Entwicklung, Fertigung und Kalibrierung eines neuartigen Mikroinnenverzahnungsnormals

Evolventische Mikrozahnräder sind wichtige Komponenten für den Einsatz in vielen industriellen Anwendungen (zum Beispiel Medizintechnik, Feinwerktechnik, und Robotik). Werkstückähnliche Prüfkörper helfen der Industrie bei der Überprüfung von Messungen an Bauteilen und der Abschätzung der Messunsicherheit. Um dem Bedarf an zuverlässigen, rückführbaren Mikroverzahnungsmessungen gerecht zu werden, hat die PTB das erste evolventische Mikroinnenverzahnungsnormal mit Moduln zwischen 0,1 mm und 1 mm entwickelt. Entstanden sind dabei zwei Versionen aus unterschiedlichen Materialien (Titan bzw. Hartmetall), die mittels Drahterodieren (Wire Electrical Discharge Machining / WEDM) hergestellt wurden. Die Profil- und Flankenlinien wurden mittels taktiler Messungen auf einem rückgeführten Mikrokoordinatenmessgerät kalibriert und die Abweichungen und die Messunsicherheiten im Submikrometerbereich bestimmt. Das Modul 0,1 mm wurde nicht kalibriert, da der kleinste verfügbare Tastkugeldurchmesser von 125 µm zu groß für die entsprechenden Zahnlücken ist.

Das Mikroinnenverzahnungsnormal hat einen Außendurchmesser von 40 mm und einen Kopfdurchmesser von 20 mm bei einer Zahnbreite von 2 mm. Grund für die geringe Zahnbreite ist die entsprechende Schaftlänge des Tasters im Mikrokoordinatenmessgerät von 2 mm, der für die Kalibrierung verwendet wurde. Das Normal wurde bereits erfolgreich für interne Vergleichsmessungen (taktile Messungen auf einem Verzahnungsmessgerät, optische Messungen mittels Fokusvariation, und Messungen mittels Computertomographie (CT)) verwendet. Diese zeigen bezüglich der Kalibrierwerte Abweichungen im einstelligen Mikrometerbereich, was angesichts der anspruchsvollen Mikroverzahnungsmessung ein gutes Ergebnis ist. Im Rahmen dieser Studie wurde auch das kleinste Modul des Normals erfolgreich gemessen. Die geringen Messunsicherheiten resultieren aus der hohen Präzision des Messgeräts, den guten Messraumbedingungen, und der Beherrschung des Kalibrierprozesses (inklusive Reinigung, Tasterkalibrierung, Aufspannung, und Wiederholungsmessungen). Die Standardabweichung bei sechs Wiederholungsmessungen liegt im Bereich von 9 nm bis 24 nm. Das erstellte Messunsicherheitsbudget zeigt, dass die Formabweichungen des Normals den Hauptbeitrag zur Messunsicherheit liefern. Die insgesamt ermittelten Messunsicherheiten im Bereich von 0,4 µm bis 0,7 µm belegen die Qualität und Eignung als Prüfkörper für die Mikroverzahnungsmesstechnik.



Abb. 1:  Mikroinnenverzahnungsnormal der PTB mit evolventischen Profilen. Für taktile Messungen wurde eine optimierte Aufspannung des Normals entwickelt.