Oberflächeninspektion in die Hände des Werkzeugmaschinenbedieners legen

Da sich die Teiletoleranzen verschärfen, haben sowohl Form als auch Oberflächenbeschaffenheit einen größeren Einfluss auf die Größe und Funktion des Produkts. Und angesichts des Drucks auf die Fertigung, produktiver zu werden, ist es nicht mehr praktikabel, Oberflächen- oder Formprüfungen auf einem Messsystem in einem Qualitätsraum durchzuführen. Es wird immer wichtiger, die Oberflächenbeschaffenheit direkt am Herstellungsort zu messen – oft durch denselben Maschinisten, der das Teil herstellt. Und während dieser Maschinist oft ein Experte für den Betrieb der Maschine ist, ist er oder sie nicht unbedingt ein Experte für Messungen der Oberflächengüte (sowie damit verbundene Aufgaben wie das Sammeln und Dokumentieren von Daten).

Wir haben einen langen Weg von der nicht allzu fernen Vergangenheit zurückgelegt, als die Oberflächenbeschaffenheit durch Urteilsvermögen „gemessen“ oder mit einem Fingernagel mit einem Standard verglichen wurde. Seit den Anfängen der Rauheitsmesstechnik hat die Zahl internationaler Normen und international anerkannter Oberflächenparameter exponentiell zugenommen. Dies macht es besonders neuen Mitarbeitern (oder auch erfahrenen) im Qualitätsraum oder in der Produktion schwer, die Details und Feinheiten der Oberflächenmesstechnik zu erfassen.

Tragbare Rauheitsmessgeräte

Daher benötigen Hersteller Tools für Bediener, die den Testanforderungen entsprechen und einfach zu bedienen sind. Beispielsweise ist Ra (Roughness Average) die bevorzugte Methode zur Analyse der Oberflächenbeschaffenheit für viele Anwendungen. Tragbare Oberflächenmessgeräte im Taschenformat sind ideal für diese grundlegenden Messungen. Mit ihrer geringen Größe, Robustheit und einfachen Ein-Knopf-Bedienung setzen Hersteller sie seit über 25 Jahren erfolgreich für Rauheitsmessungen in der Werkstatt ein.

Aber Ra ist nicht das einzige Spiel in der Stadt. Wie eine Oberfläche entworfen oder hergestellt wird, wirkt sich oft auf ihre Leistung aus. Benötigt die Oberfläche winzige Rillen, um Öl zu halten, oder nur genug Rauheit, um sicherzustellen, dass Farbe hält? Beeinflusst das Finish das Erscheinungsbild der Oberfläche? Es stehen Parameter für die Oberflächenbeschaffenheit zur Verfügung, um jede dieser Eigenschaften zu messen. Und es gibt tragbare Messgeräte für die Oberflächengüte, mit denen sie gemessen werden können. Tatsächlich können einige neuere tragbare Messgeräte mehr als 30 verschiedene Parameter messen.

Die Schwierigkeit dabei ist, dass Sie jetzt im Grunde genommen ein Oberflächenveredelungssystem in Laborqualität in einer tragbaren Größe haben. Daher wird die Benutzerfreundlichkeit zu einem Problem:Während das Messen mehrerer Parameter so einfach sein kann wie das Drücken einer einzigen Taste, kann die Konfiguration dieser Parameter für einen Bediener entmutigend sein. Messgerätehersteller haben versucht, dieser Komplexität einen Schritt voraus zu sein, indem sie die Schnittstelle zwischen Messgerät und Bediener verbessert haben.

