DE102011118589A1 - Verfahren zur Bewertung von Oberflächenstrukturen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Kenngrößenbestimmung für Oberflächenstrukturen einer Werkstoffoberfläche bereit, die in Wirkverbindung mit einem Kontaktpartner steht. Dabei simuliert eine Kenngröße eine Funktion zwischen der Werkstoffoberfläche und dem Kontaktpartner. Das Verfahren umfasst die Schritte: – mit einem Profiltiefenbestimmungsverfahren Erfassen der Gesamtheit der Oberflächenstrukturen zumindest eines vorbestimmten Abschnitts der Oberfläche des Werkstoffs und Darstellen als Gesamtprofil, wobei das Gesamtprofil als Datensatz von entlang einer Schnittlinie erhaltenen Profiltiefenwerten um eine vorbestimmte Mess-Grundlinie, die jeweils einer Position entlang der Länge der Mess-Grundlinie zugeordnet werden, aufgenommen wird, und – Anwenden eines mathematisch – morphologischen Berechnungsprogramms auf den Datensatz des Gesamtprofils, dabei Simulieren des Abrollens eines Kreises mit einem definierten Radius auf dem Gesamtprofl und Erhalten einer Abrolllinie (LKR, LDS) über dem Gesamtprofil, die einen Konturablauf des Kontaktpartners auf der Werkstoffoberfläche simuliert, – Berechnen einer von der Abrolllinie (LKR, LDS) und dem Gesamtprofil begrenzten Gesamtfläche, und Festlegen der Gesamtfläche als eine erste Kenngröße.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kenngrößenbestimmung für Oberflächenstrukturen einer Werkstoffoberfläche, die in Wirkverbindung mit einem Kontaktpartner steht.
• Technische Oberflächen weisen häufig werkstoff- und bearbeitungsspezifische Strukturen auf, die gewollt sein können, wie bestimmte, beim Honen von Zylinderlaufbahnen erhaltene Strukturen: So ergeben sich etwa beim Honen Kreuzschliffstrukturen, die vorteilhaft sein können, da sie Öl rückhalten und daher die Gleiteigenschaften verbessern. Andere werkstoff- und bearbeitungsspezifische Strukturen, die etwa beschichtete gehonte Oberflächen aufweisen, stellen eine unerwünschte Veränderung dar und sollen bereits in der Entstehung vermieden oder in einer bestimmten Ausprägung gehalten werden.
• Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Bewertung von Strukturen auf Oberflächen wie Honstrukturen auf Zylinderlaufbahnen bereits bekannt. Beispielsweise wird in der DE 10 2007 008 604 A1 ein derartiges Verfahren beschrieben, das eine umfassende seriennahe, zerstörungsfreie Qualitätssicherung von Oberflächen, insbesondere von gehonten Zylinderlaufbahnen, ermöglichen soll. Dabei werden durch eine Strukturtrennung Soll- und Fehlermerkmale, insbesondere Soll- und Fehlerstrukturen, getrennt, indem ein Originalbild zerlegt wird. Bei der Strukturtrennung werden gemessene 3D-Daten oder 3D-Bilder weiterverarbeitet. Aus dem Originalbild werden relevante Parameter extrahiert und durch objektive Bewertung funktionsrelevanter Strukturelemente mit Kenngrößen soll die Qualitätssicherung der gehonten Zylinderlaufbahnen aller Typen ermöglicht werden. Ferner wird die Möglichkeit der Toleranzvorgabe und der Zeichnungseintragung für die Kenngrößen angeboten, um so auf einfache Art und Weise eine Identifizierung von Soll- und Fehlerstrukturen und die Bewertung deren Ausprägung zu ermöglichen und gezieltes Eingreifen in einen Produktionsprozess zu erlauben.
• Die aus dem Stand der Technik bekannten Oberflächenuntersuchungs- und -bewertungsverfahren ermöglichen jedoch keine funktionsbezogene, einfache, detaillierte und kontaktpartnerbezogene Bewertung von Oberflächen.
• Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Oberflächenuntersuchungs- und -bewertungsverfahren zu beschaffen, das eben diese funktionsbezogene, einfache, detaillierte und kontaktpartnerbezogene Bewertung von Oberflächen ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
• In einer ersten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt daher die Kenngrößenbestimmung von Oberflächenstrukturen einer Werkstoffoberfläche, die in Wirkverbindung mit einem Kontaktpartner stehen. Die Kenngröße simuliert dabei eine Funktion zwischen der Werkstoffoberfläche und dem Kontaktpartner. Das Verfahren erlaubt daher unter Heranziehen der Kenngrößen mittels softwaretechnisch einfacher Modelle das Funktionsverhalten von Werkstoffoberflächen zu simulieren. So ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, funktionsbezogene Toleranzen in Abhängigkeit vom Kontaktpartner der zu bewertenden Oberfläche zu schaffen und so das Zusammenspiel zwischen den Kontaktpartnern zu optimieren.
• Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
  Zunächst wird mittels eines Profiltiefenbestimmungsverfahrens die Gesamtheit der Oberflächenstrukturen zumindest eines vorbestimmten Abschnitts der Oberfläche des Werkstoffs erfasst, Sie wird als Gesamtprofil dargestellt, wobei das Gesamtprofil als Datensatz von entlang einer Schnittlinie erhaltenen Profiltiefenwerten um eine vorbestimmte Mess-Grundlinie, die jeweils einer Position entlang der Länge der Mess-Grundlinie zugeordnet werden, aufgenommen wird. Es wird sodann ein mathematisch – morphologisches Berechnungsprogramm auf den Datensatz des Gesamtprofils angewendet und dabei das Abrollen eines Kreises mit einem definierten Radius auf dem Gesamtprofil simuliert und eine Abrolllinie über dem Gesamtprofil erhalten, die einen Konturablauf des Kontaktpartners auf der Werkstoffoberfläche simuliert. Nun folgt das Berechnen oder Integrieren einer von der Abrolllinie und dem Gesamtprofil begrenzten Gesamtfläche, und das Festlegen der Gesamtfläche als eine erste Kenngröße.
• In einer Weiterbildung des Verfahrens wird mit der ersten Kenngröße eine zweite Kenngröße bestimmt. Das umfasst das Projizieren der Gesamtfläche in die dritte Dimension in Bezug zu der Werkstoffoberfläche und Berechnen eines Gesamtvolumens als die zweite Kenngröße.
• In noch einer Weiterbildung umfasst das Berechnen der Gesamtfläche das Bestimmen einer Differenz zu der Abrolllinie für jeden Profiltiefenwert und das Bestimmen einer Einzelfläche zwischen jedem Profiltiefenwert und einem entsprechenden Abschnitt der Abrolllinie als Funktion der Position des Profiltiefenwerts entlang der Schnittlinie. Dann werden die Einzelflächen entlang der Schnittlinie aufaddiert.
• Ferner kann die erste Kenngröße streckenbezogen normiert werden und die zweite Kenngröße kann flächenbezogen normiert werden. Dies dient vorteilhaft zur Grundlagenschaffung für Vergleiche etc. bei verschieden langen Profilschnitten.
• Weiter umfasst das Verfahren der vorliegenden Erfindung in einer Ausführungsform das Bestimmen der Kenngrößen für bearbeitungs- und werkstoffspezifisch zu differenzierende Oberflächenstrukturen. Dabei wird das Gesamtprofil in ein werkstoffspezifisches Porenprofil und ein Bearbeitungsprofil separiert. Die Differenzierung der Oberflächenstrukturen des mit einem Oberflächenbearbeitungsverfahren bearbeiteten technischen Werkstoffs mit werkstoffinhärenten Oberflächenrauhigkeiten, etwa einer gehonten Beschichtung einer Kolbenlauffläche eines Zylinders, also einer „technischen Oberfläche”, erfolgt so:
  Um den Entstehungsgrund bzw. die Ursache der Strukturen nach ihrer Art feststellen zu können, wird Apriori-Wissen zu Grunde gelegt, damit die Strukturanteile voneinander separiert werden können. Danach können die voneinander separierten Strukturanteile unterschiedlichen Bewertungen zugeführt werden.
• Dazu wird nach Durchführung eines Profiltiefenbestimmungsverfahrens die Gesamtheit der Oberflächenstrukturen eines Abschnitts der Werkstoffoberfläche des Werkstoffs mit werkstoffinhärenten Oberflächenrauhigkeiten erfasst und als Gesamtprofil dargestellt. Das Gesamtprofil wird als Datensatz von entlang einer Schnittlinie erhaltenen Profiltiefenwerten um eine vorbestimmte Mess-Grundlinie aufgenommen.
