Tragbare Rauheitsmessgeräte für schwer zugängliche Bereiche

Verfasst von Alexandre Dufour, Director of Engineered Solutions bei Mahr Inc.

Vor etwa 30 Jahren brachten tragbare Rauheitsmessgeräte – manche klein genug, um in ein Hemdtasche zu passen – ein neues Niveau der Teilekontrolle auf den Shopfloor. Die Rauheitsprüfung aus dem Labor auf den Shopfloor zu bringen, war aus ein paar Gründen wichtig. In den vorangegangenen 50 Jahren waren die Maßtoleranzen von Teilen geschrumpft. Als Ergebnis fraßen Oberflächenrauheit und Formabweichungen einen immer größeren Anteil der Gesamttoleranz auf, ein Trend, der heute anhält. Es war auch klar geworden, dass die Oberflächenrauheit eine sehr wichtige Rolle für die Leistung des Teils spielt. Die einzigartigen Eigenschaften einer Oberfläche können bestimmen, ob Farbe haftet, Schmierung hält oder leckt, oder wie viel „Geräusch“ entsteht, wenn Oberflächen aneinander reiben.

Mit richtiger Positionierung und Vorrichtung können kleine tragbare Rauheitsmessgeräte Oberflächenrauheitsparameter einfach messen, meist per Knopfdruck. Wie dimensionsale Handwerkzeuge liefern universelle tragbare Rauheitsmessgeräte einfach zu bedienende und zuverlässige Ergebnisse für viele Anwendungen. Einfach das taschengroße Gerät auf das Teil legen, sodass die eingebauten Auflageflächen es positionieren, Knopf drücken, und die Ergebnisse erscheinen, bereit zum Vergleich mit den Anforderungen.

Aber es ist nicht immer so einfach. Rauheitsparameter können auf praktisch jeder Oberfläche eines Teils angewendet werden – von innen in einer kleinen Bohrung, auf einem kurzen Land, um ein Loch herum, an einem Außendurchmesser zwischen zwei Wänden oder sogar auf diesen Wänden. Oft funktioniert ein Standard-tragbares Rauheitsmessgerät einfach nicht – entweder ist die Antriebseinheit zu groß, der Tastarm zu kurz, oder Hindernisse am Teil selbst stören die Geräteplatzierung.

Tastarmverlängerungen

Eine mögliche Lösung ist der Einsatz von Tastarmverlängerungen, doch auch diese haben ihre Grenzen. Das Hinzufügen von Verlängerungen erhöht das Gewicht des Tastarms. Bei geführten Tastern (skidded probes) kann das zusätzliche Gewicht Beschädigungen der Teileoberflächen verursachen, besonders bei weicheren Materialien wie Aluminium. Zudem kann das zusätzliche Gewicht die Federkraft des Führungssegments (Skids) außer Kraft setzen, wenn das Gerät in anderen Positionen als horizontal verwendet wird. Dies kann dazu führen, dass der Taster während der Messung den Kontakt zur Oberfläche verliert, was fehlerhafte Messergebnisse und „Out-of-measurement-range“-Fehler verursacht. Bei führungslosen Tastern (skidless probes) kann das zusätzliche Tastarmgewicht Vibrationen verursachen, die ebenfalls die Messergebnisse beeinflussen.

Im Allgemeinen sollten Tastarmverlängerungen nicht länger als 100 mm sein, damit die Skidkraft 0,6 N nicht übersteigt. Auch sollte der Winkelbereich des Instruments innerhalb eines 135°-Umschlags gehalten werden, beginnend bei 45° von der Horizontalen bis zu einer Position, in der die Antriebseinheit nach unten zur Erde zeigt.

Engineered Solutions (kundenspezifische Lösungen)

Wenn Standardgeräte die erwarteten Ergebnisse nicht liefern können, ist eine bessere Lösung, ein Gerät für die spezifische Anwendung kundenspezifisch zu entwerfen oder zu konstruieren. Dies gilt besonders in Fällen, wo ein hohes Teilevolumen und die Anforderung an schnelle, zuverlässige Messungen besteht – oft durch Zerspaner, die halbfachkundig in dimensionaler und Rauheitsmessung sind –, um Teilequalität zu sichern und die hohen Kosten von Teilerückrufen zu eliminieren. Dedizierte oder kundenspezifisch konstruierte Geräte sind schneller, einfacher zu bedienen und liefern Ergebnisse mit besserer Performance und GR&R (Gage R&R). Mit einem dedizierten Gerät kann praktisch jeder Bediener bearbeitete Teile einfach prüfen und Entscheidungen zu ihrer Qualität treffen. Sie können die Ergebnisse sogar für Prozessanalyse und -kontrolle sammeln.

