Zerspaner befähigen: In-Prozess-Oberflächeninspektion für überlegene Produktqualität

Da Bauteiltoleranzen enger werden, haben sowohl Form als auch Oberflächenbeschaffenheit größeren Einfluss auf Größe und Funktion des Produkts. Und mit dem Druck auf die Fertigung, produktiver zu sein, ist es nicht mehr tragbar, Oberflächen- oder Formprüfungen an einem Messsystem im Qualitätsraum durchzuführen. Es wird immer wichtiger, die Oberflächenrauheit direkt am Fertigungspunkt zu messen – oft durch denselben Zerspaner, der das Teil fertigt. Und obwohl dieser Zerspaner oft Experte im Bedienen der Maschine ist, ist er nicht notwendigerweise Experte für Oberflächenrauheitsmessungen (und verwandte Aufgaben wie Datenerfassung und -dokumentation).

Wir sind weit gekommen von der nicht allzu fernen Vergangenheit, als Oberflächenrauheit „per Urteil“ oder durch Vergleich mit einem Standard per Fingernagel „gemessen“ wurde. Seit der Entstehung der Rauheitsmetrologie ist die Zahl internationaler Standards und international anerkannter Oberflächenparameter exponentiell gestiegen. Das macht es besonders schwierig für neue Mitarbeiter (oder sogar erfahrene) im Qualitätsraum oder auf der Werkstattfläche, die Details und Feinheiten der Oberflächenmetrologie zu erfassen.

Tragbare Rauheitsmessgeräte

Daher benötigen Hersteller Werkzeuge für Bediener, die Prüfanforderungen erfüllen und einfach zu bedienen sind. Beispielsweise ist Ra (Mittlere Rauheit) die Standardmethode zur Analyse der Oberflächenbeschaffenheit für viele Anwendungen. Taschengroße tragbare Oberflächenmessgeräte sind ideal für diese Basismessungen. Mit ihrer geringen Größe, Robustheit und einfacher Ein-Knopf-Bedienen nutzen Hersteller sie seit über 25 Jahren erfolgreich für Rauheitsmessungen auf der Werkstattfläche.

Aber Ra ist nicht das einzige Maß. Wie eine Oberfläche gestaltet oder gefertigt ist, beeinflusst oft ihre Leistung. Braucht die Oberfläche feine Rillen, um Öl zu halten, oder gerade genug Rauheit, um Lackhaftung zu gewährleisten? Beeinflusst das Finish das Erscheinungsbild? Es gibt Oberflächenparameter für jede dieser Eigenschaften. Und es gibt tragbare Oberflächenmessgeräte, die sie messen können. Tatsächlich können einige neuere tragbare Geräte mehr als 30 verschiedene Parameter messen.

Die Schwierigkeit: Man hat jetzt im Grunde ein laborqualitäres Oberflächenmesssystem in Handgröße. Die Bedienbarkeit wird zum Problem: Während das Messen mehrerer Parameter so einfach sein kann wie ein einziger Knopfdruck, kann das Konfigurieren dieser Parameter für einen Bediener entmutigend sein. Messgerätehersteller haben versucht, dieser Komplexität voraus zu sein, indem sie die Schnittstelle zwischen Gerät und Bediener verbesserten.

Neuere tragbare Oberflächenmessgeräte: Die neuesten tragbaren Oberflächenmessgeräte interagieren mit dem Nutzer wie ein Smartphone. Sie erfordern sehr wenig Schulung und können vom Bediener in Minuten genutzt werden. Die Geräte sind intelligent genug, Filtereinstellungen und Abschneidbedingungen zu automatisieren und liefern die besten Ergebnisse für den Nutzer. Zudem können Nutzer Bildschirm und Messungen anpassen, sodass sie nur die benötigten Ergebnisse sehen, ohne durch unnötige Informationen wühlen zu müssen. Für schnellen Zugriff auf häufig genutzte Funktionen kann das Display so angepasst werden, dass „Favoriten“ wie Datensendung oder Zugriff auf spezifische Spuren angezeigt werden.

Wieder wie ein Smartphone passt sich das Display an, um Messungen in jeder Position zu ermöglichen – horizontal, vertikal oder kopfüber – für den besten Betrachtungswinkel des Bedieners.

Da der Zerspaner nun auch Oberflächeninspektor ist, sollte er auch die Werkzeuge haben, um Experte für Datenerfassung und -analyse zu werden. Neue tragbare Oberflächenprodukte machen die Sammlung oder Übertragung von Messergebnissen für den Nutzer transparent. Bei jedem Messzyklus ermöglichen Einstellungen, dass Datenergebnisse automatisch auf dem Gerät gespeichert werden – sowohl in Daten- als auch PDF-Format. Gleichzeitig können die Ergebnisse automatisch über einen Ausgabeanschluss (oder kabellosen Datensender) an einen Computer für Excel oder Drittanbieter-Datenerfassung und SPC-Analyse gesendet werden. All das erfolgt mit nur dem einzigen Startknopf und ohne zusätzliche Schritte des Nutzers.