• Dann wird mit demselben Profiltiefenbestimmungsverfahren die Gesamtheit der Oberflächenstrukturen eines Abschnitts der Oberfläche eines oberflächenbearbeiteten technischen Werkstoffs, der keine werkstoffinhärenten Oberflächenrauhigkeiten aufweist, erfasst, und als Bearbeitungsprofil dargestellt. Dieses wird als Datensatz entlang einer Schnittlinie erhaltener Profiltiefenwerte um eine vorbestimmte Mess-Grundlinie, die jeweils einer Position entlang der Länge der Mess-Grundlinie zugeordnet werden, aufgenommen. Es folgt das Ermitteln einer für das Oberflächenbearbeitungsverfahren charakteristischen Schiefe der Häufigkeitsverteilung aller Bearbeitungsprofil-Tiefenwerte und das Definieren dieser Schiefe als charakteristische Soll-Schiefe für das Oberflächenbearbeitungsverfahren.
• Weiter wird eine Start-Linie in dem Gesamtprofil bestimmt, die parallel zu der Mess-Grundlinie des Gesamtprofils entsprechend dem tiefsten Profiltiefenwert verläuft, und es wird eine erste Schiefe der Häufigkeitsverteilung der von der Startlinie tangierten Profiltiefenwerte des Gesamtprofils an der Startlinie ermittelt. Dann werden schrittweise voneinander beabstandete Zwischenlinien zwischen der Start-Linie und der Mess-Grundlinie definiert und, ausgehend von der Startlinie, sukzessive auch die Schiefen der Häufigkeitsverteilungen der von den entsprechenden Zwischenlinien tangierten Profiltiefenwerte des Gesamtprofils ermittelt.
• Von der Startlinie ausgehend werden die ermittelten Schiefen mit der Sollschiefe verglichen. Bei Übereinstimmen der Schiefe einer bestimmten Zwischenlinie des Gesamtprofils mit der Soll-Schiefe werden alle Profiltiefenwerte ausgewählt, die diese bestimmte Zwischenlinie tangieren. Dann werden diese Profiltiefenwerte als ein Porenprofil dargestellt. Durch das Selektieren ergibt sich, dass das durch das Bearbeitungsverfahren entstandene „Bearbeitungsprofil” übrig bleibt und insofern vom Gesamtprofil separiert wird.
• So wird die Strukturseparation quasi durch Anwendung von Apriori-Wissen ermöglicht, das erlangt wird, wenn ein Werkstoff, der keine werkstoffinhärenten Oberflächenrauhigkeiten aufweist, demselben Bearbeitungsverfahren unterzogen wird wie ein Werkstoff mit Oberflächenrauhigkeiten. Es wird beispielsweise untersucht, welche Ausprägung eine Honstruktur in einem Werkstoff ohne Poren hat und daraus wird die Separation der Honstruktur in einem Werkstoff mit Poren abgeleitet. Das Verfahren ermöglicht so die getrennte und gezielte Bewertung von Oberflächenstrukturen mit Zuordnung zum Verursacher.
• Die Werkstoffoberfläche kann eine Zylinderlaufbahn sein und der Kontaktpartner entsprechend ein Kolbenring.
• Die funktionssimulierende erste Kenngröße gibt ein Maß für die zur Schmierung relevante Ölmenge und die daraus projizierte zweite Kenngröße ein theoretisches Ölhaltevolumen der Werkstoffoberfläche an, insbesondere jeweils für Gesamt-, Poren- und Bearbeitungsprofil. Der definierte Radius des Kreises zur Bestimmung der Abrolllinie, die einer theoretischen Ablaufkontur des Kolbenrings entspricht, kann etwa 100 mm betragen.
• Es können weitere Kenngrößen bestimmt werden, wie bspw. das Deckel-Ölvolumen, insbesondere der Porenanteil, die mittlere Porenbreite, die mittlere Porenschnittfläche aus dem Porenprofil.
• Die Werkstoffoberfläche und der Kontaktpartner bilden ein statisches Dichtheitssystem, insbesondere entlang einer Dichtsicke von Kopfdichtungen an Trennflächen von Kurbelgehäuse und Zylinderkopf und die funktionssimulierende erste Kenngröße gibt einen theoretischen Dichtspalt an. Der definierte Radius des Kreises zur Bestimmung der Abrolllinie, die einem theoretischen Konturablauf der Dichtsicke entspricht, kann dann zur Anpassung an verschiedene Dichtungsausführungen und -beanspruchungen gewählt werden, er kann etwa im Bereich von 1 mm bis 100 mm betragen.
• Ferner können weitere Kenngrößen bestimmt werden, insbesondere eine größte Einzelspaltfläche.
• Erfindungsgemäß können durch Anwendung des Verfahrens Toleranzen für die funktionssimulierenden Kenngrößen in technischen Produktdokumentationen angegeben werden und es können Verfahrensanweisungen für Überschreitungen vorgesehen werden.
