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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Formabweichungsnormals. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Formabweichungsnormal mit (a) einer Maßverkörperung, die zumindest einen Rauheitskennwert verkörpert und (b) einem Kalibrierschein, in dem zumindest eine Rauheitskennwert rückgeführt gemessen angegeben ist.
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Zur Messung von Formabweichungen, insbesondere eines Rauheitskennwerts, werden Formabweichungsnormale verwendet. Diese müssen rückgeführt kalibriert werden. Das heißt, dass sie anhand primärer Normale kalibriert werden müssen.
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Nachteilig an bisherigen Formabweichungsnormalen ist, dass deren Eigenschaften sich durch die Art der Herstellung mehr oder weniger zufällig ergeben und dass dann an dem hergestellten Formabweichungsnormal die rückgeführte Kalibrierung durchgeführt wird. Der Grund dafür ist, dass mikroskopische Formabweichungen wie die Rauheit in der Regel durch stochastische Prozesse hervorgerufen werden. Es wäre wünschenswert, ein Verfahren zur Herstellung eines Formabweichungsnormal zur Verfügung zu haben, dessen Rauheitskennwert bereits vor der Herstellung - zumindest in gewissen Grenzen - wählbar ist.
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Formabweichungsnormale müssen in der Regel an die spezifische Messaufgabe, in der sie eingesetzt werden, angepasst werden. Eine derartige Anpassung ist bislang kaum möglich. Es ist lediglich möglich, das Formabweichungsnormal mit dem Verfahren zu bearbeiten, mit dem auch die Werkstücke bearbeitet werden, deren Formabweichung mit einem Verfahren kodiert werden soll, das mit Hilfe des Formabweichungsnormals kalibriert wird. Das aber bereitet Schwierigkeiten beim Herstellen des Formabweichungsnormals.
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Es ist möglich, ein Formabweichungsnormal dadurch herzustellen, dass ein Werkstück mit einer einzelnen Schneide gedreht wird. Auf diese Weise kann ein vorgegebenes Rauheitsprofil in das Bauteil eingebracht werden. Diese Art der Herstellung ermöglicht eine quasi-deterministische Gestaltung des Oberflächenprofils.
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Nachteilig ist, dass auf diese Weise nur vergleichsweise weiche Materialien bearbeitet werden können, beispielsweise Messing, das eine Chromschicht aufweist. Das aber bedeutet, dass die Formabweichungsnormale zu einer höheren Messunsicherheit führen, wenn ein Messgerät daran kalibriert werden soll, das danach bei der Vermessung von Bauteilen eingesetzt werden soll, die beispielsweise deutlich härter sind.
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Es ist auch möglich, Formabweichungsnormal, insbesondere Rauheitsnormale, aus härteren Materialien zu verwenden, wobei in diesem Fall das vorzugsweise periodische Oberflächenprofil mit einer Schleifscheibe in das Material geschliffen wird. Die so hergestellte Oberfläche ist jedoch nicht deterministisch, das heißt, nicht vorherbestimmt, sondern zufällig entstanden. Das Oberflächenprofil hängt damit von der individuellen Wechselwirkung der Schleifscheibe mit dem Bauteil ab. Damit ist erst nach der Bearbeitung der tatsächlich verkörperte Rauheitskennwert bekannt.
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Die beiden oben genannten Verfahren können zudem nur für planare Normale eingesetzt werden.
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Wie oben geschildert, ist die Herstellung eines Formabweichungsnormals besonders dann mit einer vergleichsweise hohen Messunsicherheit behaftet, wenn ein Formabweichungsnormal für die Bestimmung von Rauheitskennwerten an gekrümmten Oberflächen, beispielsweise an Flanken von Verzahnungen, hergestellt werden soll.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu vermindern.