Um zuverlässige und wiederholbare Ergebnisse zu erzielen, muss jedes Rauheitsmessgerät zwei Dinge tun: 1) den Diamanttaster am Ende des Tastarms präzise positionieren, um den spezifizierten Oberflächenbereich zu messen, und 2) den empfindlichen Tastarm und Taster vor Beschädigung während der Messoperationen schützen. Die Erfüllung dieser Anforderungen für schwer zugängliche Oberflächenbereiche hat zur Entstehung einer ganzen Familie dedizierter Geräte geführt, die schnelle, zuverlässige Rauheitsanalyse in die Hände von Zerspanern am Fertigungspunkt legen – oft بينما das Teil noch in der Werkzeugmaschine gespannt ist.

Zylinderbohrungen

Zylinderbohrungen benötigen spezifische Oberflächen, um Öleinhaltung und sanfte Axialbewegung auszugleichen. Sie gehörten zu den ersten Anwendungen, für die dedizierte Messgeräte für Rauheit entwickelt wurden. Bohrungen gibt es in verschiedenen Größen und können relativ tief sein, manche bis zu acht Zoll (ca. 200 mm). Zeichnungen können spezifische Tiefen und Positionen für Prüfungen vorgeben, und mit bis zu 12 Zylindern in manchen Blöcken und vier in der vast Mehrheit von Hochvolumenanwendungen gibt es viele Bohrungen zu messen. Daher müssen Geräte hochportabel und einfach für den Bediener auszurichten und auf Tiefe einzustellen sein. Das Design muss auch den empfindlichen Taster schützen, damit er nicht beschädigt wird, wenn das Gerät zum Teil gebracht wird.

Das dedizierte tragbare Rauheits-Bohrmessgerät ähnelt einem erweiterbaren Drei-Punkt-Bohrmessgerät. Der Drei-Punkt-Messer hat eine gewisse Größeneinstellung, kann aber auf eine spezifische Größe festgelegt werden. Dies erlaubt es, „einzurasten“ und hilft, sehr wiederholbare Messwerte ohne Bedienerinfluss zu liefern. Das Anzeigegerät wird auch durch einen Übertragungsmechanismus geschützt, sodass keine Positionierkräfte auf es wirken, wenn das Gerät auf das Teil gesetzt wird.

Das Rauheits-Zylinderbohrmessgerät nutzt dieselben Prinzipien. Um Einstellbarkeit zum Einrasten in verschiedene Größen zu geben, werden austauschbare Platten verwendet, um den richtigen Messbereich für den Durchmesser zu erreichen. Das Einstellen des Geräts mit dem richtigen Satz Blöcke erlaubt einfaches Einführen in die Zylinderbohrung, und einmal in Position, erweitert ein manuell gesteuerter Luftzylinder die Maßblöcke, sodass sie das Gerät in Position verriegeln.

Aber der Zylinder des Geräts hat eine noch kritischere Funktion. Wenn er ohne Luftdruck komprimiert ist, hält er den empfindlichen Rauheitstaster in einer zurückgezogenen Position. Das bedeutet, dass der Taster während des Einführens im Gehäuse des Geräts geschützt ist. Sobald der Bediener mit der Geräteposition zufrieden ist, betätigt er die Luft, verriegelt das Gerät in Position und der Taster fährt aus, sodass er den Rauheitstest machen kann. Wenn fertig, wird die Luft abgelassen, der Taster fährt zurück, und das Gerät wird frei, was einfaches Entfernen durch den Benutzer erlaubt.

Kleine behinderte Bohrungen

Rauheitsmessungen an Zylinderkopf-Ventilführungen sind besonders schwer durchzuführen aufgrund ihrer kleinen Größe (6 mm) und Lage im Zylinderkopf. Die zuverlässigsten Messungen werden von der „Federseite“ des Zylinderkopfs durchgeführt, da diese am zugänglichsten sind. Allerdings stellen die Nockenwellentürme ein Problem dar, da sie in den Bereich ragen, in dem das Geräte-Antriebssystem für die Messung positioniert sein muss. Ein kleines Antriebssystem ist die beste technische Lösung, da das Antriebssystem zwischen den Nockenwellentürmen platziert werden kann. Es ist möglich, ein konstruiertes Gerät zu nutzen, das diese Probleme eliminiert, da die Antriebseinheit nah an der Messposition platziert werden kann, ohne übermäßige Tastarmverlängerungen und Setup. Der Bediener montiert das Gerät einfach auf den Außendurchmesser der Ventilführung und das Gerät passt in den zu messenden Bereich.

