EP3877556A1 - Verfahren zur bearbeitung eines einen informationsbereich aufweisenden bauteils, bauteil mit einem informationsbereich und messsystem - Google Patents

Verfahren zur bearbeitung eines einen informationsbereich aufweisenden bauteils, bauteil mit einem informationsbereich und messsystem

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Publication number
EP3877556A1
EP3877556A1 EP19805907.3A EP19805907A EP3877556A1 EP 3877556 A1 EP3877556 A1 EP 3877556A1 EP 19805907 A EP19805907 A EP 19805907A EP 3877556 A1 EP3877556 A1 EP 3877556A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
information area
component
permeability
information
marking
Prior art date
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Pending
Application number
EP19805907.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Krall
Friedrich Bleicher
Markus Prießnitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Wien
Original Assignee
Technische Universitaet Wien
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
    • G01D5/2046—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by a movable ferromagnetic element, e.g. a core

Definitions

  • the invention relates to a method for forming an information area of a component according to the preamble of patent claim 1, a component formed by such a method and a measuring system for reading out the information area of such a component.
  • Marking components with stickers that contain, for example, a barcode or a GR code is also widespread.
  • a disadvantage of this method is, however, that the marking is not inseparable from the component and is very poorly protected against environmental influences (temperature, abrasion, UV radiation, moisture, ).
  • keys with magnetic elements are known, which are inserted into the key's beard.
  • the magnets are not inseparable from the key and can be recognized by everyone.
  • Inductive power transmission requires ferromagnetic areas, which are currently realized by different material composites (e.g. conductor track on circuit board). This increases the complexity and space requirements of the assembly.
  • the document DE 102 48 142 B3 discloses a method for producing a magnetically scannable coding of a metallic component, by means of an electromagnetic radiation, for example exposure to a laser beam, changes in structure are generated which result in a change in the
  • magnetic conductivity result. This can then be detected by means of a suitable sensor, for example a magnetic field sensor, in order to read out the code.
  • a suitable sensor for example a magnetic field sensor
  • JP 04259385 A describes a method for forming a coding on a workpiece, in which a ferritic layer is applied to a base body made of austenitic stainless steel, which is then applied by means of laser radiation, so that a laser-induced locally
  • Martensite structure is formed, which is designed according to the marking and can then be read out using a suitable detector.
  • Coercive field strengths are formed, which are applied to a carrier material by a suitable transfer process, for example pressure.
  • the areas with high coercivity are permanently magnetized by means of a magnetic field.
  • a bar code produced in this way can then be applied to the component to be marked.
  • a similar method is described in patent application WO 2018/103528 A1.
  • the invention has for its object to provide a method for producing a component that enables the marking / coding or the formation of an information area of the component with little effort.
  • the invention is also based on the object of creating a component produced by such a method and a measuring system for evaluating the identification of such a component. This object is achieved with regard to the method by the features of patent claim 1, with regard to the component by the features of the independent patent claim 6 and with regard to the measuring system by the features of the independent patent claim 9.
  • the method according to the invention is used to process a component or
  • Workpiece which consists at least in sections of a, preferably metallic, material and which is readable in an information area
  • Information / coding / marking carries.
  • it is designed by reshaping the information area in such a way that one of the
  • the component according to the invention is produced by such a method.
  • the measuring system examines such a component, which is designed with an information area, the changes in permeability formed by reshaping being detected and evaluated by means of a reading head or sensor.
  • the shaping is carried out by mechanical surface hammering (MHP) by means of a surface hammer which is preferably guided over NC axes along the information area, which accordingly can also be designed as a free area.
  • MHP mechanical surface hammering
  • surface hammering can be used in any elastic-plastic forming process or other cold forming, such as, for example, rolling, diamond smoothing, rolling, etc. It is particularly preferred if the contact of the respective tool with the workpiece is discontinuous. According to the invention, it is preferred if the change in permeability takes place by means of a local, deformation-induced structural transformation.
  • This structural transformation can be, for example, a deformation-induced martensite formation on a component consisting of metastable austenitic material.
  • the information / marking / coding can be provided for use in actuators, in measuring technology or as a security level in locking technology or the like.
  • the partial reshaping of the information area also results in a visually perceptible change in the workpiece surface. In the event that this visual change is undesirable, the reshaped area can be removed
  • Forming traces can be reworked or coated.
  • the component according to the invention is formed, at least in sections, from a material whose permeability can be changed by reshaping.
  • the component in the information area consists at least in sections of metastable austenitic steel or a corresponding coating and locally exhibits a deformation-induced martensitic phase.
  • the measuring system examines a component which has an information area designed according to the above statements, the information impressed on this information area being able to be read out by means of a reading head.
  • this reading head is for detecting the magnetic permeability or one of the magnetic permeability
  • the read head / sensor used to detect the change in permeability can have a core made of a soft magnetic material as well as an excitation coil and a Have measuring coil or another device (e.g. Hall sensor) suitable for detecting the magnetic permeability.
  • the core is approximately C-shaped or U-shaped, the excitation coil being arranged on one leg and the measuring coil being arranged on the other leg.
  • an approximately E-shaped core is used, in which case the excitation coil can be arranged on a base of the core and the measuring coil can be arranged on a central leg of the core.
  • the measuring system can be used particularly flexibly if the read head can be moved along the information area by means of suitable NC axes
  • an optical sensor can also be used to detect visually visible structures.
  • the magnetic properties of metastable austenitic steels can be influenced in a determined manner by the targeted use of a cold forming process.
  • the resulting structural change that results in the change in magnetic properties can range from a few micrometers to a few millimeters from the edge zone to the depth of the workpiece.
  • Processing takes place on the component surface and can be carried out on flat surfaces as well as on free-form surfaces. Machining can be carried out with standard NC-guided carrier systems (machining center, robots, guided axes and drives, ). This enables information, codings or Apply markings to metallic surfaces. These are machine-readable using appropriate measuring methods. After the cold forming process, the markings can be recognized or read both manually and automatically. A final surface treatment, such as grinding, coating or another process specified in DIN8580, can be used to remove the machining marks from the surface and make the marking invisible. A mechanical evaluation is still possible without restrictions.
  • the magnetic properties are important properties when classifying and selecting metallic materials.
  • pressure forming processes of metastable austenitic steels especially cold rolling and deep drawing, it is possible that the magnetic permeability increases. This effect is usually undesirable.
  • the invention turns away from this prejudice and proposes, through defined action through a pressure forming process, e.g. mechanical surface hammering, to influence the magnetic permeability of metastable austenitic steels in a targeted manner and to make the effect usable.
  • the effect on which the change in permeability is based is the deformation-induced formation of martensite. It starts as soon as the energy introduced into the workpiece surface exceeds a certain activation energy.
  • pressure forming processes e.g. mechanical surface hammering
  • defined areas of the workpiece can be subjected to a change in the permeability.
  • the measurement can be carried out with passive or active measuring sensors / reading heads.
  • the magnitude of the change in permeability can be determined with a sensor based on a C-core with two coil windings.
  • the edge transitions between processed and unprocessed zones can be done with a sensor based on an E-core with three coil windings or any sensor to detect the magnetic permeability can be effectively detected.
  • Inductive power transmission requires ferromagnetic areas, which are currently realized by different material composites (e.g. conductor track on circuit board). With the method presented here, it is possible to incorporate these magnetically conductive areas directly into the base material.
  • the shaping is carried out - as stated above - preferably by means of a surface hammer, which enables the deformation-induced formation of martensite not only to be formed very specifically in the material, but also with regard to the intensity.