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Die Erfindung löst das Problem durch ein Verfahren zum Herstellen eines Formabweichungsnormals, insbesondere eines Rauheitsnormals, mit den Schritten (a) Erzeugen einer Messfläche, die eine Flächenabschnittsanzahl N an Flächenabschnitten, die jeweils ein Querschnittsprofil haben, aufweist, in einem Grundkörper mittels Spanens mit geometrisch unbestimmten Schneiden, wobei (b) die Querschnittsprofile einander entsprechen, wobei (c) das Spanen so durchgeführt wird, dass (i) eine Mehrzahl an Querschnittsprofilen unter jeweils einem Neigungswinkel und/oder mit einem Höhenversatz relativ zum jeweils benachbarten Querschnittsprofil angeordnet ist und/oder (ii) die Querschnittsprofile entlang einer gekrümmten Konturkurve verlaufen.
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Die Erfindung löst das Problem zudem durch ein gattungsgemäßes Formabweichungsnormal, insbesondere ein Rauheitsnormal, bei dem die Maßverkörperung (i) eine Flächenabschnittsanzahl an Flächenabschnitten, die ein Querschnittsprofil haben, aufweist, wobei (ii) eine Mehrzahl an Querschnittsprofilen unter jeweils einem Neigungswinkel und/oder mit einem Höhenversatz relativ zum jeweils benachbarten Querschnittsprofil angeordnet ist und/oder (iii) die Querschnittsprofile entlang einer gekrümmten Konturkurve verlaufen. Wenn die Querschnittsprofile entlang einer gekrümmten Konturkurve verlaufen, so ist es vorteilhaft, wenn die Flächenabschnitte eine Länge von 10 µm bis 500 µm entlang der Konturkurve habe.
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Das Formabweichungsnormal verkörpert vorzugsweise zumindest einen Rauheitskennwert. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass das Formabweichungsnormal zudem andere Formabweichungskennwerte kodiert, beispielsweise einen Welligkeitskennwert.
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Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass der Formabweichungskennwert, insbesondere der Rauheitskennwert, der vom Formabweichungsnormal verkörpert wird, in der Regel vor dem Herstellen der Maßverkörperung wählbar ist. Es ist dadurch möglich, für eine spezifische Messaufgabe genau das Formabweichungsnormal zu fertigen, das zum Kalibrieren der entsprechenden Messgeräte gut geeignet ist.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden die Bearbeitung nach DIN 8589 in der Fassung vom 01.10.2020 verstanden.
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Die Definition der Rauheit und die der Welligkeit ist die der ISO 4287:1997-04.
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Unter dem Merkmal, dass die Querschnittsprofile einander entsprechen, wird insbesondere verstanden, dass die Querschnittsprofile einander so ähnlich sind, dass sie als gleichwertig angesehen werden können. Insbesondere wird unter dem Merkmal, dass die Querschnittsprofile einander entsprechen, verstanden, dass die maximale Rautiefe und/oder der Mittenrauwert aller Querschnittsprofile um höchstens 20 % von der gemittelten Rautiefe Rz bzw. dem gemittelten Mittenrauwert Ra abweicht.
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Die gemittelte Rautiefe Rz und der Mittenrauwert Ra, unter dem der arithmetische Mittenrauwert verstanden wird, sind die nach ISO 4287:1997-04 gemessenen.
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Unter dem Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide wird vorzugsweise ein Schleifen verstanden. Günstig ist es, wenn die Flächenabschnitte so aneinander angrenzen, dass die benachbarten Querschnittsprofile aneinander anschließen. In anderen Worten existiert keine Lücke zwischen zwei benachbarten Querschnittsprofilen.
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Unter dem Merkmal, dass die Flächenabschnitte ein Querschnittsprofil haben, wird insbesondere verstanden, dass alle Flächenabschnitte im Wesentlichen das gleiche Querschnittsprofil haben. Unter dem Merkmal, dass die Flächenabschnitte im Wesentlichen das gleiche Querschnittsprofil haben, wird insbesondere verstanden, dass es möglich ist, dass sich die Querschnittsprofile voneinander unterscheiden, dass die Unterschiede zwischen den einzelnen Flächenprofilen aber so klein sind, dass sie tolerabel sind. Insbesondere unterscheiden sich die Rautiefen und/oder die Mittenrauwerte und/oder die quadratischen Rauheiten zweier Querschnittsprofile vorzugsweise um höchstens 20 %, insbesondere höchstens 50 %, besonders bevorzugt höchstens 10 %.