Neuere tragbare Oberflächenmessgeräte:Die neuesten tragbaren Oberflächenmessgeräte verbinden sich mit dem Benutzer wie ein Smartphone. Sie erfordern sehr wenig Schulung und können vom Bediener in wenigen Minuten verwendet werden. Die Einheiten sind intelligent genug, um die Filtereinstellung und die Auswahl der Abschaltung zu automatisieren und so die besten Ergebnisse für den Benutzer zu erzielen. Außerdem können Benutzer den Bildschirm und die Messungen so anpassen, dass sie nur die Ergebnisse sehen, die sie benötigen, ohne viele unnötige Informationen durchsuchen zu müssen. Für einen schnellen Zugriff auf häufig verwendete Funktionen kann das Display angepasst werden, um „bevorzugte“ Funktionen wie das Senden von Daten oder den Zugriff auf bestimmte Verfolgungsdetails anzuzeigen.

Wie bei einem Smartphone passt sich das Display des Geräts an, um Messungen in jeder Position zu ermöglichen – horizontal, vertikal oder auf dem Kopf – um dem Bediener den besten Betrachtungswinkel zu bieten.

Nun, da der Maschinist auch ein Prüfer für die Oberflächengüte geworden ist, könnte er genauso gut die Werkzeuge haben, um auch ein Experte für Datenerfassung und -analyse zu werden. Neue tragbare Oberflächenveredelungsprodukte machen die Erfassung oder Übertragung von Messergebnissen für den Anwender transparent. Bei jedem Messzyklus können die Datenergebnisse automatisch im Daten- und PDF-Format auf dem Gerät gespeichert werden. Gleichzeitig können die Ergebnisse automatisch über einen Ausgangsanschluss (oder einen drahtlosen Datensender) an einen Computer für Excel oder die Datenerfassung und SPC-Analyse von Drittanbietern gesendet werden. All dies wird mit nur einer einzigen Startschaltfläche und ohne zusätzliche Schritte durch den Benutzer erledigt.

Kundenspezifische oder dedizierte tragbare Oberflächenlösungen

Aber selbst bei all dieser Raffinesse und Benutzerfreundlichkeit kann die Messung der Oberflächengüte in der Werkstatt immer noch problematisch sein. Der Maschinenbediener hat möglicherweise nicht die Zeit, das Teil eng an der Sonde für die Oberflächengüte auszurichten, wenn der zu messende Steg sehr kurz ist. Er oder sie kann möglicherweise nicht tief genug in die Bohrung eindringen, oder an bestimmten Stellen eines Zylinderkopfs sind mehrere Prüfungen erforderlich, die eine zusätzliche Einrichtung erfordern. Und selbst wenn die Sonde zum Messpunkt gebracht werden kann, kann ein eiliger Bediener die Sonde möglicherweise nicht vor Beschädigung schützen.

Zylinderbohrungen:Nehmen wir als Beispiel das Messen von Zylinderbohrungen. Zylinderbohrungen waren wahrscheinlich die erste Anwendung, bei der spezielle Messgeräte zum Messen der Oberflächengüte entwickelt wurden. Zu den Merkmalen gehören Bohrungen in verschiedenen Größen, die relativ tief sein können, einige bis zu 8 Zoll. Die Drucke können bestimmte Tiefen und Positionen für Prüfungen angeben, und mit bis zu 12 Zylindern in einigen Blöcken und vier in den meisten Anwendungen mit hohem Volumen müssen viele Bohrungen gemessen werden. Daher müssen die Messgeräte sehr tragbar und für den Bediener leicht auszurichten und auf die Tiefe einzustellen sein. Das Design muss auch die empfindliche Sonde schützen, damit sie nicht beschädigt wird, wenn das Messgerät zum Teil gebracht wird.

Das spezielle tragbare Oberflächenfinish-Bohrungsmessgerät ähnelt einem erweiterbaren Tri-Bore-Messgerät. Die Tri-Bohrung hat eine gewisse Größenanpassung, kann aber auf eine bestimmte Größe eingestellt werden. Dadurch kann es an Ort und Stelle „einrasten“ und hilft, sehr wiederholbare Messwerte ohne Bedienereinfluss zu liefern. Das Anzeigegerät ist zudem durch einen Übertragungsmechanismus geschützt, so dass beim Aufsetzen der Lehre auf das Teil keine Stellkräfte auf es einwirken.