  • a surface hammer is described, for example, in the applicant's subsequently published DE 10 2017 127 021. It is a tool that is in continuous or discontinuous contact with the workpiece surface and that has a geometrically defined tool tip or
  • This tool tip or tool contour consisting of diamond, hard metal, ceramic materials or similar material, exerts a defined force - usually normal to the workpiece surface - on the
  • Combination of both can be moved over the workpiece surface along the longitudinal and transverse axes.
  • markings directly to the piston of a hydraulic cylinder and with one Evaluation device to determine the position.
  • the markings can be made invisible and even with the surface, so that sealing points and fits are not adversely affected.
  • the invention thus shows a number of advantages over the conventional solutions described at the beginning.
  • the marking / coding can either remain visible or be made invisible by a final surface treatment. This could be particularly relevant in safety-critical applications, such as chassis numbers, weapon coding, etc.
  • Surfaces that are invisibly marked can continue to be used as functional surfaces, for example as mating or sealing surfaces.
  • the marking can be read by machine and also processed automatically.
  • the coding can take place in such a way that the use or incorrect operation of a device can be prevented, with a release being possible, for example, by means of a magnetic security mechanism.
  • the marking can be applied on conventional NC systems. No special processing device is required, as is assumed, for example, in those solutions in which the information structure is formed by means of a laser beam.
  • Figure 1 is a schematic view of a surface hammer for performing a method according to the invention
  • Figure 2 shows an embodiment of a measuring system according to the invention
  • FIG. 3 shows a reading head of the measuring system according to FIG. 2 with the associated evaluation unit
  • Figure 4 is a sectional view of the read head according to Figure 3;
  • FIG. 5 shows a core of the read head according to FIG. 4
  • FIGS. 6 to 12 basic representations of a measuring process in which edge detection of an information area of a component processed according to the invention takes place by means of a reading head according to FIGS. 4 and 5;
  • FIG. 13 shows a measurement data evaluation resulting from the measurement method according to FIGS. 6 to 12;
  • FIG. 14 shows an exemplary course of a measurement curve of a continuous edge detection
  • Figure 15 shows another embodiment of a read head with an approximately C-shaped core
  • FIGS. 16 to 20 steps of level measurement by means of a read head according to FIG. 15;
  • FIG. 21 shows exemplary courses of a level measurement with a read head according to FIGS. 15 and
  • FIG. 22 shows a basic illustration of an exemplary embodiment in which the measurement / evaluation system according to the invention is used in a locking device.
  • a component A consisting of a metastable austenitic material is machined by means of a surface hammer 1.
  • the shaping takes place - as stated above - in such a way that local deformation-induced martensite formation is brought about and thus the permeability in the area of action of the deformed areas is increased compared to the austenitic base material.
  • austenite areas and a corresponding change in permeability on a base material with a martensite structure by means of suitable processes
  • the surface hammer 1 has a hammer head 4 made with a hammer insert 2 made of hard metal or other materials, which is set in periodic oscillations by means of a linear actuator 6 according to the invention, which according to DE 10 2017 127 021 is preferably designed as a reluctance linear actuator or can also be held in a continuous system on the workpiece A to be machined.
  • the surface hammer 1 also has a mechanical interface, in the present case a hollow shank taper 8, via which the surface hammer 1 can be inserted into a corresponding tool holder of a machine tool, a robot or the like, so that the surface hammer 1 during machining via NC axes of the Machine tool or the robot is guided.
  • the discrete-time control of the stroke of the linear actuator 6 takes place via an indicated power electronics 10.
  • the surface hammer 1 has a cylindrical housing 12 made of non-magnetically conductive material, to which the hollow shaft cone 8 is attached. Inside the case 12, the linear actuator 6 is mounted, which according to the sectional illustration in FIG. 1 has a stator 14 in which a plurality of coils 16 are arranged axially offset from one another.
  • stator 14 engages around a rotor 18 which, when the coils 16 are energized, performs a defined stroke due to the reluctance force, which stroke is transmitted to the hammer head 4.
  • the rotor 18 is guided over a bearing arrangement with two solid-state bearings 20, 22, the bearing rigidity in the radial direction and in the axial direction being selected such that the desired high positioning accuracy of the hammer head is ensured.
  • the stroke of the rotor 18 is recorded via a distance measuring system 24, which ensures exact positioning of the rotor 18 as a function of the parameters specified via the power electronics 10 and the machine control.
  • an information area 28 of the component A can be processed to form the information structure in such a way that changes in permeability occur which can be evaluated by means of the measurement system for reading out the information / coding / marking, which will be described in more detail below.
  • the term “marking” is used throughout - this term stands for any coding / marking / information which is formed on a component A in the manner according to the invention.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a measuring system 26 according to the invention, with which the changes in permeability are recorded and evaluated with regard to the marking coupled therewith.
  • component A is shown with the formed information area 28 inserted in a vice or in another holder 30, which in turn can be arranged on a rotary table / machine table 32.
  • the information associated with the marking is read out via a reading head 34, the structure of which is described in more detail below.
  • the reading head 34 is inserted into a hollow shaft taper 36 of a spindle 38 of a machining center, via the NC axes of which the reading head 34 can be moved along the information area 28 of the component A in order to read out the information / marking.
  • the read head 34 can be moved over the information area 28 at a constant speed via the NC axes, so that the measurement data are recorded for further processing.
  • the selected measuring chain is shown schematically in Figure 3.
  • the indicated read head 34 is excited with a signal generator 40, for example a frequency generator, which supplies a time-varying, highly frequented signal with moderate excitation voltage amplitudes.
  • a signal generator 40 for example a frequency generator, which supplies a time-varying, highly frequented signal with moderate excitation voltage amplitudes.
  • the output signal of the read head 34 is recorded with a measurement card 42 with an integrated A / D converter and transmitted to an evaluation unit 44.
  • the data is displayed and stored on the evaluation unit 44 by means of special software.
  • a suitable reading head 34 is described in detail below.
  • the read head 34 shown in FIG. 4 consists of a two-part housing 46 with an outer housing 48, in which an inner housing 50 is held adjustably via a spring 52.
  • the inner housing 50 accommodates a sensor 54 which can be applied to the information area 28 of the component A by means of the spring 52 with a constant contact pressure in order to compensate for unevenness.
  • a sensor 54 which can be applied to the information area 28 of the component A by means of the spring 52 with a constant contact pressure in order to compensate for unevenness.
  • the reference number 49 denotes a shaft via which the reading head can be clamped in the hollow shaft cone 36.
  • the sensor 54 shown in FIG. 5 works according to an electromagnetic principle.
  • the approximately E-shaped core 56 consists of a soft magnetic material and is provided with an excitation coil 58, consisting of two windings 5a, 58b, and a measuring coil 60, as shown schematically in FIG.
  • the measuring coil 60 encompasses a middle leg 62 of the core, 56.
  • Two measuring lines 64a, 64b of the measuring coil 60 are then led to the measuring card 42.
  • Excitation coil sections 58a, 58b encompass base sections 66a, 66b of the core 56 which are adjacent to the middle leg 62, excitation lines 70a, 70b in accordance with FIG. 3 being contacted with the signal generator 40.
  • Read head 34 described or advantageously enabled with the sensor 54 and is described below.
  • the excitation coil 58 is excited with a high-frequency sinusoidal AC voltage. This creates an alternating magnetic field which flows through the leg 62 and outer legs 72, 74 of the core 56. The alternating field induces a voltage in the measuring coil 60. This is the output signal of the sensor 54 and is recorded with a voltmeter as an RMS value.
  • FIG. 13 shows a typical measurement curve, created by means of the evaluation unit 44 with the help of the software, which results from the continuous edge detection described above.
  • the upper curve shows the amplitude over time and the lower curve shows the course of the voltage over time.
  • the raw data of the measurement signal is basically available as a voltage-time profile.