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Die Flächenabschnitte erstrecken sich vorzugsweise in eine gemeinsame Richtung. Insbesondere verlaufen sie zueinander parallel, das ist aber nicht notwendig. Beispielsweise kann ein Winkel zwischen den Längserstreckungen der Flächenabschnitte von bis zu 15°, insbesondere 10°, tolerabel sein.
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Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass alle Neigungswinkel und/oder alle Höhenversätze gleich sind. Insbesondere ist es auch möglich, dass sich die Neigungswinkel und oder die Höhenversätze von 2, 3, 4 oder mehr Querschnittsprofilen voneinander unterscheiden.
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Vorzugsweise beträgt die Flächenabschnittsanzahl N an Flächenabschnitten zumindest 15. Günstig ist es, wenn die Flächenabschnittsanzahl höchstens 300 beträgt.
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Günstig ist es, wenn eine Breite der Flächen zumindest 10 µm und/oder höchstens 500 µm beträgt. Es hat sich herausgestellt, dass so besonders gut geeignete Formabweichungsnormale erhalten werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte (a) Spanen eines Werkstücks mittels eines Schleifwerkzeugs, sodass eine Werkzeugspur entsteht, (b) Erfassen des Querschnittsprofils der Werkzeugspur, (c) Vorgeben eines Soll-Rauheitskennwerts und (d) Spanen des Werkstücks mittels des Schleifwerkzeugs unter jeweiligen Neigungswinkeln und/oder Höhenversätzen, sodass eine Referenzfläche aus den aneinander anschließenden Querschnittsprofilen gebildet wird, die einen Ist-Rauheitskennwert aufweist, der um höchstens 20 % vom Soll-Rauheitskennwert abweicht. In anderen Worten kann der Ist-Rauheitskennwert bereits vor dem Herstellen des Formabweichungsnormals, insbesondere innerhalb der oben angegebenen Grenze von ± 20% bezüglich der Rautiefe und/oder des Mittenrauwerts, geplant werden.
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Die Werkzeugspur, die auch als Schleifspur bezeichnet werden kann, hat ein Werkzeugspurprofil. Selbstverständlich ändert sich das Werkzeugspurprofil im strengen Sinne mit jeder Benutzung des Schleifwerkzeugs. Die Erfindung beruht aber auf der Erkenntnis, dass die jeweiligen Werkzeugspurprofile einander so ähnlich sind, dass in guter Näherung von nur einem Werkzeugspurprofil ausgegangen werden kann.
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Diese Annahme führt zwangsweise zu Abweichungen zwischen den Querschnittsprofilen, wie sie angenommen werden und den tatsächlich in das Werkstück eingebrachten Querschnittsprofilen. Diese Abweichung ist aber hinreichend klein und erlaubt dennoch eine Planung des Ist-Rauheitskennwerts mit einer hinreichend geringen Unsicherheit.
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Vorzugsweise weist das Verfahren die folgenden Schritte auf: (a) Schleifen eines Flächenabschnitts eines Werkstücks mittels des Schleifwerkzeugs, sodass eine Werkzeugspur entsteht und (b) Schleifen zumindest eines Teils der Werkzeugspur mittels des Schleifwerkzeugs unter einem Höhenversatz und einem Seitenversatz, sodass das Schleifwerkzeug nur in einem Teil des Flächenabschnitts mit dem Werkstück in Eingriff steht, sodass die Werkzeugspur nur in einem Teil verändert wird und zumindest ein Querschnittsprofil entsteht.
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In anderen Worten führt das Schleifen mit dem Höhen- und dem Seitenversatz dazu, dass das zunächst erzeugte Profil in manchen Bereichen, nicht aber in allen Bereichen, verändert wird. Das Werkzeugspurprofil hat einen Werkzeugspurprofil-Spitzezu-Tal-Wert rz. Dies ist die Differenz zwischen der maximalen Erhebung des Werkzeugspurprofils von dessen maximaler Vertiefung. Die Erhebung und die Vertiefung werden relativ zu einer Ausgleichsgeraden gemessen.
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Günstig ist es, wenn der Höhenversatz größer ist als 0,1 · RZ. Vorzugsweise ist der Höhenversatz kleiner als 0,5 · RZ.
