DE102018115891A1

DE102018115891A1 - Verfahren zur Herstellung eines Mess-Normals und Mess-Normal

Info

Publication number: DE102018115891A1
Application number: DE102018115891.2A
Authority: DE
Inventors: Robert Schmidt
Original assignee: T & S Ges fur Laengenprueftechnik Mbh; T & S Gesellschaft fur Langenprueftechnik Mbh
Current assignee: T & S Ges fur Laengenprueftechnik Mbh; T & S Gesellschaft fur Langenprueftechnik Mbh
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2020-01-02
Anticipated expiration: 2038-06-30
Also published as: DE102018115891B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Mess-Normals (1), welches eine abschnittsweise zirkulär umlaufende außenliegende erste Messfläche (2) sowie eine zu dieser radial zurückgesetzte außenliegende zweite Messfläche (3) aufweist. Um eine verbesserte Messung zu erlauben, sieht die Erfindung vor, dass das Verfahren die Schritte aufweist: a) Herstellen eines Grundkörpers (4); b) Abdecken eines Teils der außenliegenden Oberfläche des Grundkörpers (4) mit einer Abdeckung, wobei der abgedeckte Teil der Oberfläche der zweiten Messfläche (3) entspricht; c) Beschichten des nicht abgedeckten Teils der Oberfläche des Grundkörpers (4) mit einer Materialschicht definierter Dicke; d) Entfernung der Abdeckung. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Mess-Normal.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Mess-Normals, welches eine abschnittsweise zirkulär umlaufende außenliegende erste Messfläche sowie eine zu dieser radial zurückgesetzte außenliegende zweite Messfläche aufweist. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Mess-Normal.
Mess-Normale der gattungsgemäßen Art werden benötigt, um Messvorrichtungen zu kalibrieren. Wenn hier von einem Mess-Normal gesprochen wird, ist hierunter namentlich ein sog. Vergrößerungsnormal zu verstehen (auch als „Flick-Standard“ bezeichnet, s. unten). Derartige Normale werden zur Ermittlung der korrekten Auslenkung des Tasters eines Messgeräts benötigt und hierzu eingesetzt; die in diesem Zusammenhang eine Rolle spielende Empfindlichkeit ist in der Norm VDI/VDE 2631-2 beschrieben.
Messgeräte zur Prüfung der Rundheit eines zu vermessenden Körpers werden zumeist als Drehtischsysteme ausgeführt. Diese haben einen hochgenau gelagerten Rundtisch, auf dem der Prüfling positioniert wird. Mittels eines Wegaufnehmers wird dann die Abweichung zur Tischachse ermittelt und daraus die entsprechenden Ergebnisse wie Rundheit, Rundlauf etc. errechnet. Dabei sind eine hochgenaue Position der Drehachse sowie ein hoch auflösendes Tastsystem wichtige Voraussetzungen, um zu genauen Messergebnissen zu gelangen. Die zulässigen Abweichungen dieser Systeme liegen deutlich unter einem Mikrometer.
Zur Überwachung dieser Rundheitsmessgeräte werden hochgenaue und kalibrierte Kugeln zur Ermittlung der Genauigkeit der Drehachse und sog. „Flick-Standards“ zur Überprüfung der korrekten Tasterauslenkung verwendet. Hierzu wird auf die Firmenschrift „Instrument Calibration Methods“ aus dem Hause TAYLOR HOBSON Bezug genommen, wo dies näher erläutert ist.
