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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verschleißmessung an Oberflächen von Bauteilen, die insbesondere unter Betriebsbedingungen einem Verschleiß unterliegen.
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Bisher wird ein derartiger Verschleiß z. B. an einer Oberfläche einer Zylinderlaufbahn eines Zylinders in einem Verbrennungsmotor mittels eines Tastschnittverfahrens ermittelt. Dabei wird vor und nach einem Verschleiß der Oberfläche der Zylinderlaufbahn in Achsrichtung eine Rauheitsmessung mit einem mechanischen Tastschnittgerät durchgeführt, das eine Tastspitze aus z. B. Diamant hat. Dabei wird die Tastspitze mit konstanter Geschwindigkeit über die Oberfläche der Zylinderlaufbahn in Achsrichtung verfahren. Der Tastschnitt, d. h. das Messprofil, ergibt sich aus einer vertikalen Lageverschiebung der Tastspitze. Der resultierende Tastschnitt bzw. Rauheitsschnitt vor dem Verschleiß der Oberfläche der Zylinderlaufbahn wird dabei als Referenz herangezogen und mit dem Tastschnitt bzw. Rauheitsschnitt nach dem Verschleiß verglichen. Vorteilhaft ist, wenn die Tastspitze dabei auch über einen Bereich der Zylinderlaufbahn, der keinem oder lediglich geringen Verschleiß unterliegt, d. h. der von keinem Element der Kolbengruppe beansprucht wird, als zusätzlicher Bezugsfläche verfahren wird. Über die Bezugsfläche und/oder den Vergleich zwischen dem Tastschnitt vor und nach dem Verschleiß, kann dann ein mittlerer Verschleiß ermittelt werden.
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Es ist nunmehr die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verschleißmessung sowie eine Vorrichtung zur Verschleißmessung zu schaffen, die eine genauere und einfachere Messung des Verschleißes ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Verschleißmessung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Verschleißmessung gelöst, die die Merkmale von Patentanspruch 7 aufweist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung hat ein Verfahren zur Verschleißmessung an einer Oberfläche eines Bauteils, das in einem Betrieb einem Verschleißvorgang, d. h. einem Vorgang der einen Verschleiß bewirkt, unterliegt, folgende Schritte:
- – Einbringen eines Mikroeindrucks, der mit zunehmender Tiefe fortschreitend verjüngt ist, in die Oberfläche des Bauteils,
- – Messen einer bestimmten Größe des Mikroeindrucks an der Oberfläche sowie
- – einen Schritt, in dem die Oberfläche einem Verschleißvorgang ausgesetzt wird.
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Ferner hat das Verfahren einen Schritt
- – erneutes Messen der bestimmten Größe des Mikroeindrucks an der dem Verschleißvorgang ausgesetzten Oberfläche.
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Schließlich hat das Verfahren einen Schritt
- – Ermitteln eines Verschleißes aus dem Unterschied der gemessenen bestimmten Größe des Mikroeindrucks vor dem Verschleißvorgang und der gemessenen bestimmten Größe nach dem Verschleißvorgang.
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Die Schritte werden in der genannten Reihenfolge durchgeführt.
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Verschleiß im Sinne der Erfindung kann ein Materialabtrag sein. Ein Materialabtrag kann bei gegeneinander gleitenden Flächen durch Reibung erfolgen.
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Damit kann durch den zuvor eingebrachten, sich verjüngenden Mikroeindruck in der Oberfläche des Bauteils und der Vermessung des Mikroeindrucks an der dem Verschleiß ausgesetzten Oberfläche vor und nach einem Verschleißvorgang der Verschleiß leicht und mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Insbesondere kann damit der Verschleiß exakt an einer bestimmen Position ermittelt werden. Der sich verjüngende Mikroeindruck bewirkt, dass durch Materialabtrag im Bereich des Mikroeindrucks sich die bestimmte Größe des Mikroeindrucks verringert. Aus dieser Verringerung der bestimmten Größe kann dann unter Berücksichtigung der Geometrie des Mikroeindrucks der Verschleiß, d. h. der Materialabtrag, ermittelt werden.
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Die bestimmte Größe des Mikroeindrucks kann insbesondere eine bestimmte Größe des Mikroeindrucks in der Ebene der Oberfläche sein.
