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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung von Strukturen auf
Oberflächen, insbesondere von Honstrukturen auf Zylinderlaufbahnen.
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Aus
der deutschen Patentschrift
DE 103 02 055 B4 ist eine interferometrische
Messvorrichtung zum Vermessen der Oberfläche eines Objekts
bekannt, die als Weißlicht-Interferometer ausgebildet ist.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2005 023 212 A1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen und genauen Weißlicht-Interferometrie
bekannt, mit denen man Oberflächen mit interferometrischer
Genauigkeit schnell vermessen kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bewertung von Strukturen
auf Oberflächen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 zu schaffen, das eine umfassende seriennahe, zerstörungsfreie Qualitätssicherung
von Oberflächen, insbesondere von gehonten Zylinderlaufbahnen,
ermöglicht.
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Die
Aufgabe ist bei einem Verfahren zur Bewertung von Strukturen auf
Oberflächen, insbesondere von Honstrukturen auf Zylinderlaufbahnen,
dadurch gelöst, dass bei einer Strukturtrennung Soll- und
Fehlermerkmale, insbesondere Soll- und Fehlerstrukturen, getrennt
werden, indem ein Originalbild zerlegt wird. Bei der Strukturtrennung
werden gemessene 3D-Daten oder 3D-Bilder weiterverarbeitet. Aus
dem Originalbild werden relevante Parameter extrahiert. Durch objektive
Bewertung funktionsrelevanter Strukturelemente mit Kenngrößen
wird eine umfassende seriennahe, zerstörungsfreie Qualitätssicherung
von gehonten Zylinderlaufbahnen aller Typen ermöglicht.
Außerdem wird eine Möglichkeit der Toleranzvorgabe
und Zeichnungseintragung für die Kenngrößen
bereitgestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht auf einfache Art und Weise eine Identifizierung
von Soll- und Fehlerstrukturen und die Bewertung deren Ausprägung,
wodurch ein gezieltes Eingreifen in einen Produktionsprozess ermöglicht wird.
Bei der Strukturtrennung (Separation) werden Soll- und Fehlerstrukturen
anhand von hochaufgelösten 3D-Oberflächenmessungen
separat erfasst.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch
gekennzeichnet, dass das Originalbild in ein Riefen- und Kontaktflächenbild
und ein Restbild zerlegt wird. Dadurch wird auf einfache Art und
Weise eine Identifizierung der relevanten Strukturelemente durch
mathematische und bildanalytische Verfahren ermöglicht.
Insbesondere wird eine Tiefen-, Flächen- und volumetrische
Berechnung der Merkmale ermöglicht.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Originalbild mit Hilfe der
Weißlicht-Interferometrie aus optischen 3D-Daten gewonnen
wird. Dazu wird ein geeigneter Interferometer verwendet. Als Interferometer
wird ein optisches Gerät bezeichnet, das unter Ausnutzung
von Interferenzerscheinungen des Lichts für Präzisionsmessungen
eingesetzt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht
unter anderem die folgenden Vorteile: Eindeutige, umfassende Zeichnungsspezifikation;
seriennahe, zerstörungsfreie Qualitätssicherung,
kurze Eingriffszeiten; gezielte Eingriffsmöglichkeiten
in einen Fertigungsprozess; vereinfachte Einführung von neuen
Werkstoffen beziehungsweise Honverfahren; sowie das Erkennen von
Strukturveränderungen nach dem Motorlauf. Dadurch wird
in der Konstruktion ein gezieltes Design von Oberflächenstrukturen durch
exakte Beschreibung der Merkmale sowie ein schnelleres Finden der
optimalen Honparameter (Werkzeug, Prozess) bei Neuentwicklungen
ermöglicht.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung
verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben
sind.