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Bei einem erfindungsgemäßen Formabweichungsnormal ist die gekrümmte Konturkurve vorzugsweise eine Evolvente. Das Formabweichungsnormal eignet sich dann besonders gut zum Kalibrieren von Messgeräten, die bei der Qualitätssicherung von Evolventenverzahnungen eingesetzt werden.
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Vorzugsweise haben die Flächenabschnitte eine Breite von 10 µm bis 500 µm. Die Breite ist diejenige Richtung, in der das Querschnittsprofil aufgenommen wird. Demgegenüber ist die Längsrichtung die Richtung senkrecht zur Breitenrichtung und beschreibt die Richtung, in die sich die Körner der Schleifscheibe bewegen, wenn die Werkzeugspur eingestellt wird.
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Vorzugsweise beträgt der Neigungswinkel höchstens 3°. Günstig ist zudem, wenn der Neigungswinkel zumindest 0,28° beträgt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt zumindest für eine Mehrzahl der Querschnittsprofile der Neigungswinkel zumindest 0,28° und höchstens 3°. Der Neigungsmittel wird in dem Falle relativ zum Querschnittsprofil des benachbarten Flächenabschnitts gemessen. Hierunter wird verstanden, dass der Winkel zu einer Ausgleichsgeraden durch das Querschnittsprofil bestimmt wird.
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Günstig ist es, wenn die Konturkurve, insbesondere die Evolvente, über die zumindest die Hälfte ihrer Länge eine Krümmung hat, die größer ist als 0,1 pro Millimeter und höchstens 0,5 pro Millimeter entspricht.
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Günstig ist es, wenn eine Fouriertransformierte ein lokales Maximum bei einer ersten Maximalortsfrequenz hat. Die erste Maximalortsfrequenz entspricht einer ersten Wellenlänge. Die erste Wellenlänge ist größer als die Breite der Flächenabschnitte. In anderen Worten wird durch die Anordnung der Anordnung der Querschnittsprofile relativ zueinander unter verschiedenen Neigungswinkeln eine Welligkeit erzeugt, die größer ist als die Breite der Querschnittsprofile. Auf diese Weise ist es möglich, dass das Formabweichungsnormal nicht nur als Rauheitsnormal, sondern auch als Welligkeitsnormal eingesetzt wird.
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Vorzugsweise hat jedes Querschnittsprofil eine Höhendifferenz, die auch als Spitzezu-Teil-Wert (englisch: Peak-to-Valley-Value) bezeichnet werden kann. Der Höhenversatz liegt vorzugsweise zwischen dem 0,2-fachen und dem 0,8-fachen der Höhendifferenz.
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Vorzugsweise hat die Maßverkörperung eine Härte von zumindest 500 HV 0,1, bevorzugt zumindest 1200 HV30. Vorzugsweise ist die Härte höchstens 2000 HV30. Die Härte wird nach DIN EN ISO 6507 bestimmt.
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Die gemittelte Rautiefe, die vom Formabweichungsnormal verkörpert wird, beträgt vorzugsweise zumindest 0,3 µm. Günstig ist es zudem, wenn diese Rautiefe höchstens 1,5 µm beträgt.
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Der Mittenrauwert, der vom Formabweichungsnormal verkörpert wird, beträgt vorzugsweise zumindest 0,05 µm. Günstig ist es zudem, wenn dieser Mittenrauwert höchstens 0,5 µm beträgt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Formabweichungsnormals,
- 2a eine schematische Ansicht, wie Querschnittsprofile zu einem Profil zusammengesetzt werden und
- 2b das Profil eines erfindungsgemäßen Formabweichungsnormals, das mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde.
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1 zeigt schematisch ein Formabweichungsnormal 10, das eine Maßverkörperung 12 und einen Kalibrierschein 14 umfasst. Im Kalibrierschein 14 ist zumindest ein Rauheitskennwert R angegeben. Der Rauheitskennwert R ist rückgeführt gemessen. Die Maßverkörperung 12 besitzt eine Flächenabschnittsanzahl N an Flächenabschnitten Ai (i = 1, ... N). Jeder der Flächenabschnitte Ai besitzt ein Querschnittsprofil Pi.