• Als Verfahren zur Bestimmung der Profiltiefe kommen insbesondere ein optisches Profilmessverfahren oder ein Tastschnittverfahren, insbesondere ein Tastschnittverfahren nach ISO 3274 in Frage.
• Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
• Dabei zeigen:
• 1 ein Messprofil einer bearbeiteten porenbehafteten Zylinderlaufbahnoberfläche mit der erfindungsgemäß erzeugten Abrolllinie, die einem theoretischen Konturablauf des Kolbenrings entspricht, zur Ermittlung eines theoretischen Gesamt-Ölhaltevolumens als Kenngröße,
• 2 ein Messprofil einer Kurbelgehäuse/Zylinderkopfoberfläche mit der erfindungsgemäß erzeugten Abrolllinie, die einem theoretischen Konturablauf der Dichtsicke entspricht, zur Ermittlung eines theoretischen Dichtspalts als Kenngröße,
• 3 den Gesamt-Profilschnitt einer bearbeiteten porenbehafteten Werkstoffoberfläche entsprechend 1, sowie den hieraus separierten Bearbeitungs-Profilschnitt und den Poren-Profilschnitt zur Ermittlung weiterer Kenngrößen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Ermittlung von Kenngrößen für Strukturen von Werkstoffoberflächen, die mit einem Kontaktpartner zusammenwirken.
• Im Folgenden soll dies an zwei Beispielen verdeutlicht werden: Einmal wird die Ermittlung theoretischer Ölrückhaltevolumina und anderer funktionssimulierender Kenngrößen für das System Zylinderlaufbahn/Kolbenring an Hand 1 ausgeführt, und zum zweiten die Ermittlung eines theoretischen Dichtspalts und anderer funktionssimulierender Kenngrößen für statische Dichtheitssysteme (z. B. das Dichtverhalten entlang einer Dichtsicke von Kopfdichtungen an den Trennflächen eines Kurbelgehäuses und eines Zylinderkopfes) an Hand 2.
• 1 verdeutlicht die Ermittlung der funktionssimulierenden Kenngrößen für das System Zylinderlaufbahn/Kolbenring. Die Differenz zwischen der theoretischen Ablaufkontur L_KR des Kolbenrings und dem an der Zylinderlaufbahn gemessenen Oberflächenprofil ist Basis für die Kenngrößen des „theoretischen Ölhaltevolumens nach Kolbenringsimulation”.
• Hierzu bezeichnet V_Öl,gesamt in [μm²/mm³] das theoretische Ölhaltevolumen, das für das Gesamt-Profil ermittelt wurde, wie es in 1 zu sehen ist. Zur detaillierten Beurteilung können, wie in 3 zu sehen, die Oberflächenstrukturen des Gesamtprofils in ein Porenprofil und ein Bearbeitungsprofil separiert werden. Aus dem Bearbeitungsprofil kann ein theoretisches Ölhaltevolumen basierend auf Bearbeitungsstrukturen V_{Öl,Bearbeitung} (bei Honung der Lauffläche V_Öl,Honung) in [μm²/mm³] sowie aus dem Porenprofil ein auf den werkstoff- bzw. beschichtungsspezifischen Oberflächenstrukturen wie Poren basierendes theoretisches Ölhaltevolumen V_Öl,Poren in [μm²/mm³] ermittelt werden.
• Weitere Kenngrößen, die insbesondere auch nach der Strukturseparation bestimmt werden können, sind ein Porenanteil [%], eine mittlere Porenbreite [μm] und eine mittlere Porenschnittfläche [μm²]. Eine Kenngröße V_Öl,Deckel [μm²/mm³] beschreibt ein theoretisches Ölhaltevolumen von möglicherweise vorkommenden deckalartigen, hochstehenden Strukturen.