  • the known (constant) feed rate can be used to calculate back on the travel path.
  • the measurement curve is thus available as a voltage path curve as shown in FIG. 14. In the context of edge detection, this measurement curve is more meaningful than the time course.
  • FIG. 14 shows 13 areas with a linear course. A clear event can be assigned to each of these areas.
  • Part 1 The sensor 54 is completely outside of the processed field (area 1)
  • Part 2 Entry of the sensor 54 into the processed field (area 2 to 6)
  • Part 3 The sensor 54 is completely within the processed field (area 7)
  • Part 4 Exit of the sensor 54 from the field (area 8 to 12)
  • Part 5 The sensor 54 is (again) completely outside the field (area 13)
  • the first leg 74 of the core 56 passes the edge 76.
  • the second (middle) leg 62 passes the edge 76.
  • the second space passes edge 76.
  • the third leg 72 passes the edge 76.
  • the sensor 54 is completely within the information area 28. 8. Area: The first leg 74 passes the opposite edge 80 of the field.
  • the first space passes the opposite edge 80.
  • the second (middle) leg 62 passes the opposite edge
  • the third leg 72 passes the opposite edge 80.
  • the sensor 54 is (again) completely outside of the information area 28.
  • the beginning of an event is marked by the kink on the left edge of the respective area, the end of the kink on the right edge.
  • the entry of the first leg 74 into the processed field begins with the kink on the left edge of area 2 after a travel of 5 mm.
  • the leg of the core 56 moves further and further over the edge until it is completely within the field at the kink on the right edge, at approximately 7.5 mm.
  • FIG. 15 shows the basic structure of a simple sensor 54 for level measurement.
  • the sensor 54 has an approximately C-shaped core 56 with an excitation coil 58 and a measuring coil 60.
  • the excitation coil 58 encompasses the left leg 72 and the measuring coil 60 encompasses the right leg 74 of the core 56.
  • the base connecting the two legs 72, 74 66 has no winding.
  • This sensor 54 is in turn inserted into the read head 34 according to FIG. 4 with the two-part housing 46, so that it can be held in contact with the component A as shown in FIGS. 16 to 20.
  • the sensor 54 is also operated with the measuring chain according to FIG. 3.
  • the excitation coil 58 is excited with a high-frequency sinusoidal AC voltage. This creates a magnetic alternating field that flows through the legs 72, 74 of the core 56. The changing field in turn induces a voltage in the measuring coil 60. The voltage is the output signal of the sensor 54 and is recorded with a voltmeter as an RMS value.
  • both legs 72, 74 are located on the information area 28 (position 2, FIG. 18), the magnetic resistance is even lower and the output voltage continues to increase.
  • FIG. 21 shows the typical course of measurement curves in the above-described level measurement by means of the C-shaped core 56. Three measurement curves are shown, the measurement curve below representing a one-time processing of the information area 28 by reshaping. The two curves above show multiple processing (double, triple).
  • the edge transition (measuring points 1 and 3) is recognizable, but less pronounced.
  • the measured values at the edges 76, 80 differ less than 3% from the measured value in the middle of the field. Fluctuations of this magnitude can also be expected within the field being worked on. A reliable statement about the position of the edge 76, 80 is therefore only possible with extremely uniform processing and the resulting homogeneous magnetic properties.
  • a locking system 81 shown schematically in FIG. 22, can subsequently be designed, which, as key 82, has a sample body (component) processed by reshaping. Similar to a binary code, a coding 88 is then mechanically applied to the key 82 and this is read out or visualized in a further step.
  • the key 82 that is to say that part of the key 82 on which the beard 86 is usually formed, is made at least in sections from a metastable austenitic material or is coated with such a material.
  • This information area 28 is then processed in the manner described above by reshaping, preferably by means of a surface hammer 1, so that deformation-induced martensite formation is brought about with an associated change in permeability.
  • That part of a The lock 84, into which the beard 86 is inserted, is designed with a reading head 34, which is designed, for example, according to the type described above. The change in the permeability and thus the coding 88 of the key 82 can be read out via this reading head 34.
  • the locking system 81 is only unlocked via the read head 34 if the code 88 read corresponds to the code stored.
  • FIG. 22 Two variants are shown in FIG. 22.
  • An exemplary embodiment is shown in the middle, in which the change in magnetic permeability is carried out with a uniform machining intensity. This means that the marking / coding / information is applied locally with the same processing intensity in each case. The marking is then designed accordingly as a binary code.
  • Marking / coding / information with different processing intensities see Figure 21.
  • the different processing intensity creates, so to speak, a “third dimension” for marking / coding / information storage / transmission, which can then be read out with a correspondingly designed reading head 34, as indicated in FIG. 22 below, so that the security of the locking system with respect to the center solution shown is further improved.
  • this concept can also be applied to the other applications explained above.

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Abstract

Offenbart sind ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Bauteil und ein Messsystem, bei denen ein Informationsbereich des Bauteils durch Umformen codiert/gemarkert ist.

Description

Verfahren zur Bearbeitung eines einen Informationsbereich aufweisenden Bauteils.
Bauteil mit einem Informationsbereich und Messsystem
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden eines Informationsbereichs eines Bauteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , ein nach einem derartigen Verfahren ausgebildetes Bauteil und ein Messsystem zum Auslesen des Informations- bereichs eines derartigen Bauteils.
Bekannte Verfahren zur Markierung von metallischen Bauteilen sind Lasergravur und Schlagziffern. Diese Verfahren eignen sich nur sehr eingeschränkt zur automatischen Auswertung und können durch die Sichtbarkeit des Codes eine Sicherheitslücke dar- stellen, da der Code mechanisch entfernt oder entfremdet werden kann.
Auch die Markierung von Bauteilen mit Aufklebern, die beispielsweise einen Barcode oder einen GR-Code enthalten, ist weit verbreitet. Ein Nachteil dieser Methode ist jedoch, dass die Markierung nicht untrennbar mit dem Bauteil verbunden ist und sehr schlecht gegen Umwelteinflüsse geschützt ist (Temperatur, Abrieb, UV-Strahlung, Feuchtigkeit,...).
In der Schließtechnik sind Schlüssel mit magnetischen Elementen bekannt, die in den Bart des Schlüssels eingesetzt werden. Die Magnete sind als Materialverbund nicht untrennbar mit dem Schlüssel verbunden und sind für jeden zu erkennen.
In der Aktorik sind oft externe Systeme zur Positionsbestimmung erforderlich.
Eine induktive Leistungsübertragung benötigt ferromagnetische Bereiche, die derzeit durch unterschiedliche Materialverbunde (z.B. Leiterbahn auf Platine) realisiert werden. Dadurch steigen die Komplexität und der Platzbedarf der Baugruppe.
Das Dokument DE 102 48 142 B3 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer magnetisch abtastbaren Codierung eines metallischen Bauelementes, wobei mittels einer elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise einer Beaufschlagung mittels Laserstrahl Gefügeveränderungen erzeugt werden, die in einer Änderung der
magnetischen Leitfähigkeit resultieren. Diese kann dann mittels eines geeigneten Sensors, beispielsweise eines Magnetfeldsensors erfasst werden, um den Code auszulesen.
In der JP 04259385 A ist ein Verfahren zur Ausbildung einer Codierung an einem Werkstück beschrieben, bei dem auf einem aus einem austenitischen Edelstahl bestehender Grundkörper eine ferritische Schicht aufgebracht wird, die dann mittels Laserbestrahlung beaufschlagt wird, so dass örtlich eine laserinduzierte
Martensitstruktur entsteht, die entsprechend der Markierung ausgebildet ist und dann mittels eines geeigneten Detektors ausgelesen werden kann.