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Die bestimmte Größe in der Ebene der Oberfläche kann zum Beispiel ein Durchmesser, eine Verbindungslänge zwischen zwei bestimmten Eckpunkten des Mikroeindrucks, wie beispielsweise eine Diagonallänge oder jegliche andere Abmessung sein, die durch den Verschleiß verringert wird und leicht vor und nach dem Verschleißvorgang meßbar ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin derart vorteilhaft ausgebildet sein, dass in dem Schritt Messen und in dem Schritt erneutes Messen jeweils mehrere bestimmte Größen des Mikroeindrucks gemessen werden und daraus jeweils ein Mittelwert der bestimmten Größen vor und nach dem Verschleißvorgang berechnet wird und in dem Schritt Ermitteln des Verschleißes aus den Mittelwerten der bestimmten Größen vor und nach dem Verschleißvorgang der Verschleiß ermittelt wird. Damit kann die bestimmte Größe auch ein geeigneter Mittelwert mehrerer bestimmter Größen sein.
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Hierdurch kann ein Einfluss von Meßungenauigkeiten durch Ungenauigkeiten seitens des Werkzeugs oder Ungenauigkeiten bei der Einbringung des Mikroeindrucks auf die Ermittlung des Verschleißes verringert werden.
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Vorteilhaft können auch mehrere Mikroeindrücke an mehreren Stellen des Bauteils eingebracht werden, um den Verschleiß an verschiedenen Stellen des Bauteils zu ermitteln oder einen mittleren Verschleiß zu ermitteln.
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Vorteilhaft wird der Mikroeindruck mittels eines Werkzeugs eingebracht, das eine sich verjüngende Spitze hat.
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Dadurch kann der Mikroeindruck, der mit zunehmender Tiefe fortschreitend verjüngt ist, leicht und in einer vorbestimmten Geometrie ausgebildet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung hat das Werkzeug eine Spitze in der Form einer geraden Pyramide mit quadratischer Grundfläche.
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Hierdurch ist eine Ermittlung des Verschleißes mittels Berechnung besonders einfach.
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Vorteilhaft wird als bestimmte Größe dabei die Diagonallänge des Mikroeindrucks an der Oberfläche des Bauteils, d. h. in der Ebene der Oberfläche des Bauteils, verwendet.
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Damit ist die Messung der bestimmten Größe vor und nach dem Verschleißvorgang besonders einfach.
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Besonders vorteilhaft wird ein Mittelwert beider Diagonallängen des Mikroeindrucks verwendet, um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen. Der Mittelwert kann ein arithmetisches Mittel der Diagonallängen sein.
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Dies ist deshalb vorteilhaft, weil durch die Beschaffenheit der Oberfläche und eine Einbringung des Mikroeindrucks, die Grundfläche des Mikroeindrucks von einem Quadrat entsprechend der Pyramide mit quadratischem Grundriss abweichen kann.
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Weiterhin kann gemäß der vorliegenden Erfindung die bestimmte Größe des Mikroeindrucks vor und nach dem Verschleiß mit optischen Hilfsmitteln erfasst werden.
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Der Winkel der Spitze der Pyramide ist vorteilhaft ein stumpfer Winkel, beispielsweise 136°.
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Für den Schritt Einbringen des Mikroeindrucks kann vorteilhaft ein Härteprüfgerät verwendet werden.
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Die sich verjüngende Spitze kann auch eine andere Form, beispielsweise die Form eines geraden Kreiskegels, einer Kugel oder eines Tetraeders, aufweisen.
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Die bestimmte Größe des eingebrachten Mikroeindrucks beträgt vor einem Verschleiß vorteilhaft weniger als 100 μm, bevorzugt weniger als 40 μm.
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Hierdurch hat der Mikroeindruck selbst keinen oder lediglich einen vernachlässigbaren Einfluss auf den Verschleiß.
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Besonders vorteilhaft kann das vorstehend beschriebene Verfahren zur Verschleißmessung für die Verschleißmessung von Zylinderlaufbahnen eines Verbrennungsmotors verwendet werden.
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Das Verfahren kann jedoch auch für jegliche andere Verschleißmessung, z. B. an Wellen, Zahnrädern, Lagerflächen usw. verwendet werden.
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Eine Vorrichtung zur Verschleißmessung gemäß der vorliegenden Erfindung hat Mittel zur Einbringung eines Mikroeindrucks in eine Oberfläche eines Bauteils, die eine sich verjüngende Spitze aufweisen, eine Messeinrichtung zum Messen einer bestimmten Größe des Mikroeindrucks und eine Berechnungseinrichtung zur Berechnung des Verschleißes aus einem Unterschied von der gemessenen bestimmten Größe vor einem Verschleißvorgang und der gemessenen bestimmten Größe nach dem Verschleißvorgang.
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Vorteilhaft ist die Vorrichtung zur Verschleißmessung derart angepasst, dass sie das vorstehend beschriebene Verfahren zur Verschleißmessung ausführen kann.