• Basis der Kenngrößenberechnung des bearbeitungsspezifischen theoretischen Ölhaltevolumens V_{Öl,Bearbeitung} ist die Separation der werkstoff- und bearbeitungsspezifischen Oberflächenstrukturen. V_{Öl,Bearbeitung} wird aus dem Bearbeitungsprofil (siehe 3) berechnet, das in axialer Richtung aufgezeichnet wird. Die Funktion des Kolbenringablaufs auf der Laufbahnoberfläche wird simuliert, indem auf den digitalen Datensatz des entsprechenden Profils, beispielsweise dem Gesamtprofil (1) im Berechnungsprogramm ein mathematisch-morphologisches Verfahren angewendet wird, das das Abrollen eines Kreises mit definiertem Radius, hier 100 mm, auf dem Profil simuliert. Hierbei wird vorausgesetzt, dass die so erzeugte Abrolllinie L_KR ähnlich der Bewegungslinie des Kolbenrings an der Laufbahn ist. Der Spalt zwischen Abrolllinie L_KR und dem Oberflächenprofil ist ein Maß für die zur Schmierung bzw. für den Ölverbrauch relevante Ölmenge. Dieses Maß wird z. B. beim V_Öl,gesamt aus der Aufsummierung aller Einzelspaltflächen als eine Gesamtfläche und darauffolgender Projektion in die dritte Dimension als Volumen berechnet. Um auch bei unterschiedlich langen Profilschnitten vergleichbare Ergebnisse zu bekommen, wird dieses berechnete Volumen auf 1 mm² normiert. Die Einheit von V_Öl,gesamt, V_{Öl,Bearbeitung} und V_Öl,Poren beträgt μm³/mm².
• V_{Öl,Bearbeitung} und V_Öl,Poren werden genauso wie V_Öl,gesamt ermittelt, V_Öl,Poren aber am Porenprofil und V_{Öl,Bearbeitung} am Bearbeitungsprofil, die wie 3 zeigt, die aus der Strukturseparierung des Gesamtprofils erhalten werden.
• 3 zeigt die Trennung der durch den Werkstoff bedingten Strukturen (Porenprofilschnitt) und den durch ein Bearbeitungsverfahren erzeugten Bearbeitungs-Profilschnitt aus einem Gesamt-Profilschnitt einer bearbeiteten porenbehafteten Werkstoffoberfläche. Die separierten Profilschnitte können der Bewertung der Oberfläche für die erfindungsgemäß ermittelten Kenngrößen zugrunde gelegt werden. Der Profilschnitt der Oberfläche wird durch ein optisches Profilschnitt- oder vorzugsweise durch ein Tastschnittverfahren vermessen. Dabei werden die von einer Mess-Grundlinie abweichenden Profiltiefenwerte entlang einer Schnittlinie erfasst.
• Bei mechanischen Tastschnittverfahren wird eine Tastspitze mit konstanter Geschwindigkeit über die bearbeitete Werkstoffoberfläche verfahren. Das Messprofil ergibt sich aus den in Bezug zu der parallel zur Werkstückoberfläche verlaufenden Messgrundlinie vertikalen Lageverschiebungen der Tastspitze, die in der Regel durch ein induktives Wegmeßsystem erfasst werden. Dabei wird der Datensatz mit den Profiltiefenwerten entlang der Messlinie gewonnen.
• Als Basis zur Separierung werkstoff- und bearbeitungsbedingter Oberflächenstrukturen werden zunächst Profilschnitte bzw. Messprofile von bearbeiteten Werkstoffoberflächen gemacht, deren Werkstoffe keine Poren aufweisen und damit nur Bearbeitungsstrukturen zeigen. Daher kann ein solcher Profilschnitt als Apriori-Wissen herangezogen werden. Der erhaltene Datensatz mit den Profiltiefenwerten wird der Berechnung einer Schiefe der Häufigkeitsverteilung der Profiltiefenwerte zugrunde gelegt. Die Schiefe gibt die Neigungsstärke der statistischen Verteilung der Profiltiefenwerte an. Die mit dem porenlosen Werkstoff ermittelte Schiefe ist charakteristisch für das jeweilige Bearbeitungsverfahren und beschreibt die Oberflächencharakteristik wie etwa symmetrische oder unterschiedlich stark plateauartige Strukturen unabhängig von der Höhenausprägung der Struktur, also unabhängig davon, ob grob oder fein bearbeitet wurde. Diese für das Bearbeitungsverfahren charakteristische Schiefe ist als Soll-Schiefe der entscheidende Parameter für die Strukturseparation.
• Ein nach Erlangung des Apriori-Wissens an einer bearbeiteten Oberfläche eines porenbehafteten Werkstoffs durchgeführtes optisches oder Tastschnittverfahren ergibt den in 1 und 2, sowie 3 oben gezeigten Gesamt-Profilschnitt aus den entlang der Messlinie erfassten Profiltiefenwerten. Zur Durchführung der Separierung wird nun eine Startlinie definiert, die parallel zu der Mess-Grundlinie an der tiefsten Stelle des Messprofils der porenbehafteten Werkstoffoberfläche vorliegt, also die tiefsten Profiltiefenwerte tangiert.
