z.b. R z, R a, ermittelt werden können. Bild 3 : ungefilterte und gefilterte Profildarstellung Voraussetzung für eine korrekte Bestimmung der Rauheitsparameter ist eine sichere Basis in Form einer Bezugslinie. Die auf mathematischem Wege gefundene Bezugslinie ist eine Mittellinie, die das Profil so teilt, das der Flächeninhalt der werkstofferfüllten Profilerhebungen (Spitzen) und der werkstofffreien Profiltäler (Riefen) gleich groß ist.

5 Gemittelte Rauhtiefe R z Der Mittelwert aus den Einzelrauhtiefen (Z 1 Z 5 ) fünf aufeinander folgender Einzelmessstrecken l e ergibt die gemittelte Rauhtiefe R z. R max ist die größte Einzelrauh- tiefe aus den fünf aufeinander folgenden Einzelmessstrecken. Bild 4 : Ableitung des Parameters R z und R max Mittenrauhwert R a R a ist der arithmetische Mittelwert aller Abweichungen des Rauheitsprofils R von der mittleren Linie (Bezugslinie) innerhalb der Meßstrecke l m. R a entspricht theoretisch auch dem Abstand zweier Linien, die entstehen würden, wenn der Flächeninhalt der werkstofferfüllten Flächen über der Bezugslinie sowie der werkstofffreien Flächen unter der Bezugslinie in gleich große Rechtecke umgewandelt würden. Bild 5 : Ableitung des Parameters R a

6 3.3 Profilfilter Die Bestimmung der Kenngrößen, die aus dem Rauheits- oder Welligkeitsprofil errechnet werden, macht es zuerst erforderlich, dass eine korrekte Trennung zwischen Welligkeit und Rauheit erfolgt. Diese Trennung wird mit Hilfe der elektrischen Profilfilterung erreicht. Ein Profilfilter gleicht einem Sieb. Aus einem Kieshaufen entstehen durch Sortieren mit einem Sieb zwei neue Haufen; von denen der eine nur Steine enthält, während der andere aus feinkörnigem Material besteht. Verwendet man ein Sieb mit größerer Maschenweite, so wird ein Teil der Steine ebenfalls beim feinkörnigem Material landen. Die Maschenweite eines Siebes bestimmt also, was als Steine und was als feinkörniges Material angesehen wird. Die Grenze, an der die Welligkeit in Rauheit übergeht, ist willkürlich. Es gibt keine absolute Definition dafür, was Rauheit ist und wann sie in Welligkeit übergeht. Es wäre nun aber falsch, einfach einen kleinen Filterwert zu wählen, nur um sicher zu sein, dass bei einer Rauheitsmessung keine Wellenanteile mit erfasst werden. Es besteht dann die Gefahr, dass das Filter die Rauheit als Welligkeit versteht und ebenfalls dämpft. Um Fehlmessungen zu vermeiden, richtet sich die Größe des zu verwendenden Filters bei periodischen Profilen (z.b. Drehen) nach dem Rillenabstand; bei aperiodischen Profilen (z.b. Schleifen) nach der Rauheit. Bestimmende Größe für die Grenze zwischen Welligkeit und Rauheit ist die Grenzwellenlänge λ. Sie entspricht der Maschenweite des Siebes, um feinkörniges Material von Steinen zu trennen. Nach DIN EN ISO sind 5 verschiedene Wellenfilter mit den Grenzwellenlängen 0,08; 0,25; 0,8; 2,5 und 8 mm festgelegt. Bild 6 : Sinnbild für Filterung des Oberflächenprofils

7 4 Messaufbau 4.1 Lichtschnittmessgerät Aufbau Das Lichtschnittmessgerät besteht aus einem Messständer (1) mit Objekttisch (2), auswechselbaren Objektiven (3), dem Lichtschnittansatz (4) und einer Okularmessschraube mit Innenableseeinrichtung (5). Der Lichtschnittansatz lässt sich in der Höhe zum Prüfling verstellen (Scharfstellen des Prüfbildes). Das Okular ist für die Sehschärfe des beobachtenden Auges einstellbar. Beim Einblick in das Okular erscheint das Sehfeld. Das Ausmessen des Lichtschnittbildes (Rauhtiefe und Rillenabstand) wird an der Okularmessschraube mit Innenablesung vorgenommen Messprinzip Das Lichtschnittmessgerät ist ein Messmikroskop, das nach dem Lichtschnittverfahren von Prof. Schmaltz arbeitet. Ein dünnes Lichtband wird unter 45 mit der waagerecht liegenden Prüffläche zum Schnitt gebracht. Dabei wird die entstehende Schnittebene zwischen Lichtband und Prüffläche sichtbar. An diesem Profilschnitt lassen sich die Rauhtiefe R t und der Rillenabstand s m messen. Bild 7 : Prinzip des Lichtschnittverfahrens Als Prüflinge kommen, auf Grund der berührungslosen Messung, Werkstücke aus nahezu allen Werkstoffen auch Holz, Papier, Kunststoff u.ä. in Frage.