Das Oberflächenfinish-Zylinderbohrungsmessgerät leiht sich die gleichen Prinzipien. Um ihm eine Einstellbarkeit zum Einrasten in verschiedene Größen zu geben, werden austauschbare Platten verwendet, um den richtigen Messbereich für den Durchmesser zu erreichen. Das Einstellen der Lehre mit dem richtigen Blocksatz ermöglicht ein einfaches Einführen in die Zylinderbohrung, und sobald sie angebracht sind, dehnt ein manuell gesteuerter Luftzylinder die Größenblöcke aus, sodass sie die Lehre in Position fixieren. Die Klemmkraft ist so groß, dass ein Benutzer den Block mit dem Messgerät virtuell aufnehmen kann (obwohl dies nur von ernsthaften Gewichthebern durchgeführt werden sollte).

Aber der Zylinder des Messgeräts hat eine noch wichtigere Funktion. Wenn es ohne zugeführte Luft zusammengedrückt wird, hält es die empfindliche Sonde für die Oberflächengüte in einer zurückgezogenen Position. Das bedeutet, dass die Sonde während des Einführens geschützt im Inneren des DMS-Körpers liegt. Sobald der Bediener mit der Position des Messgeräts zufrieden ist, führt er Luft zu, arretiert das Messgerät in Position und die Sonde fährt aus, damit er den Oberflächentest durchführen kann. Wenn Sie fertig sind, wird die Luft abgelassen, die Sonde zieht sich zurück und das Messgerät wird frei, sodass der Benutzer es leicht entfernen kann.

Kleine Bohrungen:Einige Bohrungen im Block sind nicht so groß wie Zylinderbohrungen, erfordern aber auch eine Oberflächenmessung in der Werkstatt. Hier kann ein anderer Ansatz eingeschlagen werden. Wiederum in Anlehnung an die Welt der Präzisions-Dimensions-Handmessung kann eine Abnahme am festen mechanischen Stecker eingebaut werden. Bei dieser Art von Messgerät wird der mechanische Körper des Stopfens so hergestellt, dass er eine bestimmte Bohrungsgröße misst. Daher ist es schnell, selbstzentrierend und es gibt keinen Bedienereinfluss.

Das gleiche Konzept kann für ein tragbares Oberflächengüte-Messgerät verwendet werden. In diesem Fall enthält ein Stopfenkörper, der nahe an der zu messenden Bohrungsgröße hergestellt wird, eine Sonde für die Oberflächengüte. Aber im Gegensatz zu einem festen mechanischen Stecker, dessen Kontakte immer die Bohrung berühren, hält die Ausführung mit Oberflächenfinish die Sonde zurückgezogen, bis der Stecker seine endgültige Messposition erreicht hat. Dann gibt ein mechanischer Übertragungsmechanismus es frei.

Andere Beispiele für Oberflächenmessgeräte für Automobilteile sind Kurbelwellen und Nockenwellen, zusammen mit den unterbrochenen Bohrungen, in die sie eintreten. Eine kritische Rauheits- und Welligkeitsprüfung umfasst die Decksfläche von Köpfen und Blöcken, um eine gute leckagefreie Abdichtung beim Zusammenbau zu gewährleisten.

Automatisierte Oberflächenlösungen

Aber selbst mit den besten kundenspezifischen Werkzeugen kann es vorkommen, dass der Bediener mehr Teile und Teilemerkmale messen muss, als seine Ausrüstung bewältigen kann. So stehen vollautomatische Oberflächenmessgeräte zur Verfügung, um den Benutzereinfluss aus der Messung herauszunehmen. Es gibt viele Beispiele dafür, wo der Bediener davon profitiert, dass er nicht versuchen muss, diese komplexen Prüfungen durchzuführen. Beispiele können von großen Teilen – wie einem Motorblock, bei dem alle Oberflächenprüfungen mit einer automatisierten Einrichtung durchgeführt werden können – bis zum anderen Extrem reichen, bei dem kleine Teile mit sehr kleinen Löchern gemessen werden müssen. Dies wäre für einen Benutzer schwierig, wenn nicht sogar unmöglich zu versuchen, die Sonde auf die zu messende Bohrung auszurichten.