• Schrittweise von der Startlinie ausgehend werden in Richtung der Mess-Grundlinie in vorbestimmten, vorzugsweise einstellbaren Schritten, beispielsweise von 10 nm, Zwischenlinien definiert, wobei für jede Zwischenlinie (gegebenenfalls auch für die Startlinie) die Schiefe der Häufigkeitsverteilung der Profiltiefenwerte ermittelt wird, die die jeweilige Zwischenlinie (bzw. Startlinie) tangieren. Unter „tangierende Profiltiefenwerte” sind vorliegend auch die Profiltiefenwerte gemeint, die die Zwischenlinie schneiden.
• Die zu jeder Zwischenlinie berechnete Schiefe wird mit der Soll-Schiefe verglichen. Bei der Zwischenlinie, deren Schiefe der Soll-Schiefe entspricht, werden alle Strukturtäler, also alle Profiltiefenwerte, die von der Zwischenlinie angeschnitten werden, von der Mess-Grundlinie ausgehend digital aus dem Gesamt-Profilschnitt selektiert und zusammenhängend in einem Poren-Profilschnitt dargestellt (vgl. 3). Hierbei verändert sich allerdings der Maßstab entlang der Messlinie. Der Poren-Profilschnitt gibt die Verteilung der Poren entlang der Messlinie wider und ist für den Werkstoff bzw. die Beschichtung typisch.
• Das Gesamtprofil wird an den Stellen, an denen die Porenprofile entfernt wurden, zusammengeschoben, so dass sich der Bearbeitungs-Profilschnitt aus dem Gesamt-Profilschnitt wie in 3 dargestellt ergibt.
• Das Separierungsverfahren kann automatisiert durch einen Computer mit entsprechenden Algorithmen ausgeführt werden, die die Ermittlung der Schiefen, Vergleich der Schiefen mit der Soll-Schiefe (die in einer Datenbank hinterlegt sein kann) und die „Aussortierung” der Profilabschnitte, die die Linie mit einer der Soll-Schiefe entsprechenden Schiefe schneiden, deren Zusammenfügung zum Poren-Profilschnitt und die Erstellung des Bearbeitungs-Profilschnitts ermöglichen.
• Sowohl Poren-Profilschnitt als auch Bearbeitungs-Profilschnitt können der weiteren Auswertung der Oberfläche zugrunde gelegt werden. Dabei liegen der erhaltene Poren-Profilschnitt und der Bearbeitungs-Profilschnitt als Datensätze vor, die, wie in 3 gezeigt, visuell dargestellt werden können und/oder für die erfindungsgemäße Ermittlung von Oberflächenkenngrößen herangezogen werden können.
• Weitere funktionssimulierende Kenngrößen sind die für statische Dichtheitssysteme relevanten Größen, etwa der theoretische Dichtspalt, der sich auf das Dichtverhalten entlang einer Dichtsicke von Kopfdichtungen an den Trennflächen von Kurbelgehäuse und Zylinderkopf bezieht. Der Dichtspalt wird am ungefilterten Oberflächen-Gesamtprofil ermittelt, indem auch hier die oben beschriebene Abrolllinie eines Kreises berechnet wird. Hierbei wird der Radius den Eigenschaften der Dichtung angepasst. So wird beispielsweise ein kleinerer Radius von etwa 1 mm bei mehreren Vollsicken und dicker Beschichtung der Metalllagenflachdichtung gewählt und ein entsprechend größerer Radius bei dünner Beschichtung. Der Spalt zwischen der berechneten Abrolllinie und dem Oberflächen-Gesamtprotil ist ein Maß für die zu erwartende Abdichtung. Der Dichtspalt, als Kenngröße Df bezeichnet, wird aus der Aufsummierung aller Einzelspaltflächen als eine Gesamtfläche in μm² berechnet. Um auch bei unterschiedlich langen Profilschnitten vergleichbare Ergebnisse zu bekommen, wird diese berechnete Fläche auf 1 mm normiert.
• Eine weitere Kenngröße aus dieser Familie ist Dfmax in μm². Das ist die größte Einzelspaltfläche.
• Für die Kenngrößenbestimmung der funktionssimulierenden Kenngrößen ist vorliegend keine Zwischenschaltung menschlicher Verstandestätigkeit erforderlich; das gesamte Bestimmungsverfahren läuft nach Eingabe der Messgrößen und Profile automatisch ab. Eine Besonderheit ist die Parametrisierbarkeit (Anpassungsfähigkeit) bei den Kenngrößen des theoretischen Dichtspaltes an verschiedene Dichtungsausführungen und Beanspruchungen.
• Für alle funktionssimulierenden Kenngrößen können Toleranzen in technischen Produktdokumentationen angegeben werden. Wie bei Überschreitung verfahren wird, ist z. B. abhängig von den mitgelieferten Unterlagen wie etwa Verfahrensanweisungen.