Kundenspezifische oder dedizierte tragbare Oberflächenlösungen

Doch auch mit all dieser Raffinesse und Benutzerfreundlichkeit kann Oberflächenmessung auf der Werkstattfläche problematisch bleiben. Der Maschinenbediener hat möglicherweise nicht die Zeit, das Teil eng an die Oberflächentastatur auszurichten, wenn die zu messende Anlagefläche sehr kurz ist. Er oder sie kommt möglicherweise nicht tief genug in die Bohrung, oder es sind mehrere Prüfungen an spezifischen Positionen an einem Zylinderkopf erforderlich, die zusätzlichen Aufbau erfordern. Und selbst wenn die Sonde an den Messpunkt gebracht werden kann, kann ein eiliger Bediener die Sonde möglicherweise nicht vor Beschädigung schützen.

Zylinderbohrungen: Nehmen Sie das Messen von Zylinderbohrungen als Beispiel. Zylinderbohrungen waren wahrscheinlich die erste Anwendung mit dedizierter Messtechnik für Oberflächenrauheit. Merkmale sind Bohrungen verschiedener Größen, die relativ tief sein können – bis zu 8 Zoll (ca. 200 mm). Zeichnungen fordern oft spezifische Tiefen und Positionen für Prüfungen, und mit bis zu 12 Zylindern in manchen Blöcken und vier in den meisten Großserienanwendungen gibt es viele Bohrungen zu messen. Daher müssen die Messgeräte hochportabel und einfach für den Bediener auszurichten und auf Tiefe einzustellen sein. Das Design muss auch die empfindliche Sonde schützen, damit sie beim Anbringen des Messgeräts am Teil nicht beschädigt wird.

Das dedizierte tragbare Oberflächen-Bohrmessgerät ähnelt einem erweiterbaren Drei-Backen-Bohrmessgerät. Der Drei-Backen-Messkopf hat einen gewissen Größenverstellbereich, kann aber auf eine bestimmte Größe eingestellt werden. Dies ermöglicht es, „festzusitzen“ und sehr wiederholbare Messwerte ohne Bedienerinfluss zu liefern. Das Anzeigegerät wird zudem durch einen Übertragungsmechanismus geschützt, sodass keine Anlegekräfte auf ihn wirken, wenn das Messgerät auf das Teil gesetzt wird.

Das Oberflächen-Zylinderbohrmessgerät nutzt dieselben Prinzipien. Für Einstellbarkeit zum Festsetzen in verschiedenen Größen werden Wechselplatten verwendet, um den richtigen Messbereich für den Durchmesser zu erreichen. Das Einstellen des Messgeräts mit dem passenden Blocksatz ermöglicht einfaches Einführen in die Zylinderbohrung, und einmal in Position, dehnt ein manuell gesteuerter Luftzylinder die Maßblöcke aus, sodass sie das Messgerät in Position klemmen. Die Klemmkraft ist so, dass ein Benutzer den Block mit dem Messgerät praktisch anheben könnte (obwohl dies nur von ernsthaften Gewichthebern getan werden sollte).

Der Messgerätezylinder hat aber eine noch kritischere Funktion. Wenn er ohne Druckluft komprimiert ist, hält er die empfindliche Oberflächentastatur in einer eingefahrenen Position. Das bedeutet, beim Einführen ist die Sonde im Gehäuse des Messgeräts geschützt. Sobald der Bediener mit der Position zufrieden ist, betätigt er die Druckluft, klemmt das Messgerät fest, und die Sonde fährt aus, sodass er den Oberflächentest durchführen kann. Nach Fertigstellung wird die Luft abgelassen, die Sonde fährt ein, und das Messgerät wird frei, was einfaches Entfernen ermöglicht.

Kleine Bohrungen: Einige Bohrungen im Block sind nicht so groß wie Zylinderbohrungen, erfordern aber ebenfalls Oberflächenmessung auf der Werkstattfläche. Hier kann ein anderer Ansatz gewählt werden. Wieder angelehnt an die Welt der präzisen dimensionalen Handmessgeräte kann ein Abkömmling des festen mechanischen Steckers eingesetzt werden. Bei diesem Messgerät ist der mechanische Körper des Steckers auf eine bestimmte Bohrungsgröße ausgelegt. Er ist somit schnell, selbstzentrierend und ohne Bedienerinfluss.

Dasselbe Konzept kann für ein tragbares Oberflächenmessgerät genutzt werden. Hier enthält ein Steckerkörper, der nahe an der zu messenden Bohrungsgröße gefertigt ist, eine Oberflächentastatur. Aber im Gegensatz zu einem festen mechanischen Stecker, der immer seine Kontakte an der Bohrung hat, hält die Oberflächenversion die Sonde eingefahren, bis der Stecker in seiner finalen Messposition ist. Dann löst ein mechanischer Übertragungsmechanismus sie aus.

