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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Charakterisieren von Bauteiloberflächen,
insbesondere von gehonten Bauteiloberflächen nach dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Ein
derartiges Verfahren ist aus der
DE 10 2007 008 604 A1 bekannt. Es dient einer
zerstörungsfreien Qualitätsüberprüfung
von derartigen Oberflächen. Hierzu wird die Topographie
wenigstens eines Bereiches der zu charakterisierenden Oberfläche
gemessen, was beispielsweise durch Videoaufnahmen oder Weißlichtinterferometrie
geschehen kann. Zur Bewertung der Oberflächenstruktur wird
die gemessene Topographie anschließend in einen deterministischen
und einen stochastischen Strukturanteil zerlegt. Der deterministische
Strukturanteil umfasst bei gehonten Oberflächen insbesondere
die regulär angeordneten Honriefen. Nach der Lehre der
DE 10 2007 008 604
A1 wird nach dieser Zerlegung anschließend der
stochastische Strukturanteil auf Fehlerstrukturen hin untersucht.
Fehlerstrukturen betreffen hierbei insbesondere Mikroporen, Ausbrüche,
Marmorierungen und dergleichen.
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Mit
einem derartigen Verfahren kann somit festgestellt werden, ob eine
gehonte Oberfläche vorgegebenen Fertigungstoleranzen bezüglich
einer Fehlstellenhäufigkeit genügt. Dies vermag
jedoch noch kein umfassendes Bild der Oberflächenqualität zu
vermitteln. Insbesondere ist das zu erwartende Laufverhalten einer
solchen gehonten Oberfläche, bei welcher es sich insbesondere
um eine Zylinderlauffläche für eine Brennkraftmaschine
handelt, nicht ausschließlich von der Häufigkeit
und Verteilung der Fehlerstrukturen abhängig.
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Der
vorliegenden Erfindung hegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 so weiter zu entwickeln, dass
verbesserte Aussagen bezüglich der Oberflächenqualität
ermöglicht werden.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Bei
einem derartigen Verfahren zum Charakterisieren von Bauteiloberflächen,
insbesondere von gehonten Bauteiloberflächen wird zunächst
eine Topographie wenigstens eines Bereichs der zu charakterisierenden
Oberfläche gemessen und die gemessene Topographie in einen
deterministischen und einen stochastischen Strukturanteil zerlegt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass aus dem stochastischen
Strukturanteil wenigstens ein Parameter zur Charakterisierung einer
Rauheit der Oberfläche bestimmt wird. Die Oberflächenrauheit
ist eine wesentliche Eigenschaft von Oberflächen, welche
Rückschlüsse auf das zu erwartende tribologische
Verhalten einer derartigen Oberfläche erlaubt. Das erfindungsgemäße
Verfahren ermöglicht daher auf einfache, schnelle und zerstörungsfreie
Weise eine Qualitätskontrolle von gehonten Oberflächen
durchzuführen, welche direkte Rückschlüsse
auf das Verhalten der Oberfläche unter ihren zukünftigen
Betriebsbedingungen erlaubt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst der wenigstens eine
Parameter zur Charakterisierung einer Rauheit eine spektrale Dichtefunktion des
stochastischen Strukturanteils. Insbesondere bei gaußscher
Rauheitsausprägung des stochastischen Strukturanteils stellt
die spektrale Dichtefunktion ein besonders aussagekräftiges
und einfach zu erhaltendes Maß zur Charakterisierung der
Oberfläche dar.
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Die
spektrale Dichtefunktion beschreibt sowohl bei isotroper wie auch
bei anisotroper gauß'scher Rauheitsausprägung
die Rauheitsoberfläche mathematisch eindeutig. Die spektrale
Dichtefunktion kann nun weiter über deren Momente beschrieben
werden.
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Bei
isotroper Rauheitsausprägung genügen hierbei nur
drei Momente. Diese sind die Varianz der Rauheitsverteilung, die
Varianz der Steigungsverteilung der Rauheit, sowie die Varianz der
Krümmungsverteilung der Rauheit des stochastischen Strukturanteils.
Sie können durch Messung an nur einem Profilschnitt ermittelt
werden. Liegt eine anisotrope gauß'sche Rauheitsausprägung
vor so müssen insgesamt 7 Momente (Invariante) bestimmt
werden. Diese Invarianten sind an fünf nichtparallelen
Profilschnitten ermittelbar. Die Invarianten 1 und 2 stellen die
Varianz der Rauheitshöhe des Rauheitsgradienten dar, die
Invarianten 3 und 4 beschreiben die Krümmungsverteilung
der Rauheitsausprägung. Die restlichen Invarianten lassen
keine physikalische Interpretation mehr zu. Insofern ist eine Beschreibung einer
anisotropen Rauheitsausprägung nur über die Bestimmung
der Invarianten nicht sinnvoll.
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Zur
weiteren Charakterisierung der Rauheitsausprägung sind
deshalb Kenngrößen sinnvoll, die den Oberflächenkontakt
zweier sich berührender Oberflächen beschreiben.