Wie das Zylindermessgerät fährt auch diese Rauheitsversion den Taster ein, bis ein mechanischer Übertragungsmechanismus den Taster freigibt, wenn der Stopfen in seiner finalen Messposition ist.

Tiefe Sacklöcher

Bohrungen sind typischerweise einfach, Rauheitsmessungen in einer Shopfloor-Umgebung durchzuführen. Das gilt natürlich, wenn die Bohrung zugänglich ist und die Messtiefe minimal gehalten wird. Motorblock-Nockenwellen- und Kurbelwellenbohrungen sind jedoch oft tiefe Sacklöcher (bis zu 500 mm bei den meisten Motoren) und so klein im Durchmesser, dass eine typische Rauheits-Antriebseinheit nicht hineingepasst für eine ordnungsgemäße Positionierung für die Messung.

Typischerweise muss die Rauheits-Antriebseinheit extern zur Bohrung gehalten werden und eine lange Tastarmverlängerung genutzt werden, um die mittleren Nockenwellen- und Kurbelwellenbohrungen zu erreichen. Die ideale Lösung für solche Messungen ist jedoch, das Mess-Antriebssystem direkt zur zu messenden Oberfläche zu bringen.

Ein dediziertes Gerät kann die Antriebseinheit und den Messtaster direkt über der zu messenden Oberfläche positionieren, ohne lange Messverlängerungen zu benötigen. Die Antriebseinheit selbst ist klein im Durchmesser und kann innerhalb der Bohrung direkt über der Messposition platziert werden.

Behinderten Oberflächen

Flache Oberflächen sind auch einfach, auf dem Shopfloor auf Rauheit und Welligkeit zu messen, solange die Oberfläche groß genug für die Platzierung des Messgeräts ist und keine Hindernisse seine Messrichtung blockieren. Oft jedoch verbieten Hindernisse und minimale Landfläche den Einsatz traditioneller tragbarer Geräte.

Einige Oberflächen haben nicht nur eine kleine Landfläche, sondern auch Hindernisse am Gussstück, die den Einsatz eines traditionellen Rauheits-Welligkeitssystems verbieten. Normalerweise müsste diese Oberfläche mit einem Antriebssystem gemessen werden, das abseits vom Teil gehalten wird, und eine lange Tastarmverlängerung müsste genutzt werden, um die Oberfläche zu erreichen.

Ein Gerät kann führungslose Rauheitsmessungen auf dem Shopfloor durchführen, während es die führungslose Antriebseinheit und den Messtaster nah beieinander hält und ohne Tastarmverlängerungen. Das System nutzt eine Schablonenvorrichtung zur Positionierung der führungslosen Antriebseinheit und ist leicht erhöht, um Hindernisse zu überwinden.

Zapfenoberflächen

Rauheit ist auf einer Kurbelwelle sehr kritisch. Bei Drehzahlen von tausenden U/min und Lager- und Kurbeloberflächen sowie ihren Stirnflächen in Metall-zu-Metall-Kontakt besteht enormes Verschleißpotenzial. Die Rauheit hilft, die Lebensdauer dieser Produkte zu bestimmen.

Ein Konzept ähnlich einem Schnappmessgerät wird genutzt, wenn Rauheit auf Kurbelzapfen gemessen wird. Das Rauheitsmessgerät muss für verschiedene Größen einstellbar sein, muss einrasten und den Taster schützen.

Luftbetätigt erlaubt ein dediziertes Zapfenrauhigkeitsmessgerät dem Benutzer, die Verriegelungsbacken auf die ungefähre Größe einzustellen. Mit manueller Luftbetätigung verriegelt sich das Gerät selbst in Position und gibt den Taster frei, um das Teil zu kontaktieren. Wie bei all diesen Geräten nimmt der Taster keinen Kontakt auf, es sei denn, das Gerät ist vollständig verriegelt. Der Schlüsselunterschied bei diesem Gerät ist, dass es einen Traversentasterbetrieb hat, sodass der Taster horizontal entlang der Krone des Teils bewegt wird.

Genauso wichtig wie die Lager- und Kurbelzapfen sind die Stirnflächen, auf denen sie laufen. Ein weiteres Schnappmessgerät-Konzept wird genutzt, um den Rauheitstaster hier zu positionieren, mit denselben Gedanken im Hinterkopf: einfach zu bedienen, kein Bedienerinfluss, geschützte Tasterpositionierung.

Zuvor in Quality Magazine vorgestellt.