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Dabei
zeigen:
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1 das
Prinzip der Strukturtrennung an gehonten Oberflächen;
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2 eine
Skizze zur Definition des Honwinkels und
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3 eine
Tabelle mit relevanten Kenngrößen zur Qualitätssicherung.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich,
mit Hilfe von 3D-Kenngrößen eine objektive an
Strukturelementen orientierte Bewertung einer Oberfläche
durchzuführen. Es können Merkmale und Dimensionen
erfasst werden, die mit herkömmlichen Tastschnittverfahren
oder mit einem Mikroskop nicht zu ermitteln sind.
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Grundlage
für die 3D-Auswertung ist eine Oberflächenabbildung
mit möglichst geringen Abweichungen von der wirklichen Oberfläche.
Durch mehrere Ringvergleiche wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung
nachgewiesen, dass für die Messung von Honstrukturen das
Messverfahren der Weißlicht-Interferometrie oder Weißlichtinterferometrie
am besten geeignet ist. Darum beruhen alle hier definierten Kenngrößen
auf Weißlichtinterferometrie-Messungen. Um die Vergleichbarkeit
der Messergebnisse zu gewährleisten, sind die Messparameter
mit der Oberflächenmesstechnik (PWT) abzustimmen. Grundlage
der Auswertung sind Messfelder, die mit einer optischen Auflösung < 1.2 μm
aufgenommen wurden. Die Kameraauflösung ist der optischen
Auflösung anzupassen.
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Die
statistische Sicherheit für die Bestimmung der Messgrößen
erfordert eine minimal notwendige Auswertefläche, die für
jede Kenngröße angegeben wird. Diese sollte aus
mehreren, nicht zusammen hängenden Messfeldern bestehen.
Vor der 3D-Auswertung muss eine robuste Formeliminierung (Zylinderabzug)
erfolgen.
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Die
Grundlage aller hier definierten Kenngrößen bildet
eine Strukturtrennung. Ziel der Strukturtrennung ist die getrennte
Bewertung von Soll- und Fehlerstrukturen einer gehonten Oberfläche.
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In 1 ist
das Prinzip der Strukturtrennung an gehonten Oberflächen
Mit Hilfe von drei Bildern dargestellt. In dem oberen Originalbild
ist die Original-Messfläche mit einer Honstruktur dargestellt. Durch
zwei Pfeile ist angedeutet, dass das Originalbild bei der Strukturtrennung
durch eine Separation in ein Riefen- und Kontaktflächenbild
(unten rechts) sowie in ein Restbild (unten links) zerlegt wird.
Das Riefen- und Kontaktflächenbild umfasst gerichtete Strukturen.
Das Restbild umfasst die Differenz von Original und Riefenbild.
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Aus
der Strukturtrennung werden weitere Bilder erzeugt. Ein binarisiertes
Riefenbild dient als Maskierungsgrundlage für eine Merkmalsextraktion. Ein
Kontaktflächenbild umfasst als Kontaktflächen identifizierte
Bereiche. Ein Blechmantelbild umfasst als Blechmantel identifizierte
Bereiche. Ein Porenbild umfasst als Poren identifizierte Bereiche.
Ein Marmorierungsbild umfasst als Marmorierung identifizierte Bereiche.
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Die
Kenngrößen der Strukturtrennung sind unterteilt
in Riefen-, Kontaktflächen- und Fehlerkenngrößen.
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Die
Riefen-Kenngrößen umfassen Honriefen. Honriefen
können steigend (mit positivem Anstieg) oder fallend (mit
negativem Anstieg) sein. Alle Honriefen außerhalb einer
Honwinkeltoleranz werden als Querriefen bezeichnet. Honriefen werden
in 4 Typen eingeteilt, das Unterscheidungskriterium ist der mittlere
Honriefenquerschnitt:
Typ A alle Riefen mit einem größeren
Querschnitt als die Untergrenze vom Typ D;
Typ B alle Riefen
mit einem mittleren Querschnitt größer/gleich
30 μm2;
Typ C alle Riefen
mit einem mittleren Querschnitt größer/gleich
10 μm2 und kleiner 30 μm2;
Typ D alle Riefen mit einem mittleren
Querschnitt größer/gleich 2 μm2 und kleiner 10 μm2;
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Die
Riefen-Kenngrößen können für
jeden Riefentyp ermittelt werden.