In dem Dokument GB 2 312 595 A wird vorgeschlagen, zur Ausbildung einer
Markierung einen Strichcode aus einem magnetisierbarem Material auszubilden, wobei die einzelnen Elemente des Strichcodes durch Bereiche mit hoher und niedriger
Koerzitivfeldstärke ausgebildet werden, die durch einen geeigneten Transferprozess, beispielsweise Druck auf ein Trägermaterial aufgebracht werden. Die Bereiche mit hoher Koerzivität werden mittels eines Magnetfeldes dauerhaft magnetisiert. Ein derart hergestellter Strichcode kann dann auf dem zu markierenden Bauteil aufgebracht werden. Ein ähnliches Verfahren ist in der Patentanmeldung WO 2018/103528 A1 beschrieben.
Nachteilig bei den vorbeschriebenen Lösungen ist, dass ein erheblicher vorrichtungs- und fertigungstechnischer Aufwand erforderlich ist, um die Markierung aufzubringen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zu schaffen, das die Markierung/Codierung oder das Ausbilden eines Informationsbereichs des Bauteils mit geringem Aufwand ermöglicht. Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Bauteil und ein Messsystem zum Auswerten der Kennzeichnung eines derartigen Bauteils zu schaffen. Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das Verfahren durch die Merkmale des Patentan- spruchs 1 , im Hinblick auf das Bauteil durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruchs 6 und im Hinblick auf das Messsystem durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruchs 9 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Bearbeiten eines Bauteils oder
Werkstücks, das zumindest abschnittsweise aus einem, vorzugsweise metallischen, Werkstoff besteht und das in einem Informationsbereich eine auslesbare
Information/Codierung/Markierung trägt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, diese durch Umformen des Informationsbereichs derart auszubilden, dass sich eine der
Information/Codierung/Markierung entsprechende Änderung der magnetischen
Permeabilität des Werkstoffes einstellt.
Das erfindungsgemäße Bauteil ist nach einem derartigen Verfahren hergestellt.
Das Messsystem untersucht ein derartiges, mit einem Informationsbereich ausgeführtes Bauteil, wobei die durch Umformen ausgebildeten Änderungen der Permeabilität mittels eines Lesekopfes oder Sensors erfasst und ausgewertet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt das Umformen durch maschinelles Oberflächenhämmern (MHP) mittels eines Oberflächenhammers, der vorzugsweise über NC-Achsen entlang des Informationsbereiches geführt ist, der dementsprechend auch als Freifläche ausgebildet sein kann. Anstelle des
Oberflächenhämmerns kann im Prinzip jedes elastisch-plastische Umformverfahren oder sonstiges Kaltumverformen, wie beispielsweise Rollieren, Diamantglätten, Walzen, etc. verwendet werden. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Kontakt des jeweiligen Werkzeugs mit dem Werkstück diskontinuierlich erfolgt. Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn die Änderung der Permeabilität durch eine örtliche, verformungsinduzierte Gefügeumwandlung erfolgt. Diese Gefügeumwandlung kann beispielsweise eine verformungsinduzierte Martensitbildung an einem aus meta- stabilem austenitischen Werkstoff bestehenden Bauteil sein.
Die Information/Markierung/Codierung kann zum Einsatz in der Aktorik, in der Mess- technik oder als Sicherheitsebene in der Schließtechnik oder ähnlichem vorgesehen sein.
Aus der partiellen Umformung des Informationsbereiches resultiert auch eine visuell wahrnehmbare Veränderung der Werkstückoberfläche. Für den Fall, dass diese visuelle Änderung unerwünscht ist, kann der umgeformte Bereich zur Beseitigung der
Umformspuren nachbearbeitet oder mit einer Beschichtung versehen werden.
Das erfindungsgemäße Bauteil wird zumindest abschnittsweise aus einem Werkstoff ausgebildet, dessen Permeabilität durch Umformen änderbar ist.
Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn das Bauteil im Informationsbereich zumindest abschnittsweise aus metastabilem austenitischen Stahl oder einer entsprechenden Beschichtung besteht und örtlich eine verformungsinduzierte martensitische Phase aufweist.
Wie vorstehend erläutert, untersucht das erfindungsgemäße Messsystem ein Bauteil, das einen gemäß den vorstehenden Ausführungen ausgebildeten Informationsbereich aufweist, wobei die diesem Informationsbereich aufgeprägte Information mittels eines Lesekopfes auslesbar ist. Erfindungsgemäß ist dieser Lesekopf zur Erfassung der magnetischen Permeabilität bzw. einem der magnetischen Permeabilität
entsprechenden Signal ausgelegt, wobei insbesondere auch der örtliche Signalverlauf aufgezeichnet werden kann.
Der zur Erfassung der Permeabilitätsänderung eingesetzte Lesekopf / Sensor kann einen Kern aus einem weichmagnetischen Material sowie eine Erregerspule und eine Messspule oder eine andere, zum Erfassen der magnetischen Permeabilität geeignete Einrichtung (z. B. Hall-Sensor) aufweisen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Kern in etwa C- oder U-förmig ausgebildet, wobei an einem Schenkel die Erregerspule und an dem anderen Schenkel die Messspule angeordnet ist. Bei einer alternativen Form wird ein etwa E-förmiger Kern verwendet, wobei dann die Erregerspule an einer Basis des Kerns und die Mess- spule an einem mittleren Schenkel des Kerns angeordnet sein kann.
Selbstverständlich sind auch andere Kernformen oder Messprinzipien realisierbar.
Das Messsystem ist besonders flexibel verwendbar, wenn der Lesekopf mittels geeig- neter NC-Achsen entlang des Informationsbereiches bewegbar ist, um den
Permeabilitätsverlauf und damit die Informationsstruktur zu erfassen. Es sind auch andere Möglichkeiten, wie z. B. das manuelle oder maschinelle Vorbeiführen
(Förderband) des Bauteils an dem Lesekopf, oder eine tragbare Auswerteeinrichtung ähnlich den bekannten Lesegeräten für herkömmliche Barcodes, realisierbar.
Zusätzlich kann auch ein optischer Sensor verwendet werden, um visuell sichtbare Strukturen zu erfassen.
Einige wichtige Aspekte der Erfindung werden im Folgenden nochmals
zusammengefasst.
Durch die gezielte Anwendung eines Kaltumformprozesses können die magnetischen Eigenschaften von metastabilen austenitischen Stählen determiniert beeinflusst werden. Die dadurch hervorgerufene Gefügeumwandlung, die die Änderung der magnetischen Eigenschaften nach sich zieht, kann sich von wenigen Mikrometern bis hin zu einigen Millimetern von der Randzone in die Tiefe des Werkstückes erstrecken. Die
Bearbeitung findet an der Bauteiloberfläche statt und kann an ebenen Flächen sowie an Freiformflächen durchgeführt werden. Die Bearbeitung kann mit üblichen NC-geführten Trägersystemen durchgeführt werden (Bearbeitungszentrum, Roboter, geführte Achsen und Antriebe,...). Dadurch ist es möglich, Informationen, Codierungen bzw. Markierungen auf metallische Oberflächen aufzubringen. Diese sind durch entsprechende Messverfahren maschinell lesbar. Nach dem Kaltumform prozess sind die Markierungen sowohl manuell als auch automatisiert erkennbar oder lesbar. Durch eine abschließende Oberflächenbehandlung wie z.B. Schleifen, Beschichten oder einem anderen in DIN8580 genannten Verfahren können die Bearbeitungsspuren von der Oberfläche entfernt und die Markierung unsichtbar gemacht werden. Eine maschinelle Auswertung ist weiterhin uneingeschränkt möglich.
