DE102011118703A1

DE102011118703A1 - Verfahren zur Differenzierung von Oberflächenstrukturen

Info

Publication number: DE102011118703A1
Application number: DE102011118703A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Hercke Tobias; Dr. Ing. Izquierdo Patrick; Dipl.-Ing. Böhm Jens; Dr.-Ing. Schweickert Stefan
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2031-11-17
Also published as: DE102011118703B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur Differenzierung von Oberflächenstrukturen eines oberflächenbearbeiteten technischen Werkstoffs mit werkstoffinhärenten Oberflächenrauhigkeiten. Mit einem Profiltiefenbestimmungsverfahren wird die Werkstoffoberfläche erfasst und als Gesamtprofil dargestellt. Das Gesamtprofil wird als Datensatz von entlang einer Schnittlinie erhaltenen Profiltiefenwerten um eine Mess-Grundlinie aufgenommen. Dann wird mit demselben Profiltiefenbestimmungsverfahren die Oberfläche eines oberflächenbearbeiteten technischen Werkstoffs, der keine werkstoffinhärenten Oberflächenrauhigkeiten aufweist, erfasst und als Bearbeitungsprofil dargestellt, das als Datensatz von entlang einer Schnittlinie erhaltenen Profiltiefenwerten um eine vorbestimmte Mess-Grundlinie aufgenommen wird. Es folgt Ermitteln einer für das Oberflächenbearbeitungsverfahren charakteristischen Schiefe der Häufigkeitserteilung aller Bearbeitungsprofil-Tiefenwerte und Definieren dieser Schiefe als 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 eine erste Schiefe der Häufigkeitserteilung der von der Startlinie tangierten Profiltiefenwerte des Gesamtprofils an der Start-linie ermittelt. Dann werden schrittweise voneinander beabstandete Zwischenlinien zwi schen der Start-Linie und der Mess-Grundlinie definiert und sukzessive die Schiefen der Häufigkeitsverteilungen der von den entsprechenden Zwischenlinie tangierten Profiltiefenwerte des Gesamtprofils ermittelt und mit der Sollschiefe verglichen. Bei Übereinstimmen der Schiefe einer bestimmten Zwischenlinie des Gesamtprofils mit der Soll-Schiefe, werden alle Profiltiefenwerte selektiert, die die bestimmte Zwischenlinie tangieren, und als ein Porenprofil dargestellt, wobei das Bearbeitungsprofil vom Gesamtprofil separiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Differenzierung von technischen Oberflächenstrukturen.
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 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 bewerten die Oberflächen gesamtheitlich. Damit ist keine Zuordnung von Merkmalsausprägungen zum Verursacher, etwa einem Bearbeiter oder Beschichter, möglich, wie sie gerade technische Oberflächen aufweisen, die mehrere Herstellungs- und/oder Bearbeitungsschritte durchlaufen haben, um ihre endgültige Oberflächenbeschaffenheit zu erhaltern.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Differenzierung technischer Oberflächenstrukturen zu schaffen, das es ermöglicht, herkunftspezifisch die Anteile an Oberflächenstrukturen zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur Differenzierung von Oberflächenstrukturen eines mit zumindest einem Oberflächenbearbeitungsverfahren bearbeiteten technischen Werkstoffs mit werkstoffinhärenten Oberflächenrauhigkeiten. Ein solcher oberflächenbearbeiteter Werkstoff, etwa eine gehonte Beschichtung einer Kolbenlauffläche eines Zylinders, wird hierin als „technische Oberfläche” verstanden.
Erfindungsgemäß wird, um werkstoff- und bearbeitungsspezifische Oberflächenstrukturen einer solchen technischen Oberfläche voneinander differenzieren und den Entstehungsgrund bzw. die Ursache der Strukturen nach ihrer Art feststellen zu können, Apriori-Wissen zu Grunde gelegt, um damit die Strukturanteile voneinander separieren zu können. Danach können die voneinander separierten Strukturanteile unterschiedlichen Bewertungen zugeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, zunächst mit einem Profiltiefenbestimmungsverfahren die Gesamtheit der Oberflächenstrukturen eines Abschnitts der Werkstoffoberfläche des Werkstoffs mit werkstoffinhärenten Oberflächenrauhigkeiten zu erfassen und als Gesamtprofil darzustellen.
Das Gesamtprofil wird als Datensatz von entlang einer Schnittlinie erhaltenen Profiltiefenwerten um eine vorbestimmte Mess-Grundlinie aufgenommen. Dann wird mit demselben Profiltiefen bestimmungsverfahren 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 Zwischenlinie 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.
Ferner kann in einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens das zusammenhängende Darstellen des Porenprofils der selektierten Profiltiefenwerte erfolgen. Besonders deutlich stellt sich das Porenprofil dar, wenn es in einem von dem Maßstab der Messstrecke des Gesamtprofils abweichenden Maßstab, insbesondere einem vergrößerten Maßstab, abgebildet wird. Die Poren und somit Werkstoffunebenheiten oder -rauhigkeiten werden dann aneinander hängend gezeigt und ebenso das Bearbeitungsprofil.
Nach der Strukturseparation können aus dem Bearbeitungsprofilschnitt und/oder dem Porenprofilschnitt sowohl bereits international genormte Kenngrößen (wie z. B. Rz, Ra in μm, ISO 4287) als auch funktionssimulierende Kenngrößen ausgewertet werden. Dabei werden die Algorithmen der Kenngrößen auf die digital vorliegenden strukturseparierten Datensätze von Bearbeitungsprofilschnitt und/oder Porenprofilschnitt angewendet.