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In 2 ist
die Definition eines Honwinkels dargestellt. Der Winkel zwischen
steigenden Honriefen Hs und fallenden Honriefen Hf, die die achssenkrechte
Richtung A umschließen, wird als Überschneidungswinkel α bezeichnet.
Der Honwinkel α/2 entspricht dem halben Überschneidungswinkel α.
Der Honwinkel wird aus einer radialen Projektion einer Fouriertransformation
bestimmt. Die minimal notwendige Auswertefläche beträgt
1.5 mm2.
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Kenngrößen
zur Honriefen-Häufigkeit werden aus der Häufigkeitsverteilung
der Honriefen abgeleitet. Solche Kenngrößen sind
die Honriefendichte oder Honriefenfläche, das Streumaß Honriefenabstand,
die Gleichmäßigkeit und der Querriefenanteil.
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Die
Honriefendichte oder Honriefenfläche ist die Fläche
der Honriefen in den Hauptrichtungen in % bezogen auf die Auswertefläche.
Sie wird für im Bild steigende und fallende Honriefen getrennt
bestimmt. Berechnungsgrundlage ist das binarisierte Honriefenbild.
Die minimal notwendige Auswertefläche beträgt
6 mm2.
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Das
Streumaß Honriefenabstand wird aus der Verteilung der Honriefenabstände
für jeden Honriefentyp bestimmt. Das Streumaß ist
beschrieben als Quotient aus der Standardabweichung und dem mittleren
Honriefenabstand. Berechnungsgrundlage ist das binarisierte Honriefenbild.
Die minimal notwendige Auswertefläche beträgt
6 mm2.
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Die
Gleichmäßigkeit der Ausprägung beider Honrichtungen
ist das Verhältnis von kleinerer Honriefendichte zu größerer
Honriefendichte in %. Sie beträgt im Idealfall 100%. Berechnungsgrundlage
ist das binarisierte Honriefenbild. Die minimal notwendige Auswertefläche
beträgt 6 mm2.
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Der
Querriefenanteil ist das Verhältnis der Fläche
aller Riefen außerhalb der beiden Hauptrichtungen zur Summe
der Riefenflächen innerhalb der Hauptrichtungen in % und
beträgt im Idealfall 0%. Als Querriefen werden alle Riefen
außerhalb der Honwinkeltoleranz betrachtet. Berechnungsgrundlage
ist das binarisierte Honriefenbild. Die minimal notwendige Auswertefläche
beträgt 6 mm2.
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Kenngrößen
zur Ausprägung der Honriefen sind der Honriefenquerschnitt,
das Honriefenvolumen, die Honriefenbreite und die Honriefentiefe.
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Der
Honriefenquerschnitt wird pro Honriefe aus dem Originalbild in Kombination
mit dem binarisierten Riefenbild berechnet als Einzel-Honriefenvolumen/Einzel-Honriefenlänge
und in μm2 angegeben. Der Honriefenquerschnitt
ist Grundlage für die Klassifizierung der Typen B, C, D.
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Der
mittlere Honriefenquerschnitt ergibt sich aus der Summe aller Honriefenquerschnitte
pro Typ bzw. Richtung/Anzahl der Riefen pro Typ bzw. Richtung [μm2]. Der maximale Honriefenquerschnitt ist bezogen
auf eine Einzelriefe (Typ A) [μm2].
Die minimal notwendige Auswertefläche beträgt
6 mm2.
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Das
Honriefenvolumen wird gegenüber der Umgebung durch eine
robuste Hüllfläche nach oben abgeschlossen. Die
Berechnung erfolgt aus dem Originalbild in Kombination mit dem binarisierten
Riefenbild.