Die magnetischen Eigenschaften, insbesondere die magnetische Permeabilität, stellen wichtige Eigenschaften bei der Einteilung und Auswahl von metallischen Werkstoffen dar. Bei Druckumformverfahren von metastabilen austenitischen Stählen, vor allem Kaltwalzen und Tiefziehen, ist es möglich, dass die magnetische Permeabilität ansteigt. Dieser Effekt ist meist unerwünscht. Die Erfindung wendet sich ab von diesem Vorurteil und schlägt vor, durch definiertes Einwirken durch einen Druckumformprozess wie z.B. maschinelles Oberflächenhämmern, die magnetische Permeabilität von metastabilen austenitischen Stählen gezielt zu beeinflussen und so den Effekt nutzbar zu machen.
Der Effekt, der der Permeabilitätsänderung zugrunde liegt ist die verformungsinduzierte Martensitbildung. Sie setzt ein, sobald die in die Werkstückoberfläche eingebrachte Energie eine gewisse Aktivierungsenergie übersteigt. Mithilfe von Druckumform- verfahren, wie z.B. des maschinellen Oberflächenhämmerns, ist es möglich, die zur Martensitbildung notwendige Aktivierungsenergie mit einer guten örtlichen Auflösung in die Werkstückoberfläche einzubringen. Unter Anwendung eines solchen Verfahrens können definierte Bereiche des Werkstücks einer Änderung der Permeabilität unterzogen werden.
Durch unterschiedliche Anzahl an Bearbeitungsdurchgängen stellt sich auch die
Änderung der Permeabilität entsprechend abgestuft ein.
Die messtechnische Erfassung kann mit passiven oder aktiven Mess- sensoren/Leseköpfen erfolgen. Die Größenordnung der Permeabilitätsänderung kann mit einem Sensor auf Basis eines C-Kerns mit zwei Spulenwicklungen erfasst werden. Die Kantenübergänge zwischen bearbeiten und unbearbeiteten Zonen können mit einem Sensor auf Basis eines E-Kerns mit drei Spulenwicklungen oder einem belie- bigen Sensor zur Erfassung der magnetischen Permeabilität effektiv detektiert werden.
Durch die gezielte Beeinflussung der Permeabilität und Möglichkeiten zur messtech- nischen Erfassung der geänderten Permeabilität ergeben sich zahlreiche
Anwendungsmöglichkeiten. Denkbar ist beispielsweise die (unsichtbare) Codierung von metallischen Bauteilen, der Einsatz in der Aktorik und Messtechnik bei der
Positionserfassung oder als zusätzliche Sicherheitsebene bei Schließsystemen.
Induktive Leistungsübertragung benötigt ferromagnetische Bereiche, die derzeit durch unterschiedliche Materialverbunde (z.B. Leiterbahn auf Platine) realisiert werden. Mit dem hier vorgestellten Verfahren ist es möglich, diese magnetisch leitfähigen Bereiche direkt in das Grundmaterial einzubringen.
Das Umformen erfolgt - wie vorstehend ausgeführt - vorzugsweise mittels eines Oberflächenhammers, der es ermöglicht, die verformungsinduzierte Martensitbildung nicht nur örtlich, sondern auch die Intensität betreffend sehr gezielt im Werkstoff auszubilden. Ein derartiger Oberflächenhammer ist beispielsweise in der nachver- öffentlichten DE 10 2017 127 021 der Anmelderin beschrieben. Es handelt sich dabei um ein mit der Werkstückoberfläche kontinuierlich oder diskontinuierlich in Kontakt stehendes Werkzeug, das eine geometrisch definierte Werkzeugspitze oder
Werkzeugkontur aufweist. Diese Werkzeugspitze oder Werkzeugkontur, bestehend aus Diamant, Hartmetall, keramischen Werkstoffen oder ähnlichem Material und übt eine - meist normal zur Werkstückoberfläche - ausgerichtete, definierte Kraft auf die
Oberfläche des Werkstückes aus. Dabei kann sowohl eine starre Werkzeugspitze, bestehend aus einem oder mehreren der zuvor genannten Werkstoffe, als auch ein sich um bis zu drei Freiheitsgrade abrollender Körper (Kugel oder Rolle oder eine
Kombination aus beidem) über die Werkstückoberfläche entlang der Längs- und Querachse bewegt werden. Die Änderung der magnetischen Eigenschaften
(Permeabilität) bleibt auch nach einer Oberflächenbehandlung, beispielsweise durch Schleifen, Beschichten, erhalten und ist mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen.
Mithilfe des vorgestellten Verfahrens ist es beispielsweise möglich, Markierungen direkt auf den Kolben eines Hydraulikzylinders aufzubringen und mit einer Auswertevorrichtung die Position zu bestimmen. Die Markierungen können unsichtbar und eben mit der Oberfläche gemacht werden, so dass Dichtstellen und Passungen nicht nachteilig beeinflusst werden.
Die Erfindung zeigt somit gegenüber den eingangs beschriebenen, herkömmlichen Lösungen eine Reihe von Vorteilen.
Die Markierung/Codierung kann wahlweise sichtbar bleiben oder durch eine ab- schließende Oberflächenbearbeitung unsichtbar gemacht werden. Das könnte insbe- sondere bei sicherheitskritischen Anwendungen, wie beispielsweise Fahrgestell- nummern, Codierung von Waffen, etc. relevant sein.
Unsichtbar markierte Oberflächen können weiterhin als Funktionsflächen, beispiels weise als Pass- oder Dichtflächen eingesetzt werden.
Die Markierung kann maschinell gelesen und auch automatisiert verarbeitet werden.
Abhängig von dem Informationsgehalt der Codierung können vielfältige Auswerte- methoden zum Einsatz kommen.
Die Codierung kann derart erfolgen, dass eine Verwendung oder Fehlbedienung eines Gerätes unterbunden werden kann, wobei eine Freigabe beispielsweise mittels eines magnetischen Sicherheitsmechanismus erfolgen kann.
Das Aufbringen der Markierung kann auf üblichen NC-Systemen erfolgen. Es ist keine spezielle Verarbeitungsvorrichtung erforderlich, wie es beispielsweise bei denjenigen Lösungen vorausgesetzt wird, bei denen die Informationsstruktur mittels Laserstrahl ausgebildet wird.
In Abhängigkeit der eingebrachten Energiemenge bei dem Kaltumformprozess ist es möglich, die Änderung der magnetischen Permeabilität gezielt zu steuern. Dadurch ist es möglich, die Codierung nicht nur wie bei einem Barcode als 0 und 1 sondern auch als Zwischenwerte darzustellen. Der Informationsgehalt ist dadurch nicht nur auf der Oberfläche des Bauteils verteilt, sondern erstreckt sich auch in die Tiefe.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schema- tischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines Oberflächenhammers zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messsystems;
Figur 3 einen Lesekopf des Messsystems gemäß Figur 2 mit der zugehörigen Aus- werteeinheit;
Figur 4 eine Schnittdarstellung des Lesekopfes gemäß Figur 3;
Figur 5 einen Kern des Lesekopfes gemäß Figur 4;
Figuren 6 bis 12 Prinzipdarstellungen eines Messvorganges, bei dem mittels eines Lesekopfes gemäß den Figuren 4 und 5 eine Kantenerkennung eines erfindungsgemäß bearbeiteten Informationsbereiches eines Bauteiles erfolgt;
Figur 13 eine aus dem Messverfahren gemäß den Figuren 6 bis 12 resultierende Mess- datenauswertung;
Figur 14 einen beispielhaften Verlauf einer Messkurve einer kontinuierlichen Kantener- kennung;
Figur 15 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Lesekopfes mit einem etwa C-förmigen Kern;
Figuren 16 bis 20 Schritte einer Pegelmessung mittels eines Lesekopfes gemäß Figur 15; Figur 21 beispielhafte Verläufe einer Pegelmessung mit einem Lesekopf gemäß Figur 15 und
Figur 22 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels, bei dem das erfindungs- gemäßen Mess-/Auswertesystem bei einer Schließeinrichtung verwendet ist.
Gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird ein aus einem metastabilen austenitischen Werkstoff bestehendes Bauteil A mittels eines Oberflächenhammers 1 durch Umformen bearbeitet. Die Umformung erfolgt - wie vorstehend ausgeführt - derart, dass eine örtliche verformungsinduzierte Martensitbildung herbeigeführt wird und somit die Permeabilität im Einwirkbereich der umgeformten Bereiche gegenüber dem austenitischen Grundmaterial erhöht wird. In umgekehrter Weise ist es prinzipiell auch möglich, an einem Grundmaterial mit einem Martensitgefüge durch geeignete Verfahren austenitische Bereiche und eine entsprechende Permeabilitätsänderung
herbeizuführen.
Der Oberflächenhammer 1 hat einen mit einem Schlageinsatz 2 aus Hartmetall oder sonstigen Materialien ausgeführten Hammerkopf 4, der mittels eines erfindungs- gemäßen Linearaktors 6, der gemäß der DE 10 2017 127 021 vorzugsweise als Re- luktanz-Linearaktor ausgeführt ist, in periodische Schwingungen versetzt wird oder aber auch in kontinuierlicher Anlage an dem zu bearbeitenden Werkstück A gehalten werden kann. Der Oberflächenhammer 1 hat des Weiteren eine mechanische Schnittstelle, im vorliegenden Fall einen Hohlschaftkegel 8, über den der Oberflächenhammer 1 in eine entsprechende Werkzeugaufnahme einer Werkzeugmaschine, eines Roboters oder dergleichen eingesetzt werden kann, so dass der Oberflächenhammer 1 während der Bearbeitung über NC-Achsen der Werkzeugmaschine bzw. des Roboters geführt wird.
Die zeitdiskrete Regelung des Hubs des Linearaktors 6 erfolgt über eine angedeutete Leistungselektronik 10.
Der Oberflächenhammer 1 hat ein zylindrisches Gehäuse 12 aus nicht magnetisch leit- fähigem Material, an das der Hohlschaftkegel 8 angesetzt ist. Im Inneren des Gehäuses 12 ist der Linearaktor 6 gelagert, der gemäß der Schnittdarstellung in Figur 1 einen Stator 14 aufweist, in dem eine Vielzahl von Spulen 16 axial versetzt zueinander angeordnet sind.
Der Stator 14 umgreift mit einem Luftspalt einen Läufer 18, der bei Bestromung der Spulen 16 aufgrund der Reluktanzkraft einen definierten Hub durchführt, der auf den Hammerkopf 4 übertragen wird.
Der Läufer 18 ist über eine Lageranordnung mit zwei Festkörperlagern 20, 22 geführt, wobei die Lagersteifigkeit in Radialrichtung und in Axialrichtung so gewählt ist, dass die erwünschte hohe Positioniergenauigkeit des Hammerkopfes gewährleistet ist.
Der Hub des Läufers 18 wird über ein Wegmesssystem 24 erfasst, das eine exakte Positionierung des Läufers 18 in Abhängigkeit von den über die Leistungselektronik 10 und die Maschinensteuerung vorgegebenen Parametern gewährleistet.
Hinsichtlich weiterer Einzelheiten dieses Oberflächenhammers sei auf die Beschreibung der vorgenannten Patentanmeldung verwiesen.
Selbstverständlich kann auch ein Oberflächenhammer anderer Bauart zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden.
Über diesen Oberflächenhammer 1 kann ein Informationsbereich 28 des Bauteils A zur Ausbildung der Informationsstruktur derart bearbeitet werden, dass sich Permeabilitäts- änderungen einstellen, die über das im Folgenden noch näher beschriebene Mess- system zum Auslesen der Information/Codierung/Markierung ausgewertet werden können. In der Folge wird durchgängig der Begriff„Markierung“ verwendet - dieser Begriff steht für jedwede Codierung/Kennzeichnung/Information, die in der erfindungs- gemäßen Weise an einem Bauteil A ausgebildet wird.
Figur 1 zeigt den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Messsystems 26, mit dem die Permeabilitätsänderungen erfasst und im Hinblick auf die damit gekoppelte Markierung ausgewertet wird. In der Darstellung gemäß Figur 2 ist das Bauteil A mit dem umge- formten Informationsbereich 28 in einen Schraubstock oder in eine sonstigen Halterung 30 eingesetzt, die ihrerseits auf einem Rundtisch/ Maschinentisch 32 angeordnet sein kann. Das Auslesen der mit der Markierung verbundenen Information erfolgt über einen Lesekopf 34, dessen Aufbau im Folgenden detaillierter beschrieben wird. Der Lesekopf 34 ist in einen Hohlschaftkegel 36 einer Spindel 38 eines Bearbeitungszentrums eingesetzt, über deren NC-Achsen der Lesekopf 34 entlang des Informationsbereiches 28 des Bauteils A verfahrbar ist, um die Information/Markierung auszulesen.
Über die NC-Achsen kann der Lesekopf 34 beispielsweise mit konstanter Geschwin- digkeit über den Informationsbereich 28 verfahren werden, so dass die Messdaten zur weiteren Verarbeitung aufgezeichnet werden. Die dazu gewählte Messkette ist in Abbildung 3 schematisch dargestellt.
Die Anregung des angedeuteten Lesekopfes 34 erfolgt mit einem Signalgenerator 40, beispielsweise einem Frequenzgenerator, der ein zeitlich veränderliches hoch- frequentes Signal mit moderaten Erregungsspannungsamplituden liefert. Das
Ausgangssignal des Lesekopfes 34 wird mit einer Messkarte 42 mit integriertem A/D- Wandler aufgenommen und an eine Auswerteeinheit 44 übertragen. Die Darstellung und Speicherung der Daten an der Auswerteeinheit 44 erfolgt mittels einer speziellen Software.
Weitere Einzelheiten des Lesekopfes 34 werden anhand Figur 4 erläutert.
Bei der maschinellen Auswertung ist es von besonderem Interesse, die Übergänge zwischen bearbeitetem und unbearbeitetem Material zu detektieren. Ein dazu geeig- neter Lesekopf 34 wird im Folgenden detailliert beschrieben.
Der in Figur 4 dargestellte Lesekopf 34 besteht aus einem zweiteiligen Gehäuse 46 mit einem Außengehäuse 48, in dem ein Innengehäuse 50 über eine Feder 52 verstellbar gehalten ist. Das Innengehäuse 50 nimmt einen Sensor 54 auf, der zum Ausgleich von Unebenheiten über die Feder 52 mit einem konstanten Anpressdruck in Anlage an den Informationsbereich 28 des Bauteils A angelegt werden kann. In der Darstellung gemäß Figur 4 ist lediglich ein etwa E-förmiger Kern 56 des Sensors/Messaufnehmers 54 dar- gestellt. Weitere Einzelheiten werden anhand Figur 5 erläutert. Mit dem Bezugszeichen 49 ist ein Schaft bezeichnet, über den der Lesekopf in dem Hohlschaftkegel 36 gespannt werden kann.
Der in Figur 5 dargestellte Sensor 54 arbeitet nach einem elektromagnetischen Prinzip. Der etwa E-förmige Kern 56 besteht aus einem weichmagnetischen Material und ist mit einer Erregerspule 58, bestehend aus zwei Wicklungen 5a, 58b, und einer Messspule 60 versehen, wie sie in Figur 5 schematisch dargestellt sind. Die Messspule 60 umgreift dabei einen mittleren Schenkel 62 des Kerns, 56. Zwei Messleitungen 64a, 64b der Messspule 60 sind dann zur Messkarte 42 geführt.