Die Überprüfung der Rundlaufgenauigkeit wird dabei mit Rundheitsnormalen (Kugel, Zylinder) durchgeführt. Indes wird für die Überprüfung der Genauigkeit der Tasterbewegung (beispielsweise über ein Vergrößerungsnormal) ein Mess-Normal nach dem „Flick-Standard“ eingesetzt, d. h. ein Zylinder mit einer Abflachung an einer Umfangsstelle.
Flick-Standards sind hochgenaue Zylinder, auf deren Mantelfläche eine kleine Fläche („Flick“) eingearbeitet (geläppt) ist. Die Messung erfolgt mittels eines ausgerichteten Normals auf der Prüfmaschine. Als Ergebnis wird die gemessene Tiefe der Flick-Fläche zum sich anschließenden Kreis (d. h. zur ungestörten zylindrischen Fläche) gemessen.
Diese Situation ist in den 1 bis 4 dargestellt. Auf einem Rundtisch 6 ist das Mess-Normal 1 platziert und zentriert zur Drehachse des Rundtisches angeordnet. Das Mess-Normal 1 hat eine erste Messfläche 2, die durch die ungestörte zylindrische Mantelfläche des zylindrischen Mess-Normals 1 gebildet wird. Weiterhin hat es eine zweite Messfläche 3, die als Abflachung der zylindrischen Umfangsfläche des Mess-Normals ausgebildet ist. In 4 ist die Tiefe T der geläppten Fläche dargestellt. Wird nun das Mess-Normal 1 durch Rotation des Rundtisch 6 gedreht, kann der Umfangsbereich des Mess-Normals 1 an einer axialen Position des zylindrischen Körpers mit einem Mess-Taster 5 abgetastet und somit die genannte Messung durchgeführt werden.
Dabei gibt sich bei den vorbekannten Lösungen folgendes Problem:
Zur Systemprüfung sind jeweils eine Prüfkugel und ein „Flick-Standard“ notwendig. Die Herstellung dieser Normale ist aufgrund der geforderten Genauigkeit aufwendig und teuer. Weiterhin haben Flick-Flächen den Nachteil, dass nur in einem einzigen theoretischen Moment (wegen der genau einen Umfangsstelle, die der Drehachse am nächsten liegt) die tiefste Stelle angetastet werden kann, da sich während der Messung der Zylinder dynamisch dreht. Die Messwerte werden als digitale Werte der Drehachse zugeordnet und daraus die Ergebnisse berechnet.
Wenn das Tastsystem, in dem Moment, an dem der tiefste Punkt angetastet wird, gerade keinen Messwert aufnimmt (in Folge der immer nur endlichen Zahl an Digitalisierungsschritten), kann dieser Punkt nicht ermittelt werden. Es ist also eine sehr hohe Digitalisierungsrate notwendig, um diesen Punkt möglichst sicher zu erfassen.
Zusätzlich werden bei der Rundheitsprüfung Tiefpassfilter eingesetzt, um die Rauheit der Werkstückoberfläche aus der Rundheitsmessung zu eliminieren. Diese Filter verfälschen kurze lokale Ereignisse, wie z. B. die kurze Flickfläche, mit abnehmender Filtereinstellung (Wellenanzahl/Umdrehung) und führen zu falschen Ergebnissen. Genormte Filtereinstellungen sind vorgegeben (VDI/VDE 2631 Blatt 3 „Formprüfung - Eigenschaften und Auswahl von Filtern“).
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Mess-Normals zu schaffen, mit dem dieses in einer solchen Weise gefertigt werden kann, dass die oben geschilderte Problematik überwunden werden kann. Ferner soll ein entsprechendes Mess-Normal bereitgestellt werden. Dabei soll der Herstellungsprozess des Mess-Normals einfach und somit kostengünstig sein.
Die Lös u n g dieser Aufgabe durch die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfahren die Schritte aufweist:

a) Herstellen eines Grundkörpers;
b) Abdecken eines Teils der außenliegenden Oberfläche des Grundkörpers mit einer Abdeckung, wobei der abgedeckte Teil der Oberfläche der zweiten Messfläche entspricht;
c) Beschichten des nicht abgedeckten Teils der Oberfläche des Grundkörpers mit einer Materialschicht definierter Dicke;
d) Entfernung der Abdeckung.

Als Grundkörper wird bevorzugt ein Zylinder oder eine Kugel verwendet.
Bei obigem Schritt c) wird vorzugsweise eine Hartstoffbeschichtung auf den Grundkörper aufgebracht. Die Hartstoffbeschichtung ist dabei bevorzugt eine DLC-Schicht („diamond-like carbon“ - Beschichtung).
Bei obigem Schritt b) wird vorzugsweise ein Bereich der Oberfläche des Grundkörpers abgedeckt, der streifenförmig ausgebildet ist. Die Länge des streifenförmigen Bereichs erstreckt sich vorzugsweise über einen Umfangswinkel der äußeren Oberfläche des Grundkörpers zwischen 5° und 60°, vorzugsweise zwischen 15° und 45°; die Breite des streifenförmigen Bereichs erstreckt sich bevorzugt über einen Umfangswinkel der äußeren Oberfläche des Grundkörpers zwischen 2° und 10°.
Das vorgeschlagene Mess-Normal, welches eine abschnittsweise zirkulär umlaufende außenliegende erste Messfläche sowie eine zu dieser radial zurückgesetzte außenliegende zweite Messfläche aufweist, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass ein Grundkörper des Mess-Normals abschnittsweise mit einer Materialschicht versehen ist, wobei der beschichtete Abschnitt die erste Messfläche bildet und wobei ein nicht beschichteter Abschnitt des Grundkörpers die zweite Messfläche bildet.
Der vorliegenden Erfindung liegt also die Überlegung zugrunde, dass für eine sichere und zuverlässige Messung bzw. Überprüfung der Sprung, den die „Flick-Fläche“ darstellt, so lange sein muss, das ein eingesetzter Filter keinen Einfluss mehr auf das Ergebnis hat und ebenfalls genügend Digitalisierungsschritte für die sichere Berechnung der Höhendifferenz zur Verfügung stehen.
Durch die vorgeschlagene Lösung kann das hierfür benötigte Mess-Normal in einfacher Weise bereitgestellt werden. Es kann vorteilhaft auf kostenintensive Fertigungsschritte verzichtet werden, da nicht mehr, wie bislang, die Herstellung sehr präziser radialer Teilflächen auf einem Zylinder mechanisch erfolgen muss.
Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Grundkörper, d. h. das Basiselement, des Mess-Normals ein hochgenauer Zylinder. Derartige Zylinder lassen sich relativ kostengünstig herstellen. Die Fläche, welche für die Beurteilung der Tasterauslenkung benötigt wird (d. h. die „Flick-Fläche“) wird mittels einer Beschichtung, beispielsweise mittels einer DLC-Beschichtung, erzeugt. Beschichtungen auf metallischen Werkstücken lassen sich in der Dicke im Bereich unterhalb 1 Mikrometer relativ problemlos steuern und sind zusätzlich extrem hart und damit verschleißfest.
Dazu wird auf dem Grundkörper der Bereich für die vertieft liegende Fläche (Zylindersegment) abgedeckt und der Rest beschichtet. Es entsteht ein hochgenauer Zylinder mit einem radial vertieft liegenden Zylindersegment, das alle oben genannten Nachteile eliminiert. Insbesondere ist kein Einfluss des Digitalisierungsschrittes mehr gegeben, da sich der „tiefste“ Punkt jetzt über eine gewisse Umfangserstreckung ausdehnt.
Ferner gibt es keinen Einfluss der Tiefpass-Filterung mehr; es kann mit allen zur Verfügung stehenden Filtern gemessen werden, ohne dass der zu bewertende Tasterweg beeinflusst wird.
Somit kann eine sehr kostengünstige Realisierung des Mess-Normals erfolgen.
Möglich ist es dabei auch, dass - in Fortführung des vorgeschlagenen Konzepts - mehrere Schichten, die sich jeweils nur teilweise um den Umfang des Grundkörpers erstrecken, vorgesehen werden, sodass unterschiedliche „Sprunghöhen“ (d. h. Bereiche mit verschiedenem radialen Abstand von der Achse des Grundkörpers) bereitgestellt werden können.
Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Grundkörper als Kugel ausgebildet. Hierbei wird dann ein streifenförmiger Abschnitt der Kugel abgedeckt und der Rest derselben beschichtet.
Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass die Kugel dann für die Beurteilung der Drehtischachse und zusätzlich zur Prüfung der Tasterauslenkung verwendet werden kann. Sie muss hierzu nur entsprechend in zwei unterschiedlichen Positionen positioniert werden.
Weiterhin zeichnet sich diese Lösung durch den Vorteil aus, dass eine weitere Kostenersparnis möglich wird, da lediglich noch ein einziges Mess-Normal für die komplette Prüfung benötigt wird.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