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Das
mittlere Honriefenvolumen ergibt sich aus der Summe aller Honriefenvolumina
pro Typ bzw. Richtung/Anzahl der Riefen pro Typ bzw. Richtung normiert
auf 1 mm2 [μm3/mm2]. Das maximale Honriefenvolumen ist bezogen
auf eine Einzelriefe (Typ A) [μm]. Die minimal notwendige
Auswertefläche beträgt 6 mm2.
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Die
Honriefenbreite wird pro Honriefe aus dem Originalbild in Kombination
mit dem binarisierten Riefenbild berechnet als Einzel-Honriefenfläche/Einzel-Honriefenlänge
und in μm angegeben.
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Die
mittlere Honriefenbreite ergibt sich aus der Summe aller Honriefenbreiten
pro Typ bzw. Richtung/Anzahl der Riefen pro Typ bzw. Richtung [μm]. Die
maximale Honriefenbreite ist bezogen auf eine Einzelriefe (Typ A)
[μm]. Die minimal notwendige Auswertefläche beträgt
6 mm2.
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Die
Honriefentiefe wird pro Honriefe aus dem Originalbild in Kombination
mit dem binarisierten Riefenbild berechnet als Einzel-Honriefenvolumen/Einzel-Honriefenfläche.
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Die
mittlere Honriefentiefe ergibt sich aus der Summe aller Honriefentiefen
pro Typ bzw. Richtung/Anzahl der Riefen pro Typ bzw. Richtung [μm]. Die
maximale Honriefentiefe ist bezogen auf eine Einzelriefe (Typ A)
[μm]. Die minimal notwendige Auswertefläche beträgt
6 mm2.
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Kontaktflächen-Kenngrößen
sind die Kontaktrauheit und der Flachstellenanteil. Kontaktflächen sind
durch Riefen der Typen B, C und D, Poren und den Messfeldrand begrenzt.
Die Kontaktflächen werden aus dem Originalbild in Kombination
mit dem binarisierten Riefenbild und dem Porenbild ermittelt.
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Die
Gesamtkontaktfläche ergibt sich aus der Summe aller Kontaktflächen
in % zur Auswertefläche. Die mittlere Kontaktfläche
ergibt sich aus Gesamtkontaktfläche/Anzahl der Kontaktflächen
[μm2].
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Die
Kontaktrauheit ist die Feinstruktur einer Kontaktfläche.
Sie wird aus dem Mittelwert aller Pt-Werte im Kontaktflächenbereich
in axialer Richtung berechnet und in μm angegeben. Die
minimal notwendige Auswertefläche beträgt 6 mm2.
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Der
Flachstellenanteil bewertet die Steigungen der Kontaktflächen.
Er wird berechnet, indem in den Kontaktflächenbereichen
die Steigungsverteilung der Anstiege in axialer Richtung gebildet
wird. Der Flachstellenanteil ist der Prozentsatz an der Verteilung,
bei dem der Betrag der Steigung kleiner als 0,02 ist. Die minimal
notwendige Auswertefläche beträgt 6 mm2.
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Fehlerstruktur-Kenngrößen
sind der Blechmantel, Marmorierungen sowie Mikroporen und Ausbrüche.
Fehlerstrukturen sind werkstofflich und/oder durch einzelne Fertigungsschritte
bedingt. Innerhalb bestimmter Ausprägungsgrenzen beeinträchtigen Fehlerstrukturen
die Funktion der Zylinderlaufbahn nicht. Die Ausprägung
der Fehlerstrukturen wird mit Kenngrößen beschrieben,
für die Grenzwerte vorgegeben werden können.
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Als
Blechmantel werden erhabene Strukturen im Riefenbereich bezeichnet.
Die Detektion erfolgt im Restbild. Dazu werden die Bereiche ermittelt, die
um einen bestimmten Betrag höher als der Riefengrund liegen.
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Wegen
der unterschiedlichen Auswirkung auf die Funktion werden 2 Typen
von Blechmänteln unterschieden:
Typ A: Blechmäntel
die über oder nah an der benachbarten Kontaktflächenebene
liegen, werden als Blechmäntel Typ A bezeichnet. Blechmantelvolumen positiv.