8 4.1.3 Ableseeinrichtung Beim Einblick in das Okular erscheint im Sehfeld ein Betrachtungsausschnitt vom Prüfling (in der Abbildung ist eine Objektmessplatte zu sehen), ein unterbrochener senkrechter Strich als Messmarke sowie eine Fein- und Grobskale zur Bestimmung des Messwertes. Die Stellung des unterbrochenen Striches ist mittels eines Stellknopfes verschiebbar. Die Feinskale ist in 100 Intervalle geteilt (jeder zweite Strich beziffert). Hundert Intervalle der Feinskale entsprechen einem Intervall der von 1 bis 8 bezifferten Grobskale. Abbildung oben : Anzeige 20 Skalenteile Abbildung unten : Anzeige 714 Skalenteile Bild 8 : Sehfeld mit Skalenwertbestimmung

9 4.2 Oberflächenmessgerät Aufbau Das Perthometer S3P ist ein Oberflächenmessgerät mit dem alle nach DIN/ISO genormten Oberflächenkenngrößen ermittelt werden können. Der Messplatz umfasst neben dem S3P die Komponenten : Vorschubgerät mit Tastsystem und Messständer mit Kreuztisch. Das S3P ermöglicht die Darstellung von Kennkurven, Profildiagrammen und Meßprotokollen sowie die Durchführung von statistischen Auswertungen Messprinzip Gemessen wird nach dem Prinzip des Tastschnittverfahrens : Ein Oberflächentaster mit Diamantspitze tastet die zu prüfende Oberfläche entlang einer Taststrecke geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit ab. Bild 8 : Taster auf Werkstückoberfläche Bild 9 : Diamantspitze des Tasters (Spitzenradius 5 µm) Er zeichnet dabei einen zweidimensionalen Profilschnitt auf, indem die Oberflächenstrukturen als mechanische Auslenkungen der Tastspitze erfasst, in digitale Werte umgewandelt und in einem Profilspeicher als ungefiltertes Profil abgelegt werden. Das ungefilterte Profil bildet die Grundlage für die weiteren Auswertungen : digitale Filterung Berechnung von Kenngrößen Ausgabe von Messprotokollen, Profildiagrammen und Kennkurven Führen einer Statistik usw.

10 5 Versuchsdurchführung 5.1 Aufgabenstellung Messen Sie an einem vorgegebenen Prüfling das gefilterte Rauheitsprofil. Bestimmen Sie hierfür den Rillenabstand und den optimalen Filter. 5.2 Messablauf 1. Bestimmen der Länge des Skalenwertes L S am Lichtschnittmessgerät Die Länge des Skalenwertes der Grob- und Feinskale der Okularmessschraube hängt von der Vergrößerung des verwendeten Objektivpaares ab. Diese Länge kann mit einer Objektmessplatte (auch Objektmikrometer) bestimmt werden. Auf der Objektmessplatte befindet sich eine in 10 µm unterteilte 1 mm lange Skale. Bestimmen Sie hiermit die Länge des Skalenwertes der Okularmessschraube. 2. Messen des Rillenabstandes s m am Lichtschnittmessgerät Der Rillenabstand wird an einem Prüfling (Drehteil) und an einem Normteil Drehen über 2, 4 und 6 Rillen gemessen. Bestimmen Sie aus den Messungen den mittleren Rillenabstand und vergleichen Sie die Ergebnisse. 3. Bestimmen der Grenzwellenlänge λ in Abhängigkeit des Rillenabstandes s m Bestimmen Sie nach DIN 4768 die entsprechende Grenzwellenlänge für den Prüfling und für das Normteil. 4. Aufnehmen der Messwerte am Oberflächenmessgerät S3P Nehmen Sie mit dem ermittelten und dem nächst größeren λ-wert jeweils eine Profilaufzeichnung am Prüfling und am Normteil auf. 5.3 Auswertung der Messdaten Vergleichen Sie die beiden Messungen vom Prüfling (Oberflächenparameter und Profildiagramm). Wurde der Filter richtig bestimmt? Als Orientierung dienen die Aufzeichnungen vom Normteil Drehen.