CNC-Messsysteme sind größtenteils auf die Rauheitsmessung an Werkstücken wie Zylinderblöcken und Zylinderköpfen ausgelegt. Die Positionierung des Werkstücks und der Programmablauf erfolgen vollautomatisch, wobei die Rotation von Teil und Instrument in zwei Achsrichtungen gesteuert und angetrieben wird, wodurch eine hohe Flexibilität und Zugänglichkeit zu allen Messpunkten erreicht wird.

Mehrere Sonden sind verfügbar und werden bei Bedarf automatisch ausgewählt, wobei jede eine vorprogrammierte Sondenspitzenkompensation verwendet. Dadurch ist es möglich, nach Teilezeichnungsdaten zu programmieren, während eventuelle Abweichungen in der realen Positionierung automatisch korrigiert werden. Der Messprozess ist zeitoptimiert, wodurch sichergestellt wird, dass die Ergebnisse auf höchst effiziente und zeitsparende Weise präsentiert werden.

Das andere Extrem sind Teile mit extrem kleinen Bohrungen, die sehr tief sind. Ein Bediener müsste viel Erfahrung haben, um eine kleine Sonde mit der Bohrung auszurichten und dann zu versuchen, die Sonde tief in die Bohrung einzuführen, um die Oberfläche am Boden zu prüfen. Und beim Sammeln dieser Erfahrung würden sicherlich eine Reihe von Opfersonden auf dem Weg verloren gehen.

Ein Beispiel hierfür ist die Vermessung verschiedener Kraftstoffeinspritzdüsenkörper. Ein vollautomatischer CNC-Messplatz ermöglicht die Messung von Kontur und Rauheit des gesamten Konus des Düsensitzes, vom Sackloch bis zum Führungsdurchmesser. Mit einer sehr kleinen Tastspitze (0,45 mm Gesamthöhe) kann ein Sackloch bis zu einem Durchmesser von ca. 0,6 mm eingegeben werden. Die angepasste Softwareroutine ermöglicht die vollautomatische Messung der gesamten Innenkontur des Werkstücks.

Messarm- und Werkstückhalterabmessungen werden in einem Koordinatensystem hinterlegt, so dass während des Betriebs keine weitere Einstellung der Messstation erforderlich ist. Mittels „Werkstückerkennung“ und automatischer Tastarmwechseleinheit kann der Automatisierungsgrad bis hin zur komplett bedienerunabhängigen Ausführung beliebig gestaltet werden. Mit der Option „Palettenmessung“ kann die Messung mehrerer identischer Werkstücke ohne Eingriff des Bedieners durchgeführt werden, sodass das System über Nacht die Lichter ausschalten kann, um die gesamte Palette zu vervollständigen.

Die Vorteile dieser CNC-Messplätze lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Messaufgaben mit sehr engen Toleranzen an kleinen oder großen Teilen
• Schnelle Messung ohne aufwändigen Aufbau des Messplatzes
• Automatisches Ausrichten und Positionieren von Werkstücken
• Sehr geringes Risiko einer Beschädigung des Tastarms durch Tastarmprüfung, Versatzbeseitigung und Werkstückkontrolle
• In-Prozess-Messung
• Statistische Auswertung jedes Merkmals zur Steuerung des Fertigungsprozesses
• Komplexe und vielfältige Messaufgaben können ohne Einfluss des Bedienpersonals auf die Messergebnisse problemlos durchgeführt werden

Ob es sich um eine Ein-Knopf-Bedienung an einem tragbaren Handmessgerät oder um einen einzelnen Startknopf an einem Voll-CNC-Oberflächen-Messgerät handelt, die Messung der Oberflächengüte schreitet voran und wird am Herstellungsort automatisiert.

Zuvor im Quality Magazine vorgestellt.