Pos/neg
Typ B: Blechmäntel, die unter der benachbarten
Kontaktflächenebene liegen werden als Blechmäntel
Typ B bezeichnet. Blechmantelvolumen Distanzvolumen negativ.
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Die
Unterscheidung von Blechmänteln Typ A und B erfolgt, indem
eine robuste Referenzfläche mit dem Original- und dem binarisierten
Riefenbild kombiniert wird. Blechmäntel oberhalb der Referenzfläche
sind dem Typ A, Blechmäntel unterhalb der Referenzfläche
sind dem Typ B zugeordnet. Die Robuste Referenzfläche ist
die Grundlage zur Bestimmung von Volumen, Fläche und Höhe
der Blechmäntel.
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Das
maximale Blechmantelvolumen ist auf den einzelnen Blechmantel bezogen
und wird in μm3 nur für
den Typ A angegeben. Die maximale Blechmantelhöhe ist auf
den einzelnen Blechmantel bezogen und wird in μm nur für
den Typ A angegeben. Das Blechmantelvolumen ist auf alle Blechmäntel
vom Typ A bezogen. Es wird berechnet aus der Summe aller Blechmantelvolumina
vom Typ A, normiert auf 1 mm2. [μm3/mm2] Die Blechmantelfläche
ist auf alle Blechmäntel vom Typ A oder vom Typ B bezogen
und wird in % zur Auswertefläche angegeben. Die minimal
notwendige Auswertefläche beträgt 6 mm2.
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Als
Marmorierungen werden pultartige Erhöhungen im Kontaktflächenbereich
bezeichnet. Die Detektion erfolgt im Restbild in Kombination mit
dem binarisierten Riefen- und Porenbild.
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Die
Marmorierungsfläche umfasst alle als Marmorierung detektierten
Strukturen die höher als die umliegende Kontaktflächenebene
liegen und wird in % zur Auswertefläche angegeben. Das
Marmorierungsvolumen wird berechnet aus der Summe aller Volumina
der als Marmorierung detektierten Strukturen und auf 1 mm2 normiert. [μm3/mm2] Die minimal notwendige Auswertefläche
beträgt 6 mm2.
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Mikroporen
und Ausbrüche werden in der Auswertung nicht unterschieden.
Als Poren werden Vertiefungen im Kontaktflächenbereich
bezeichnet, die unterhalb von einem festgelegten Niveau liegen. Die
Detektion erfolgt im Restbild in Kombination mit dem binarisierten
Riefenbild. Großflächige Gussfehler und Ausbrüche
werden mit den folgenden Kenngrößen nicht bewertet.
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Das
maximale Porenvolumen ist auf die einzelne Pore bezogen und wird
in μm3 angegeben. Die maximale
Porenfläche ist auf die einzelne Pore bezogen und wird
in μm2 angegeben. Die Porenfläche
ist auf alle Poren bezogen und wird in % zur Auswertefläche
angegeben. Das Porenvolumen ist auf alle Poren bezogen und wird
auf 1 mm2 normiert. [μm3/mm2] Der mittlere
Porenabstand wird in μm angegeben. Die minimal notwendige
Auswertefläche beträgt 6 mm2.
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In 3 sind
relevante Kenngrößen für die Qualitätssicherung
in Form einer Tabelle zusammengefasst. Die Systematik der verwendeten
Kurzzeichen wird für die flächenhaften Kenngrößen
am Beispiel für die Kenngröße Steigend/fallend
erläutert. Bei einem maximalen Blechmantelvolumen vom Typ A
(SHBVmax_A) steht S für eine internationale Bezeichnung
für flächenhafte Kenngrößen
(Surface). H steht für Honstruktur. B steht für
Blechmantel. V (Ausprägung) steht für Volumen.
max steht für Maximalwert der Ausprägung. _A steht
für Typkennzeichnung, hier Typ A.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10302055
B4 [0002]
- - DE 102005023212 A1 [0002]