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Zum Herstellen einer Maßverkörperung 12 wird ein Werkstück 16 mittels eines Schleifwerkzeugs 18 gespant. Dadurch entsteht jeweils eine Werkzeugspur W. Das Querschnittsprofil P der Werkzeugspur W wird aufgenommen, beispielsweise mittels eines mechanischen oder optischen, insbesondere interferometrischen, Tastschnittgeräts
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2a zeigt ein solches Querschnittsprofil P. Das endgültige Profil wird durch das Verschieben des Querschnittsprofils P um einen Seitversatz Δx und einen Höhenversatz Δz zum Ursprungsprofil erzeugt. Dort, wo das versetzte Profil sich mit dem Ursprungsprofil überlappt, entfernt das Schleifwerkzeug 18 (vgl. 1) Material. Durch Aneinanderreihen des Querschnittsprofils P wird so ein Gesamt-Profil G erhalten.
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Aus diesem Gesamt-Profil G wird ein Rauheitskennwert R berechnet. Gegebenenfalls werden der Seitversatz Δx und/oder der Höhenversatz Δz solange verändert, bis ein gewünschter Soll-Rauheitskennwert RSoll erreicht ist. Danach wird das Werkstück 16 (siehe 1) mit dem Schleifwerkzeug 18 bearbeitet, wobei zwischen jeweils zwei Querschnittsprofilen Pi, Pi+1 der Seitversatz Δx und der Höhenversatz Δz so eingestellt werden, wie er bei der theoretischen Berechnung, die in 2a gezeigt ist, bestimmt wurde.
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Zusätzlich oder alternativ zu einem Höhenversatz Δx kann zwischen zwei Querschnittsprofilen Pi, Pi+1 ein Neigungswinkel φ ausgebildet sein. Der Neigungswinkel φ ist in 2b eingezeichnet und liegt vorzugsweise zwischen 0,28 und 3°. In 2b ist dieser Neigungswinkel φ vergrößert dargestellt, da die Darstellung des Querschnittsprofils P(x) in z-Richtung überhöht ist.
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1 zeigt, dass sich die Flächenabschnitte Ai und damit die Querschnittsprofile Pi entlang einer Konturkurve K erstrecken. Die Konturkurve ist im vorliegenden Fall eine Evolvente. Das heißt, dass die Konturkurve gekrümmt ist.
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Die Flächenabschnitte Ai haben jeweils eine Breite Bi, die im vorliegenden Fall jeweils gleich ist. 2b lässt erkennen, dass eine Welligkeit des Gesamtprofils G dazu führt, dass eine Fouriertransformierte ein Maximum bei einer ersten Wellenlänge λ1 liefert, wobei diese erste Wellenlänge λ1 größer ist als die Breite B. Zumindest ist die erste Wellenlänge λ1 größer als B/2.
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Die Maßverkörperung 12 ist vorzugsweise aus gehärtetem Stahl aufgebaut und hat eine Vickershärte von beispielsweise 1000 HV 30.
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Die Maßverkörperung 12 kann zudem beispielsweise an der Oberfläche eine Nickel-Phosphor-Schicht mit einer Härte von 500 HV 0,1 aufweisen. Es ist auch möglich, dass die Maßverkörperung 12, zumindest an ihrer Oberfläche, aus Hartmetall besteht, das eine Härte von zumindest 1800 HV 30 hat.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Formabweichungsnormal
- 12
- Maßverkörperung
- 14
- Kalibrierschein
- 16
- Werkstück
- 18
- Schleifwerkzeug
- φ
- Neigungswinkel
- λ
- Wellenlänge
- Ai
- Flächenabschnitt
- Bi
- Breite
- G
- Gesamt-Profil
- i
- Laufindex
- K
- Konturkurve
- N
- Flächenabschnittsanzahl
- P
- Querschnittsprofil
- r
- Krümmungsradius
- R
- Rauheitskennwert
- RSoll
- Soll-Rauheitskennwert
- W
- Werkzeugspur
- Δx
- Seitversatz
- Δz
- Höhenversatz