Statistischen Oberflächen-Kontaktmodellen beschränken
sich hier auf die Beschreibung der Rauheitsspitzen und deren Verteilungsdichtefunktion
und setzen hierbei eine isotrope oder eine stark gerichtete Rauheitsausprägungen
voraus.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird deshalb
von der Bestimmung einer globalen mittleren Krümmung der
Oberflächenausprägung sowie deren Standartabweichung
ausgegangen, welche unabhängig von der Rauheitsorientierung
(Grad der Isotropie) zu bestimmen ist. Die globale Krümmung
errechnet sich hierbei als vektorielle Addition der Krümmung
in Laufrichtung des Gegenlaufpartners und rechtwinklig hierzu.
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Werden
nur die Spitzen der Rauheitsoberfläche betrachtet, so kann
dort ebenfalls eine mittlere Krümmung der Spitzen bestimmt
werden. Auch diese Kenngröße ist unabhängig
vom Grad der Isotropie des stochastischen Strukturanteils bestimmt
werden.
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Der
Isotropie-Index wird als weitere Kenngröße vorgeschlagen
zur Beschreibung des Grades der Rauheitsanisotropie. Er hat als
Grundlage die Bestimmung von Korrelationslängen gebildet
aus der dreidimensionalen Autokorrelationsfunktion (AKF) der Rauheitsausprägung.
Der Isotropie-Index ist hier der Quotient aus den Korrelationslängen,
gebildet aus dem schnellsten Abfall der AKF zum langsamsten Abfall
der AKF. Oberflächen mit einem Isotropie-Index von 0,5
oder größer weisen auf eine isotrope Rauheitsausprägung
hin. Weiter beschreibt die Korrelationslänge des schnellsten
Abfalls der AKF, zum Beispiel bezogen auf einen Wert der AKF von 5%,
sehr gut die Rauheitsausprägung von sehr glatten Oberflächen
und wird als weiterer Kennwert vorgeschlagen.
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Bei
trockener Reibung (Coulomb'sches Reibungsgesetz) ist die Reibkraft
proportional zur Normalkraft der sich kontaktierenden Oberflächen.
Werden zwei Rauheitsoberflächen kontaktiert, so kann in Abhängigkeit
der Normalkraft ein Kontaktdruck der sich berührenden Rauheitsspitzen
ermittelt werden. Im Gegensatz zu statistischen Oberflächenkontaktmodellen
erlauben Finite-Elemente-Methode basierte Modelle die Einbeziehung
der realen Rauheitsausprägung. Es wird eine Kontaktdruckverteilung
in Abhängigkeit von einer mittleren Spaltweite der zwei Rauheitsausprägungen
ermittelt.
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Wird
die Kontaktdruckverteilung über einem vorteilhaften Spaltweitenintervall
integriert so erhält man einen mittleren Kontaktdruck,
der das tribologische Verhalten der Oberflächen unter Betriebsbedingungen
sehr gut beschreibt.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
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Gehonte
Oberflächen wie zum Beispiel Zylinderlaufbahnen von Verbrennungsmotoren
oder Hydraulikzylindern und dergleichen besitzen zunächst
eine Kreuzriefenstruktur, welche durch die oszillierende und rotierende
Bewegung der Honwerkzeuge entsteht. Zur Charakterisierung der Qualität
einer derartigen Oberfläche muss zunächst diese
deterministische Riefenstrukturanteil von dem stochastischen Strukturanteil
der Oberflächentopographie abgetrennt werden. Hierzu kann
der deterministische Strukturanteil modelliert und entsprechend
parametrisiert werden. Durch einfache, an sich bekannte Minimierungsverfahren,
wie beispielsweise die Methode der kleinsten Quadrate können
die Parameter der Beschreibung des deterministischen Strukturanteils an
den real vorliegenden deterministischen Strukturanteil der gemessenen
Oberflächentopographie angepasst werden. Durch einfache
Subtraktion verbleibt so eine Beschreibung des stochastischen Oberflächenanteils.
Die Qualität der Auftrennung in deterministischen und stochastischen
Strukturanteil kann beispielsweise durch eine Kreuzkorrelation zwischen
den beiden Strukturanteilen bestimmt werden. Im Idealfall ergibt
sich eine vollständige Übereinstimmung aller Eigenschaften
der originalen Oberfläche und einer aus deterministischer
und stochastischer Reststruktur rechnerisch zusammengesetzten Oberfläche.
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Der
rein deterministische Strukturanteil kann auf mathematische Weise
sehr einfach beschrieben werden. Im Falle von sich kreuzenden Honriefen empfiehlt
sich hier eine getrennte Beschreibung für fallende und
steigende Honriefen. Nützliche Kennwerte hierbei sind die
Steigung der Honriefen, die mittlere Breite der Honriefen, sowie
Standardabweichung von Breite, mittlerer Tiefe und Tiefe, mittlerer Abstand
der Honriefen, Standardabweichung des Abstandes, Anzahl der fallenden
und steigenden Honriefen, Anzahl von Streuriefen (Honriefen, die nicht
in der Haupthonriefenrichtung verlaufen). Auch weitere geeignete
deterministische Beschreibungen sind denkbar.