• In 2 entsprechen die Abstände der horizontalen Linien 1 μm, die Breite der dargestellten Messstrecke entspricht näherungsweise 12 mm. Gleiche Einheiten gelten für das Beispiel in 1, der V_Öl,Gesamt-Darstellung. Es ist zu beachten, dass die Profile in 1 und 2 unterschiedliche Maßstäbe aufweisen.
• Das Messprofil in 2 als Grundlage für die Bestimmung des Dichtspalts ist ein gemessenes, ungefiltertes Profil (Gesamt-Profil). Als Messverfahren kommen sowohl das Tastschnittverfahren (nach ISO 3274) als auch andere, z. B. optische Profilschnittverfahren in Frage. Rotes Profil entsteht wie oben beschrieben.
• Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt so die funktionsbezogene, einfache, detaillierte und kontaktpartnerbezogene Bewertung von Oberflächen durch Kenngrößen, die softwaretechnisch in einfachen Modellen das Funktionsverhalten simulieren. Die Oberflächenbewertung erfolgt also in enger Korrelation zu Funktionseigenschaften in Abhängigkeit vom Kontaktpartner. Alle bekannten Kenngrößen bewerten die betrachtete Oberfläche nur für sich ohne Kontaktpartnerbezug.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102007008604 A1 [0003]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• ISO 3274 [0024]
• ISO 3274 [0051]

Claims (10)

1. Verfahren zur Kenngrößenbestimmung für Oberflächenstrukturen einer Werkstoffoberfläche, die in Wirkverbindung mit einem Kontaktpartner steht, wobei eine Kenngröße eine Funktion zwischen der Werkstoffoberfläche und dem Kontaktpartner simuliert, umfassend die Schritte: – mit einem Profiltiefenbestimmungsverfahren Erfassen der Gesamtheit der Oberflächenstrukturen zumindest eines vorbestimmten Abschnitts der Oberfläche des Werkstoffs und Darstellen als Gesamtprofil, wobei das Gesamtprofil als Datensatz von entlang einer Schnittlinie erhaltenen Profiltiefenwerten um eine vorbestimmte Mess-Grundlinie, die jeweils einer Position entlang der Länge der Mess-Grundlinie zugeordnet werden, aufgenommen wird, und – Anwenden eines mathematisch – morphologischen Berechnungsprogramms auf den Datensatz des Gesamtprofils, dabei Simulieren des Abrollens eines Kreises mit einem definierten Radius auf dem Gesamtprofil und Erhalten einer Abrolllinie (L_KR, L_DS) über dem Gesamtprofil, die einen Konturablauf des Kontaktpartners auf der Werkstoffoberfläche simuliert, – Berechnen einer von der Abrolllinie (L_KR, L_DS) und dem Gesamtprofil begrenzten Gesamtfläche, und Festlegen der Gesamtfläche als eine erste Kenngröße.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mit der ersten Kenngröße eine zweite Kerngröße bestimmt wird, umfassend die Schritte – Projizieren der Gesamtfläche in die dritte Dimension in Bezug zu der Werkstoffoberfläche und Berechnen eines Gesamtvolumens als die zweite Kenngröße.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Berechnen der Gesamtfläche umfasst: – für jeden Profiltiefenwert Bestimmen einer Differenz zu der Abrolllinie und einer Einzelfläche zwischen jedem Profiltiefenwert und einem entsprechenden Abschnitt der Abrolllinie (L_KR, L_DS) als Funktion der Position des Profiltiefenwerts entlang der Schnittlinie und Aufaddieren der Einzelflächen entlang der Schnittlinie
4. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend den Schritt: – streckenbezogen Normieren der ersten Kenngröße und flächenbezogen Normieren der zweiten Kenngröße.