Weitere Beispiele für Oberflächenmessgeräte für Automobilteile sind Kurbelwellen und Nockenwellen sowie die unterbrochenen Bohrungen, in die sie laufen. Eine kritische Rauheits- und Welligkeitsprüfung umfasst die Deckelflächen von Köpfen und Blöcken, um eine gute, leckfreie Dichtung bei der Montage zu gewährleisten.

Automatisierte Oberflächenlösungen

Doch selbst mit den besten kundenspezifisch entwickelten Werkzeugen kann der Bediener vor der Aufgabe stehen, mehr Teile und Merkmale zu messen, als seine Ausrüstung bewältigen kann. Daher sind vollautomatische Oberflächenmessmaschinen verfügbar, um den Benutzereinfluss aus der Messung zu nehmen. Es gibt viele Beispiele, wo der Bediener davon profitiert, nicht versuchen zu müssen, diese komplexen Prüfungen durchzuführen. Beispiele reichen von großen Teilen – wie einem Motorblock, wo alle Oberflächenprüfungen mit einem automatisierten Setup gemacht werden können – bis zum anderen Extrem, wo kleine Teile mit sehr kleinen Bohrungen gemessen werden müssen. Diese wären für einen Benutzer schwierig, wenn nicht unmöglich, die Sonde an der Bohrung auszurichten und tief einzuführen.

Auf der Großteile-Seite sind CNC-Messsysteme für Rauheitsmessung an Werkstücken wie Zylinderblöcken und -köpfen ausgelegt. Die Positionierung des Werkstücks und die Programmsequenz sind vollautomatisch, steuern und treiben die Rotation des Teils und des Instruments in zwei axialen Richtungen an, was hohe Flexibilität und Zugänglichkeit zu allen Messpunkten bietet.

Mehrere Sonden sind verfügbar und werden automatisch ausgewählt, wenn sie aufgerufen werden, jeweils mit vorprogrammierter Sondenspitzenkompensation. Dies ermöglicht Programmierung nach Zeichnungsdaten, während potenzielle Abweichungen in der realen Positionierung automatisch korrigiert werden. Der Messprozess ist zeitoptimiert, sodass Ergebnisse auf effizienteste und zeitsparendste Weise präsentiert werden.

Das andere Extrem sind Teile mit extrem kleinen, sehr tiefen Bohrungen. Ein Bediener bräuchte viel Erfahrung, um eine kleine Sonde an der Bohrung auszurichten und dann tief einzuführen für den Oberflächentest am Grund. Dabei würden sicherlich einige Sonden geopfert.

Ein Beispiel ist die Messung verschiedener Kraftstoffeinspritzdüsenkörper. Eine vollautomatische CNC-Messstation ermöglicht die Messung von Kontur und Rauheit des gesamten Kegels des Düsensitzes, von der Sackbohrung bis zum Führungsdurchmesser. Mit einer sehr kleinen Sondenspitze (0,45 mm Gesamthöhe) kann eine Sackbohrung mit bis zu ca. 0,6 mm Durchmesser befahren werden. Die angepasste Software-Routine ermöglicht die vollautomatische Messung des gesamten inneren Konturs des Werkstücks.

Sondenarme und Werkstückhalterdimensionen sind in einem Koordinatensystem gespeichert, sodass während des Betriebs keine weitere Einstellung der Messstation erforderlich ist. Durch „Werkstuckerkenung“ und einen automatischen Sondenarmwechsler kann der Automatisierungsgrad bis hin zu vollständig bedienerunabhängiger Ausführung gestaltet werden. Mit der „Pallettenmessung“-Option können mehrere identische Werkstücke ohne Bedienerbeteiligung gemessen werden, sodass das System über Nacht im Lights-out-Betrieb die gesamte Palette abarbeitet.

Die Vorteile dieser CNC-Messstationen lassen sich zusammenfassen als:

• Messaufgaben mit engsten Toleranzen an kleinen oder großen Teilen
• Schnelle Messung ohne komplexen Aufbau der Messstation
• Automatische Ausrichtung und Positionierung der Werkstücke
• Sehr geringes Risiko von Sondenarmschäden durch Sondenarmprüfung, Offset-Bereinigung und Werkstückkontrolle
• In-Prozess-Messung
• Statistische Auswertung jedes Merkmals zur Steuerung des Fertigungsprozesses
• Komplexe und vielfältige Messaufgaben einfach durchführbar ohne Einfluss des Bedienpersonals auf Messergebnisse

Ob Ein-Knopf-Bedienung an einem handgeführten tragbaren Messgerät oder ein einziger Startknopf an einem vollen CNC-Oberflächenmessgerät – die Oberflächenmessung schreitet voran und automatisiert am Fertigungspunkt.

Zuvor in Quality Magazine vorgestellt.