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Insbesondere
wichtig ist auch das mittleres Honriefenvolumen und dessen Standardabweichung.
Es beschreibt deutlich sensitiver das Ölrückhaltevolumen
der Honoberfläche, wie zum Beispiel Kennwerte, die aus
der 3D-Abbott'schen Traganteilskurve erhalten werden hier die reduzierte
Riefentiefe Svk. Das Honriefenvolumen darf hierbei einen unteren
Grenzwert nicht unterschreiten, um eine ausreichende Fresssicherheit
zu gewährleisten. Für konstant niedrige Ölverbräuche
eines Verbrennungsmotors darf jedoch das Honriefenvolumen einen
oberen Grenzwert ebenfalls nicht überschreiten.
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Da
die stochastische Reststruktur durch die eingangs beschriebenen
Methoden nun frei von deterministischen Elementen sein sollte, ist
eine einfache und mathematisch exakte statistische Beschreibung
der durch die stochastische Reststruktur repräsentierten
Rauheit der Oberfläche möglich. Im Idealfall kann
hierbei von einer isotropen gaußschen Rauheitsausprägung
ausgegangen werden. Um nachzuprüfen, ob die Oberfläche
diesem Kriterium genügt, wird zunächst der Isotropieindex
bestimmt. Beträgt der so bestimmte Isotropieindex mehr
als 0,5, so kann in der Folge von einer isotropen gaußschen Rauheitsausprägung
ausgegangen werden. In diesem Fall genügen insgesamt lediglich
drei Momente der spektralen Dichtefunktion der stochastischen Reststruktur
zur mathematisch exakten Beschreibung der Rauheit der zu charakterisierenden
Oberfläche. Diese sind die Varianz der Rauheitsverteilung, die
Varianz der Steigungsverteilung der Rauheit sowie die Varianz der
Krümmungsverteilung der Rauheit. Bei eher anisotroper Rauheitsausprägung
wird neben der Varianz der Rauheitsausprägung und der Varianz
der Steigungsverteilung die Varianz der globalen Krümmungsverteilung
der Rauheit bestimmt. Zur Beschreibung der Glattheit der Rauheitsausprägung
wird weiter der Wert der Korrelationslänge des schnellsten
Abfalls der AKF, zum Beispiel bezogen auf einen Wert der AKF von
5%, bestimmt.
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Als
tribologische Kenngrößen werden zur näheren
Charakterisierung der Oberfläche zum einen die Spitzenkrümmung
von Rauheitsspitzen der Oberfläche betrachtet. Eine solche
Rauheitsspitze kann auf an sich bekannte Weise mittels der Vier- oder
Acht-Punkte-Höhe bestimmt werden. Weitere Bedingung ist,
dass die derart bestimmten Rauheitsspitzen zueinander unkorreliert
sein sollen. Als Korrelationslänge wird dabei ein Funktionswert
der Autokorrelationsfunktion der Rauheitsverteilung von 5% angenommen.
Als weitere Einschränkung können lediglich Rauheitsspitzen
berücksichtigt werden, welche beispielsweise 5% bezüglich
der Zehn-Punkte-Höhe über der Mittellinie der
Rauheitstopographie, also der stochastischen Reststruktur, gefunden
werden.
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Für
die so identifizierten Rauheitsspitzen wird im nächsten
Schritt die mittlere Spitzenkrümmung bestimmt. Diese definiert
sich als Mittelwert der Krümmung der Rauheitsspitze in
zwei beliebigen, zueinander orthogonalen Profilrichtungen.
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Mittels
eines auf einer Finite-Elemente-Methode basierten Oberflächenkontaktmodells
kann durch Kontaktierung der realen Rauheitsausprägung mit
einer angenommene starren und glatte Oberfläche eine Kontaktdruckverteilung über
den nominellen Spaltweite. Durch Integration der so bestimmten Kontaktdruckverteilung über
der nominellen Spalthöhe über ein vorteilhaften
Spalthöhenintervall kann man als weitere tribologische
Kenngröße einen mittleren Kontaktdruck der Rauheitsausprägung
erhalten.
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Auf
die beschriebene Art und Weise lässt sich zum einen mathematisch
exakt die Rauheitstopographie der zu charakterisierenden Oberfläche
erfassen und gleichzeitig zum anderen Kenngrößen bestimmt
werden, welche sensitiv bezüglich des tribologischen Verhaltens
der charakterisierten Oberfläche unter ihren tatsächlichen
Einsatzbedingungen sind. Das Verfahren ermöglicht somit
eine einfache, schnelle und zerstörungsfreie Qualitätskontrolle
gehonter Oberflächen, insbesondere Zylinderlaufbuchsen
für Brennkraftmaschinen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007008604
A1 [0002, 0002]