Um eine gute Auflösung respektive Trennung der Werkstoff- und Bearbeitungsprofile zu bekommen, wird die Beabstandung der Zwischenlinien voneinander und zu der Start-Linie und der Mess-Grundlinie im Bereich von 1 nm bis 20 nm, bevorzugt im Bereich von 5 nm bis 15 nm, am meisten bevorzugt bei 10 nm liegen.
Als Verfahren zur Bestimmung der Profiltiefe kommen insbesondere ein optisches Profilmessverfahren oder ein Tastschnittverfahren, insbesondere ein Tastschnittverfahren nach ISO 3274 in Frage.
Bei dem zu untersuchenden technischen Werkstoff kann es sich etwa um einen Beschichtungswerkstoff, insbesondere eine thermische Spritzschicht etwa einer Lauffläche eines Zylinderkolbens handeln; entsprechend sind die werkstoffinhärenten Oberflächenrauhigkeiten Poren.
Diese und weitere Vorteile des vorliegend offenbarten Verfahrens 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.
Dabei zeigen:
1 den Gesamt-Profilschnitt einer bearbeiteten porenbehafteten Werkstoffoberfläche, sowie den hieraus separierten Bearbeitungs-Profilschnitt und den Poren-Profilschnitt,
2 den Gesamt-Profilschnitt aus 1
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die durch den Werkstoff bedingten Strukturen von den durch ein Bearbeitungsverfahren erzeugten Oberflächenstrukturen zu separieren, was als Grundlage für die weitere Auswertung der Oberfläche dienen kann. Dazu werden Profilschnitte der Oberflächen 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 gezeigten Gesamt-Profilschnitt aus den entlang der Messlinie erfassten Profiltiefenwerten. Zur Durchführung der Separierung wird nun eine Startlinie SL definiert (vgl. 2), die parallel zu der Mess-Grundlinie GL an der tiefsten Stelle des Messprofils der porenbehafteten Werkstoffoberfläche vorliegt, also die tiefsten Profiltiefenwerte tangiert.
Schrittweise von der Startlinie SL ausgehend werden in Richtung der Mess-Grundlinie GL in vorbestimmten, vorzugsweise einstellbaren Schritten, beispielsweise von 10 nm, Zwischenlinien ZL definiert, wobei für jede Zwischenlinie ZL (gegebenenfalls auch für die Startlinie SL) die Schiefe der Häufigkeitsverteilung der Profiltiefenwerte ermittelt wird, die die jeweilige Zwischenlinie (bzw. Startlinie SL) tangieren. Unter „tangierende Profiltiefenwerte” sind vorliegend auch die Profiltiefenwerte gemeint, die die Zwischenlinie schneiden.
Die zu jeder Zwischenlinie ZL berechnete Schiefe wird mit der Soll-Schiefe verglichen. Bei der Zwischenlinie ZL*, deren Schiefe der Soll-Schiefe entspricht. werden alle Strukturtäler, also alle Profiltiefenwerte, die von der Zwischenlinie ZL* angeschnitten werden, von der Mess-Grundlinie GL ausgehend digital aus dem Gesamt-Profilschnitt selektiert und zusammenhängend in einem Poren-Profilschnitt dargestellt (vgl. 1). 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 1 dargestellt ergibt.
Das erfindungsgemäße 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 ZL* 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 den 1 gezeigt, visuell dargestellt werden können und/oder zur Berechnung von Oberflächenkenngrößen herangezogen werden können.
Zwar führt die Oberflächenstrukturseparierung an sich nicht zur Bewertung der Oberflächenstrukturen, schafft jedoch die Vorraussetzung für eine sinnvolle Bewertung. Die Strukturseparierung kann wie oben beschrieben automatisiert ablaufen und insbesondere auch für verschiedene Bearbeitungsverfahren (durch die Ermittlung des entsprechenden Apriori-Wissens) angepasst werden. Dadurch wird die Basis zur Bewertung mit Parametern und Kenngrößen geschaffen. Anders als die bisher bekannten Daten-Vorverarbeitungsverfahren, wie z. B. der Filterung, führt das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Oberflächen mit extremen Gegensätzen wie etwa einer sehr feine Bearbeitung bei Vorliegen von breiten und tiefen Poren nicht zu Fehlern, wie sie bislang durch die Überdeckung der Bearbeitungsstruktur bei stark ausgeprägten Poren auftraten, wodurch die Bewertung der Bearbeitungsstruktur mit Kenngrößen nahezu unmöglich war.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007008604 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 4287 [0014]
ISO 3274 [0016]

Claims

Verfahren zur Differenzierung von Oberflächenstrukturen eines mit zumindest einem Oberflächenbearbeitungsverfahren bearbeiteten technischen Werkstoffs, 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.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den Schritt – zusammenhängend Darstellen des Porenprofils der selektierten Profiltiefenwerte und in einem von dem Maßstab der Messstrecke des Gesamtprofils abweichenden Maßstab, insbesondere einem vergrößerten Maßstab.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beabstandung der Zwischenlinien voneinander und zu der Start-Linie und der Mess-Grundlinie, im Bereich von 1 nm bis 20 nm, bevorzugt im Bereich von 5 nm bis 15 nm, am meisten bevorzugt bei 10 nm liegt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Profiltiefenbestimmungsverfahren ein optisches Profilmessverfahren oder ein Tastschnittverfahren, insbesondere ein Tastschnittverfahren nach ISO 3274 ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der technische Werkstoff ein Beschichtungswerkstoff, insbesondere eine thermische Spritzschicht ist und wobei die werkstoffinhärenten Oberflächenrauhigkeiten Poren sind.