1 in perspektivischer Darstellung ein Mess-Normal gemäß dem Stand der Technik auf einem Rundtisch,
2 in perspektivischer Darstellung das Mess-Normal nach 1 auf dem Rundtisch in gedrehter Position,
3 die Draufsicht auf das Mess-Normal,
4 die Einzelheit „A“ gemäß 3,
5 in perspektivischer Darstellung ein Mess-Normal auf dem Rundtisch, wobei eine erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist,
6 in perspektivischer Darstellung ein Mess-Normal auf dem Rundtisch, wobei eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist, und
7 in der Darstellung gemäß 6 das Mess-Normal in einer verdrehten Position.

Ausgehend von den obigen Erläuterungen zu den 1 bis 4 (die sämtlich die vorbekannte Lösung nach dem Stand der Technik zeigen) ist in 5 ein erfindungsgemäßes Mess-Normal 1 dargestellt. Dieses besteht aus einem Grundkörper 4, der vorzugsweise aus gehärtetem Stahl besteht. Bei der Herstellung des Mess-Normals 1 wurde auf den fertig bearbeiteten Grundkörper eine dünne Schicht aus einem harten Material aufgebracht, wobei hier insbesondere eine Beschichtung in Form des DLC („diamond-like carbon“) vorgesehen ist.
Wie an sich bekannt, kann die Abscheidung einer dünnen Kohlenstoffschicht insbesondere mit dem CVD-Verfahren oder dem PVD-Verfahren erfolgen, also mit dem chemischen oder physikalischen Gasphasenabscheidung-Verfahren. Diese Verfahren sind an sich bekannt, sodass sie hier nicht weiter diskutiert werden müssen.
Wesentlich ist, dass nicht die gesamte Oberfläche des Mess-Normals 1 mit besagter Schicht versehen wird, sondern dass ein (streifenförmiger) Bereich der Oberfläche des Mess-Normals 1 vor der Durchführung der Beschichtung abgedeckt wird. In der Konsequenz ergibt sich nach der Durchführung des Beschichtungsverfahrens eine erste Messfläche, die durch die Oberfläche der Beschichtung gebildet wird, und eine zweite Messfläche, die durch den nicht beschichteten Bereich gebildet wird, der vor dem Beschichtungsprozess abgedeckt wurde.
In 5 ist zu erkennen, dass sich die zweite Messfläche 3 über eine Länge L und eine Breite B erstreckt und insgesamt streifenförmig ausgebildet ist.
Wird nun bei Rotation des Rundtisches 6 das Mess-Normal 1 durch den Mess-Taster abgetastet, werden nacheinander die erste und dann die zweite Messfläche vom Mess-Taster kontaktiert. Nachdem die zweite Messfläche frei von der Beschichtung ist, liegt sie radial tiefer und bildet somit den benötigten zurückgesetzten Bereich zur Durchführung der Messung (siehe die hierzu eingangs gemachten Ausführungen).
Durch die Erstreckung über die Länge L stellt sich auch das Problem nicht mehr, dass trotz einer endlichen Anzahl an Digitalisierungsschritten der tiefste Punkt möglicherweise nicht erfasst wird. Somit wird eine verbesserte Messung möglich.
Während in 5 der Grundkörper 4 als Zylinder ausgeführt ist, gilt dies nicht für das Ausführungsbeispiel nach den 6 und 7. Hier ist der Grundkörper 4 als Kugel ausgebildet, wobei allerdings das oben beschriebene Prinzip genauso angewendet wurde: Die Kugel hat über den Hauptteil ihrer Oberfläche die besagte Beschichtung, während ein streifenförmiger Bereich unbeschichtet geblieben ist und somit einen radial zurückgesetzten Abschnitt bildet.
Wird nun das Mess-Normal 1 in der in 6 dargestellten Position auf dem Rundtisch 6 platziert, kann die erläuterte Messung erfolgen, wobei nacheinander die erste und dann die zweite Messfläche vom Mess-Taster 5 abgetastet werden.
Nunmehr besteht allerdings hier auch die Möglichkeit, das Mess-Normal 1 - wie in 7 dargestellt - verdreht auf dem Rundtisch 6 so anzuordnen, dass beim Vermessen des Umfangs des Mess-Normals 1 der zweite Messbereich nicht mehr kontaktiert wird. In dieser Stellung ist es möglich, die klassische Rundheitsmessung des Tisches durchzuführen.
Der Vorteil liegt darin, dass für beide Messungen nur ein einziges Mess-Normal 1 benötigt wird.
Generell gilt, dass die radial zurückgesetzte zweite Messfläche 3 zumeist zwischen 2,0 und 20,0 µm radial tiefer liegt als die erste Messfläche 2.
Bezugszeichenliste