Erregerspulenabschnitte 58a, 58b umgreifen zum mittleren Schenkel 62 benachbarte Basisabschnitte 66a, 66b des Kerns 56, wobei Erregerleitungen 70a, 70b gemäß Figur 3 mit dem Signalgenerator 40 kontaktiert sind.
Wie bereits erwähnt, ist das Detektieren von Übergängen zwischen Bereichen unter- schiedlicher Permeabilität von besonderem Interesse. Das wird mit dem hier
beschriebenen Lesekopf 34 bzw. mit dem Sensor 54 vorteilhaft ermöglicht und ist im Folgenden beschrieben.
Die Erregerspule 58 wird mit einer hochfrequenten sinusförmigen Wechselspannung angeregt. Dadurch entsteht ein magnetisches Wechselfeld, das durch den Schenkel 62 sowie außenliegende Schenkel 72, 74 des Kerns 56 fließt. Das Wechselfeld induziert in der Messspule 60 eine Spannung. Diese ist das Ausgangssignal des Sensors 54 und wird mit einem Voltmeter als RMS-Wert erfasst.
Im Ausgangszustand (Position 0, Figur 6) sind alle drei Schenkel 62, 72, 74 des Kerns 56 durch das gleiche Material (austenitischer Bereich) des Bauteils A verbunden. In Abhängigkeit der Erregungsparameter stellt sich eine bestimmte Ausgangsspannung ein. Der exakte Wert ist zunächst nicht relevant, da die Kantenerkennung auf der relati- ven Änderung der Ausgangsspannung basiert. Befindet sich ein Schenkel 74 des Kerns 65 auf einem schraffiert dargestellten
Informationsbereich 28 höherer magnetischer Permeabilität (Position 1 , Figur 7), wird die Symmetrie des magnetischen Kreises gestört. Aufgrund der Wicklungsrichtungen der Spulen 58, 60 und der Orientierung des Sensors 54 ergibt sich eine Erhöhung der Ausgangsspannung.
Das gilt weiterhin, wenn sich zwei Schenkel 62, 74 des Kerns 56 auf einem Bereich höherer Permeabilität befinden (Position 2, Figur 8). Die Erhöhung der Ausgangs- spannung ist auch davon abhängig, wie weit die Schenkel 72, 74 von der Kante 76 entfernt sind. Die Änderung der Ausgangsspannung ist also ein kontinuierlicher
Ausschlag, der in etwa linear verläuft.
Sobald sich alle Schenkel 62, 72, 74 des Kerns 56 auf dem Bereich höherer
Permeabilität befinden (Position 3, Figur 9), ist die Symmetrie wieder hergestellt. Die Ausgangsspannung ist nun von der Permeabilität des Bereiches abhängig und unter- scheidet sich von der auf Position 0 gemessenen Spannung.
Sobald der erste Schenkel 74 auf einen Bereich geringerer Permeabilität heraus- wandert, ist die Symmetrie des magnetischen Kreises wieder gestört (Position 4, Figur 10). Da sich jetzt der rechte Schenkel 74 auf einem Bereich mit deutlich veränderter Permeabilität befindet, kommt es aufgrund der Wicklungsrichtungen der Spulen 58, 60 und der Orientierung des Sensors 54 zu einer Abschwächung der Ausgangsspannung.
Wenn sich zwei Schenkel 62, 74 auf einem Bereich geringerer Permeabilität (Martensit) befinden (Position 5, Figur 11 ), kommt es weiterhin zu einer Abschwächung der Aus- gangsspannung. Auch hier ergibt sich, abhängig von der exakten Position der Schenkel 62, 72, 74 in Relation zu der weiteren Kante 80, wieder ein kontinuierlich verlaufender Ausschlag.
Sobald sich alle Schenkel 62, 72, 74 des Kerns 56 wieder auf einem Bereich gleicher Permeabilität (Martensit) befinden (Position 6, Figur 12), herrscht wieder Symmetrie.
Die Ausgangsspannung entspricht dem in Position 0 (Figur 6) gemessenen Wert. Figur 13 zeigt eine typische, mittels der Auswerteeinheit 44 mit H ilfe der Software er- stellte Messkurve, die sich bei der vorbeschriebenen kontinuierlichen Kantenerkennung einstellt. Dabei zeigt die obere Kurve die Amplitude über der Zeit und die untere Kurve den Verlauf der Spannung über der Zeit.
Es ist anzumerken, dass die Rohdaten des Messsignals grundsätzlich als Spannungs- Zeitverlauf vorliegen. Über die bekannte (konstante) Vorschubgeschwindigkeit kann auf den Verfahrweg rückgerechnet werden. Damit liegt die Messkurve als Spannungs- Wegverlauf vor wie sie in Figur 14 dargestellt ist. Diese Messkurve ist im Kontext der Kantenerkennung aussagekräftiger als der zeitliche Verlauf.
In Figur 14 sind 13 Bereiche mit linearem Verlauf zu erkennen. Jedem dieser Bereiche ist ein eindeutiges Ereignis zuordenbar.
Der gesamte Verlauf der Kurve in Figur 14 lässt sich grundsätzlich in fünf Teile aufspalten:
Teil 1 : Der Sensor 54 ist vollständig außerhalb des bearbeiteten Feldes (Bereich 1 ) Teil 2: Eintritt des Sensors 54 in das bearbeitete Feld (Bereich 2 bis 6)
Teil 3: Der Sensor 54 ist vollständig innerhalb des bearbeiteten Feldes (Bereich 7) Teil 4: Austritt des Sensors 54 aus dem Feld (Bereich 8 bis 12)
Teil 5: Der Sensor 54 ist (wieder) vollständig außerhalb des Feldes (Bereich 13)
Die Ereignisse der einzelnen Bereiche sind im Folgenden erläutert.
1 . Bereich: Der Sensor 54 ist vollständig außerhalb des bearbeiteten Feldes.
2. Bereich: Der erste Schenkel 74 des Kerns 56 passiert die Kante 76.
3. Bereich: Der erste Zwischenraum des Kerns 56 passiert die Kante 76.
4. Bereich: Der zweite (mittlere) Schenkel 62 passiert die Kante 76.
5. Bereich: Der zweite Zwischenraum passiert die Kante 76.
6. Bereich: Der dritte Schenkel 72 passiert die Kante 76.
7. Bereich: Der Sensor 54 ist vollständig innerhalb des Informationsbereichs 28. 8. Bereich: Der erste Schenkel 74 passiert die gegenüberliegende Kante 80 des Feldes.
9. Bereich: Der erste Zwischenraum passiert die gegenüberliegende Kante 80.
10. Bereich: Der zweite (mittlere) Schenkel 62 passiert die gegenüberliegende Kante
80.
11. Bereich: Der zweite Zwischenraum passiert die gegenüberliegende Kante 80.
12. Bereich: Der dritte Schenkel 72 passiert die gegenüberliegende Kante 80.
13. Bereich: Der Sensor 54 ist (wieder) vollständig außerhalb des Informations- bereichs 28.
Der Beginn eines Ereignisses wird dabei von dem Knick am linken Rand des jeweiligen Bereichs markiert, das Ende vom Knick am rechten Rand. So beginnt beispielsweise der Eintritt des ersten Schenkels 74 in das bearbeitete Feld (Informationsbereich 28) mit dem Knick am linken Rand von Bereich 2, nach 5 mm Verfahrweg. Innerhalb des Be- reiches 2 wandert der Schenkel des Kerns 56 immer weiter über die Kante, bis er bei dem Knick am rechten Rand, bei etwa 7,5 mm, zur Gänze innerhalb des Feldes ist.