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1 ist eine Schnittansicht einer Oberfläche einer Zylinderlaufbahn sowie eines Werkzeugs zum Einbringen eines Mikroeindrucks gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine Draufsicht des Mikroeindrucks gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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3 ist eine Schnittansicht des Mikroeindrucks gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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4 ist eine Tabelle mit Verschleißmesswerten gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Nachfolgend erfolgt eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 4.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird ein Verschleiß an einer Oberfläche 1 einer Zylinderlaufbahn eines Verbrennungsmotorzylinders gemessen. Der Verbrennungsmotorzylinder besteht gemäß dem Ausführungsbeispiel aus einem metallischen Werkstoff.
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Insbesondere wird ein repräsentativer Abschnitt der Zylinderlaufbahn in einem Tribometer einem Verschleißtest, d. h. einem Verschleißvorgang, bei dem Material abgetragen wird, unterzogen.
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Zur Verschleißmessung werden gemäß dem Ausführungsbeispiel vor dem Verschleißtest in die Oberfläche 1 sechs Mikroeindrücke 3 eingebracht. Zum Einbringen der Mikroeindrücke 3 wird ein Härteprüfgerät verwendet, das normalerweise zur Härteprüfung nach Vickers eingesetzt wird. Dieses Härteprüfgerät hat einen Endringkörper 7 mit einer Eindringspitze 5, die in Form einer geraden Pyramide mit quadratischem Grundriss ausgebildet ist.
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In 1 ist die Eindringspitze 5 des Härteprüfgeräts in einer Seitenansicht zu sehen. Ein Winkel α der Spitze der Pyramide beträgt 136°. Insbesondere zeigt 1 den Zustand, in dem die Eindringspitze 5 in die Oberfläche 1 der Zylinderlaufbahn eingedrungen ist.
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Wie 2 zu entnehmen ist, entsteht dabei der pyramidenförmige Mikroeindruck 3. Der pyramidenförmige Mikroeindruck 3 hat an der Oberfläche 1 der Zylinderlaufbahn einen quadratischen Grundriss mit zwei Diagonallängen d1 und d2, d. h. den zwei Diagonalen des Quadrats. Eine Größe der Diagonallängen d1 und d2 wird vor dem Verschleißtest unter dem Mikroskop gemessen.
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Nach Einbringung der Mikroeindrücke 3 wird die Oberfläche 1 der Zylinderlaufbahn in dem Tribometer dem Verschleißtest unterzogen.
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Nach Abschluss des Verschleißtests werden die Diagonallängen der Mikroeindrücke 3 nochmals gemessen. Die entsprechenden Diagonallängen nach dem Verschleiß sind als d1g und d2g bezeichnet.
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Die Messwerte für die Diagonallängen d1, d2, d1g und d2g sind einer Tabelle in 4 aufgeführt. Wie der Tabelle in 4 zu entnehmen ist, haben die Diagonallängen d1 und d2 bzw. d1g und d2g in der Praxis nicht exakt die gleiche Länge, so dass es sinnvoll ist, das arithmetische Mittel dMW und dMWg der jeweiligen Diagonallängen zu bilden. Der Unterschied der Diagonallängen d1 und d2 bzw. d1g und d2g ergibt sich in der Praxis beispielsweise durch eine nichthomogene bzw. nichtebene Oberfläche 1 oder durch ein nicht exakt senkrechtes Eindringen der Eindringspitze 5.
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Aus dem arithmetischen Mittel dMW der Diagonallängen wird über die Gleichung 1 h = (dMW/2)/tan(α/2) (Gleichung 1) die Tiefe h der Mikroeindrücke 3 vor dem Verschleißtest berechnet.
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Aus dem arithmetischen Mittel dMWg der Diagonallängen wird über die Gleichung 2 hg = (dMWg/2)/tan(α/2) (Gleichung 2) die Tiefe hg der Mikroeindrücke 3 nach dem Verschleißtest berechnet.
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Aus der Differenz zwischen der Mikroeindrucktiefe h vor dem Verschleißtest und der Mikroeindrucktiefe hg nach dem Verschleißtest wird der Verschleiß der Oberfläche 1 der Zylinderlaufbahn berechnet. Im vorliegenden Verschleißtest wurde für die Messstellen 1 bis 6 ein Verschleiß von 1,0 μm, 0,4 μm, 0,9 μm, 0,9 μm, 0,8 μm und 0,6 μm ermittelt.
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Da die Mikroeindrücke sich in einem geringen μm-Bereich befinden, haben die Mikroeindrücke keinen Einfluss auf den Verschleiß an sich.
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Wie dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zu entnehmen ist, kann mit einer hohen Genauigkeit in einem Bereich von 1 μm und kleiner ein Verschleiß der Oberfläche 1 der Zylinderlaufbahn ermittelt werden.
