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Kalibrierung von Rauheitskenngrößen

Arbeitsgruppe 5.15

Tastschnittverfahren

 

Prinzip und theoretische Grundlagen

 

In der Rauheitsmesstechnik wird die Oberfläche mit einem Tastschnittgerät nach  ISO 3274 abgetastet (Tastschnittverfahren). Unter einem Tastschnittgerät versteht man ein Messgerät, das Oberflächen mit einer Tastspitze ertastet, Abweichungen in Form eines Oberflächenprofils erfasst, Kenngrößen berechnet und Profile aufzeichnen kann. Das Prinzipbild (Bild 1) unten zeigt nur die notwendigen Bestandteile, die für ein theoretisch genaues Messsystem erforderlich sind.

Bild 1: Schematische Darstellung eines Tastschnittgerätes mit
1 -Oberfläche, 2 -Tastspitze, 3 -ertastetes Profil, 4 -mechanisch-elektrischer Wandler, 5 -Messkreis,
6 -Führung, 7 -Referenzprofil, 8 -äußere Störungen, 9 -Vorschub, 10 -Verstärker, 11 -ADC,
12 -Gesamtprofil, 13 -Beseitigung der Nennform, 14 -Profilfilter λs, 15 -Primärprofil, 16 -Auswerte- einrichtung, 17 -Eingang/Ausgang, 18 -Eingang/Ausgang, 19 -Taster, 20 -Profilübertragung vertikal,
21 -Vorschubgerät

Das ertastete Profil ist die Linie des Mittelpunktes einer Tastspitze, die die Oberfläche in der Schnittebene abtastet. Diese Tastspitze hat eine geometrisch ideale Form mit Nennmaßen und Nennmesskraft (siehe Bild 2).

Bild 2: Tastspitze, aufgenommen mit einem Rasterelektronenmikroskop

Von diesem Profil sind alle anderen in den Normen definierten Profile abgeleitet. Als Referenzprofil wird eine Linie, auf der der Taster in der Schnittebene entlang der Führung geführt wird, definiert. Das Gesamtprofil ist eine digitale Form des ertasteten Profils aus vertikalen und horizontalen Profilkoordinaten relativ zum Referenzprofil. Um ein Primärprofil erhalten zu können, muss auf das Gesamtprofil ein Filter für kurze Wellenlängen (λs) angewandt werden. Das Primärprofil ist die Ausgangsbasis für die digitale Profilverarbeitung durch das Profilfilter nach  ISO 16610-21 und die Berechnung der Oberflächenkenngrößen. Es ist charakterisiert durch die vertikalen und horizontalen Digitalschritte, die von denen des Gesamtprofils abweichen können. Die Anwendung der Methode der kleinsten Summe der Abweichungsquadrate auf die Linie der vorgegebenen Nennform (best fit least squares form) gehört nicht zur Ermittlung des Primärprofils und wird vor der Filterung durchgeführt. Das Primärprofil enthält keine Nennform.
Unter dem Messkreis versteht man ein Kreis, der alle mechanischen Komponenten enthält, die mit dem Werkstück und der Tastspitze verbunden sind (Positioniereinrichtungen, Werkstückhalter, Vorschubgerät, Taster usw.). Ein Taster ist eine Baugruppe, die das Tastelement mit der Tastspitze und den mechanisch-elektrischen Wandler enthält. Die Baugruppe, die den Taster entlang der Führung bewegt und die horizontale Lage der Tastspitze in die horizontale Profilkoordinate überträgt, ist das Vorschubgerät.

 

Profilfilterung und Auswertung

 

Berechnungen, die mit Hilfe von Kenngrößen und charakteristischen Funktionen nach  ISO 4287,
ISO 16610-21,  ISO 12085,  ISO 13565-1,2,3 an dem Primär-, Rauheits- und Welligkeitsprofil durchgeführt werden, sind unter der Profilfilterung und Auswertung zu verstehen.
Das Prinzip der Auswertung in der Rauheitsmesstechnik wird anhand eines Beispieles im Bild 3 verdeutlicht.

Das ertastete Profil

Das ausgerichtete und mit λs gefilterte Profil (P-Profil)

Das Welligkeitsprofil (W-Profil)

Das Rauheitsprofil (R-Profil)

Bild 3: Auswertung, wobei P-Profil = R-Profil + W-Profil 

 

Oberflächenkenngrößen

 

Die Oberflächenkenngrößen lassen sich in fünf Gruppen unterteilen:

Senkrechtkenngrößen (Amplitudenkenngrößen) nach ISO 4287 (Spitzenhöhen und Taltiefen)

  • Höhe der größten Profilspitze innerhalb der Einzelmessstrecke Pp, Rp, Wp
  • Tiefe des größten Profiltales innerhalb der Einzelmessstrecke Pv, Rv, Wv
  • Größte Höhe des Profils innerhalb der Einzelmessstrecke Pz, Rz, Wz
  • Mittlere Höhe der Profilelemente innerhalb der Einzelmessstrecke Pc, Rc, Wc
  • Gesamthöhe des Profils innerhalb der Messstrecke Pt, Rt, Wt

Senkrechtkenngrößen (Amplitudenkenngrößen) nach ISO 4287 (Mittelwerte von Ordinaten)

  • Arithmetischer Mittelwert der Profilordinaten innerhalb der Einzelmessstrecke Pa, Ra, Wa
  • Quadratischer Mittelwert der Profilordinaten innerhalb der Einzelmessstrecke Pq, Rq, Wq
  • Schiefe des Profils innerhalb einer Einzelmessstrecke Psk, Rsk, Wsk
  • Steilheit des Profils innerhalb der Einzelmessstrecke Pku, Rku, Wku

Waagerechtkenngrößen (Abstandskenngrößen) nach ISO 4287

  • Mittlere Rillenbreite der Profilelemente innerhalb der Einzelmessstrecke PSm, RSm, WSm

Gemischte Kenngrößen

  • Quadratischer Mittelwert der Profilsteigung des Profils innerhalb der Einzelmessstrecke P∆q, R∆q, W∆q

Charakteristische Kurven und daraus abgeleitete Kennwerte nach ISO 4287 und ISO 13565-1,2

Alle Kurven und daraus abgeleitete Kennwerte sind über die Messstrecke definiert.

  • Materialanteil des Profils Pmr(c), Rmr(c), Wmr(c)
  • Materialanteilkurve des Profils (Abbott Firestone Kurve)
  • Höhendifferenz zwischen zwei Schnittlinien Pδc, Rδc, Wδc
  • Relativer Materialanteil Pmr, Rmr, Wmr
  • Amplitudendichtekurve
  • Kernrautiefe Rk
  • Materialanteil Mr1, Mr2
  • Reduzierte Spitzenhöhe Rpk
  • Reduzierte Riefentiefe Rvk