5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend den Schritt: Bestimmen der Kenngrößen für bearbeitungs- und werkstoffspezifisch differenzierte Oberflächenstrukturen, wobei das Gesamtprofil in ein werkstoffspezifisches Porenprofil und in ein Bearbeitungsprofil separiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Differenzierung von Oberflächenstrukturen eines mit zumindest einem Oberflächenbearbeitungsverfahren bearbeiteten technischen Werkstoffs erfolgt, der werkstoffinhärente Oberflächenrauhigkeiten aufweist, umfassend die Schritte: – mit einem Profiltiefenbestimmungsverfahren Erfassen der Gesamtheit der Oberflächenstrukturen zumindest eines vorbestimmten Abschnitts der Oberfläche des oberflächenbearbeiteten technischen Werkstoffs und Darstellen als Gesamtprofil, wobei das Gesamtprofil als Datensatz von entlang einer Schnittlinie erhaltenen Profiltiefenwerten um eine vorbestimmte Mess-Grundlinie, die jeweils einer Position entlang der Länge der Mess-Grundlinie zugeordnet werden, aufgenommen wird, – mit einem Profiltiefenbestimmungsverfahren Erfassen der Gesamtheit der Oberflächenstrukturen zumindest eines vorbestimmten Abschnitts der Oberfläche eines oberflächenbearbeiteten technischen Werkstoffs, der keine werkstoffinhärenten Oberflächenrauhigkeiten aufweist, und Darstellen als Bearbeitungsprofil, wobei das Bearbeitungsprofil als Datensatz von entlang einer Schnittlinie erhaltenen Profiltiefenwerten um eine vorbestimmte Mess-Grundlinie, die jeweils einer Position entlang der Länge der Mess-Grundlinie zugeordnet werden, aufgenommen wird und – Ermitteln einer für das Oberflächenbearbeitungsverfahren charakteristischen Schiefe der Häufigkeitsverteilung aller Bearbeitungsprofil-Tiefenwerte, und Definieren dieser Schiefe als Soll-Schiefe für das Oberflächenbearbeitungsverfahren, – dann Definieren einer Start-Linie in dem Gesamtprofil, die parallel zu der Mess-Grundlinie des Gesamtprofils entsprechend dem tiefsten Profiltiefenwert verläuft, – Ermitteln einer ersten Schiefe der Häufigkeitsverteilung der von der Startlinie tangierten Profiltiefenwerte des Gesamtprofils an der Startlinie und – Definieren schrittweise voneinander beabstandeter Zwischenlinien zwischen der Start-Linie und der Mess-Grundlinie, dann – ausgehend von der Startlinie sukzessive Ermitteln der Schiefen der Häufigkeitsverteilungen der von der entsprechenden Zwischenlinie tangierten Profiltiefenwerte des Gesamtprofils, – sukzessive Vergleichen aller der Schiefen von der Startlinie ausgehend mit der Sollschiefe, – bei Übereinstimmen der Schiefe einer bestimmten Zwischenlinie des Gesamtprofils mit der Soll-Schiefe Selektieren aller Profiltiefenwerte, die die bestimmte Zwischenlinie tangieren und – Darstellen der selektierten Profiltiefenwerte als ein Porenprofil, dabei Separieren des Bearbeitungsprofils aus dem Gesamtprofil.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Werkstoffoberfläche die einer Zylinderlaufbahn ist und der Kontaktpartner ein Kolbenring ist und wobei die funktionssimulierende erste Kenngröße ein Maß für die zur Schmierung relevante Ölmenge und die daraus projizierte zweite Kenngröße ein theoretisches Ölhaltevolumen angibt, insbesondere jeweils für Gesamt-, Poren- und Bearbeitungsprofil, wobei insbesondere der definierte Radius des Kreises zur Bestimmung der Abrolllinie, die einer theoretischen Ablaufkontur des Kolbenrings entspricht, 100 mm beträgt, und wobei weitere Kenngrößen, insbesondere für ein Deckel-Ölvolumen, insbesondere Porenanteil, mittlere Porenbreite, mittlere Porenschnittfläche aus dem Porenprofil erhalten werden.
8. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Werkstoffoberfläche und der Kontaktpartner ein statisches Dichtheit-s-system sind, insbesondere entlang einer Dichtsicke von Kopfdichtungen an Trennflächen von Kurbelgehäuse und Zylinderkopf, und wobei die funktionssimulierende erste Kenngröße einen theoretischen Dichtspalt angibt, wobei der definierte Radius des Kreises zur Bestimmung der Abrolllinie, die einem theoretischen Konturablauf der Dichtsicke entspricht, zur Anpassung an verschiedene Dichtungsausführungen und -beanspruchungen wählbar ist, und insbesondere im Bereich von 1 mm bis 100 mm, liegt und wobei weitere Kenngrößen bestimmt werden, insbesondere eine größte Einzelspaltfläche.
9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend den Schritt Angeben von Toleranzen für die funktionssimulierenden Kenngrößen in technischen Produktdokumentationen und Zuordnen von Verfahrensanweisungen bei Überschreitungen.
10. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Profiltiefenbestimmungsverfahren ein optisches Profilmessverfahren oder ein Tastschnittverfahren, insbesondere ein Tastschnittverfahren nach ISO 3274 ist.

Images