1: Mess-Normal / Vergrößerungsnormal / Flick-Standard
2: erste Messfläche
3: zweite Messfläche
4: Grundkörper
5: Mess-Taster
6: Rundtisch
T: Tiefe der geläppten Fläche
L: Länge des streifenförmigen Bereichs
B: Breite des streifenförmigen Bereichs

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Mess-Normals (1), welches eine abschnittsweise zirkulär umlaufende außenliegende erste Messfläche (2) sowie eine zu dieser radial zurückgesetzte außenliegende zweite Messfläche (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte aufweist: a) Herstellen eines Grundkörpers (4); b) Abdecken eines Teils der außenliegenden Oberfläche des Grundkörpers (4) mit einer Abdeckung, wobei der abgedeckte Teil der Oberfläche der zweiten Messfläche (3) entspricht; c) Beschichten des nicht abgedeckten Teils der Oberfläche des Grundkörpers (4) mit einer Materialschicht definierter Dicke; d) Entfernung der Abdeckung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundkörper (4) ein Zylinder oder eine Kugel verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schritt c) von Anspruch 1 eine Hartstoffbeschichtung auf den Grundkörper (4) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffbeschichtung eine DLC-Schicht (diamond-like carbon) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schritt b) gemäß Anspruch 1 ein Bereich der Oberfläche des Grundkörpers (4) abgedeckt wird, der streifenförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Länge (L) des streifenförmigen Bereichs über einen Umfangswinkel der äußeren Oberfläche des Grundkörpers (4) zwischen 5° und 60°, vorzugsweise zwischen 15° und 45°, erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Breite (B) des streifenförmigen Bereichs über einen Umfangswinkel der äußeren Oberfläche des Grundkörpers (4) zwischen 2° und 10° erstreckt.
Mess-Normal (1), welches eine abschnittsweise zirkulär umlaufende außenliegende erste Messfläche (2) sowie eine zu dieser radial zurückgesetzte außenliegende zweite Messfläche (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grundkörper (4) des Mess-Normals (1) abschnittsweise mit einer Materialschicht versehen ist, wobei der beschichtete Abschnitt die erste Messfläche (2) bildet und wobei ein nicht beschichteter Abschnitt des Grundkörpers (4) die zweite Messfläche (3) bildet.
Mess-Normal nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (4) ein Zylinder oder eine Kugel ist.
Mess-Normal nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht beschichtete Abschnitt streifenförmig ausgebildet ist.