Figur 15 zeigt den Grundaufbau eines einfachen Sensors 54 zur Pegelmessung. Der Sensor 54 hat einen etwa C-förmigen Kern 56 mit einer Erregerspule 58 und einer Messspule 60. Die Erregerspule 58 umgreift dabei den linken Schenkel 72 und die Messspule 60 den rechten Schenkel 74 des Kerns 56. Die die beiden Schenkel 72, 74 verbindende Basis 66 trägt keine Wicklung.
Dieser Sensor 54 ist wiederum in den Lesekopf 34 gemäß Figur 4 mit dem zweiteiligen Gehäuse 46 eingesetzt, so dass er gemäß der Darstellung in den Figuren 16 bis 20 in Anlage an dem Bauteil A gehalten werden kann.
Der Sensor 54 wird ebenfalls mit der Messkette gemäß Figur 3 betrieben.
Die Erregerspule 58 wird, wie bei der zuvor beschriebenen Messung, mit einer hoch- frequenten sinusförmigen Wechselspannung angeregt. Dadurch entsteht ein magne- tisches Wechselfeld, das durch die Schenkel 72, 74 des Kerns 56 fließt. Das Wechsel- feld induziert wiederum in der Messspule 60 eine Spannung. Die Spannung ist das Ausgangssignal des Sensors 54 und wird mit einem Voltmeter als RMS-Wert erfasst.
Im Ausgangszustand (Position 0, Figur 16) sind alle Schenkel 72, 74 des C-Kerns 56 außerhalb des Informationsbereiches 28. In Abhängigkeit der Erregungsparameter stellt sich eine bestimmte Ausgangsspannung ein.
Befindet sich ein Schenkel 74 auf dem Informationsbereich 28 mit höherer Permeabilität (Position 1 , Figur 17), verringert sich der magnetische Widerstand und die
Ausgangsspannung steigt.
Wenn sich beide Schenkel 72, 74 auf dem Informationsbereich 28 befinden (Position 2, Figur 18) ist der magnetische Widerstand noch geringer und die Ausgangsspannung nimmt weiter zu.
Sobald sich der erste Schenkel 74 wieder außerhalb des Informationsbereiches 28 befindet (Position 3, Figur 19), nimmt der magnetische Widerstand wieder zu und die Ausgangsspannung fällt ab.
Sobald sich beide Schenkel 72, 74 wieder außerhalb des Informationsbereiches 28 befinden (Position 4, Figur 20), stellen sich der magnetische Widerstand und damit die Ausgangsspannung wie zu Beginn in Position 0 ein.
Figur 21 zeigt den typischen Verlauf von Messkurven bei der vorbeschriebenen Pegel- messung mittels des C-förmigen Kerns 56. Dabei sind drei Messkurven abgebildet, wo- bei die untenliegende Messkurve eine Einmalbearbeitung des Informationsbereiches 28 durch Umformen darstellt. Die beiden darüber liegenden Kurven zeigen eine Mehrfach- bearbeitung (zweifach, dreifach).
Aus diesem Kurvenverlauf lässt sich eindeutig ableiten, dass die Martensitbildung durch eine Mehrfachbearbeitung gefördert wird und somit die Intensität der Bearbeitung auch Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften des Werkstoffes nimmt. Somit steht neben einer zweidimensionalen Codierung auch eine weitere Ebene zur Informations- speicherung zur Verfügung.
Aus Figur 20 ergibt sich des Weiteren, dass bei der Pegelmessung mit C-Kern 56 eine deutliche Unterscheidung der Probefelder (Informationsbereich 28) in der Mitte (Mess- punkt 2) möglich ist. Der RMS-Pegel ist außerhalb der Felder (Informationsbereich 28) bei allen Proben identisch. Es kann eine Aussage darüber getroffen werden, ob sich der Sensor innerhalb eines bearbeiteten Feldes befindet und wenn ja, in welchem Feld er ist.
Der Kantenübergang (Messpunkt 1 und 3) ist zwar erkennbar, aber weniger stark ausgeprägt. Die Messwerte an den Kanten 76, 80 unterscheiden sich weniger als 3% von dem Messwert in der Mitte des Feldes. Schwankungen in dieser Größenordnung sind auch innerhalb des bearbeiteten Feldes zu erwarten. Eine zuverlässige Aussage über die Position der Kante 76, 80 ist daher nur bei ausgesprochen gleichmäßiger Bearbeitung und daraus resultierenden homogenen magnetischen Eigenschaften möglich.
Zur Verwertung der Technologie ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten, wie unter anderem die Informationsspeicherung an Werkstoffoberflächen. Betrachtet man die Möglichkeit, Informationen mechanisch speichern zu können, so kann in weiterer Folge ein in Figur 22 schematisch dargestelltes Schließsystem 81 entworfen werden, welches als Schlüssel 82 einen durch Umformen bearbeiteten Probenkörper (Bauteil) besitzt. Ähnlich einem Binärcode wird dann eine Codierung 88 auf den Schlüssel 82 mecha- nisch aufgebracht und diese in einem weiteren Schritt ausgelesen bzw. visualisiert.
Wie vorstehend ausgeführt, ist beispielsweise der Schlüssel 82, d.h. derjenige Teil des Schlüssels 82, an dem üblicherweise der Bart 86 ausgebildet ist, zumindest abschnitts- weise aus einem metastabilen austenitischen Material hergestellt oder mit einem der- artigen Material beschichtet. Dieser Informationsbereich 28 wird dann in der vorbe- schriebenen Weise durch Umformen, vorzugsweise mittels eines Oberflächenhammers 1 bearbeitet, so dass eine verformungsinduzierte Martensitbildung mit einer damit einhergehenden Änderung der Permeabilität bewirkt wird. Derjenige Teil eines Schlosses 84, in den der Bart 86 eingeführt wird, ist mit einem Lesekopf 34 ausgeführt, der beispielsweise nach der vorbeschriebenen Bauart ausgebildet ist. Über diesen Lesekopf 34 kann die Änderung der Permeabilität und damit die Codierung 88 des Schlüssels 82 ausgelesen werden. Über den Lesekopf 34 wird das Schließsystem 81 nur dann entsperrt, wenn die ausgelesene Codierung 88 der abgelegten Codierung entspricht.
In Figur 22 sind dabei zwei Varianten dargestellt. In der Mitte ist ein Ausführungs- beispiel gezeigt, bei dem die Änderung der magnetischen Permeabilität mit einer einheitlichen Bearbeitungsintensität erfolgt. Das heißt, die Markierung/Codierung/In- formation wird örtlich mit jeweils gleicher Bearbeitungsintensität aufgebracht. Dem- entsprechend ist dann die Markierung als Binärcode ausgebildet.
Bei der in Figur 22 unten dargestellten Variante erfolgt die Ausbildung der
Markierung/Codierung/Information mit unterschiedlichen Bearbeitungsintensitäten (siehe Figur 21 ). Durch die unterschiedliche Bearbeitungsintensität wird sozusagen eine „dritte Dimension“ zur Markierung/Codierung/lnformationsspeicherung/-übertragung geschaffen, die dann bei entsprechend ausgelegtem Lesekopf 34, wie in Figur 22 unten angedeutet, ausgelesen werden kann, so dass die Sicherheit des Schließsystems gegenüber der mittig dargestellten Lösung weiter verbessert ist. Selbstverständlich lässt sich dieses Konzept auch auf die sonstigen, vorstehend erläuterten Anwendungen übertragen.
Offenbart sind ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Bauteil und ein Messsystem, bei denen ein Informationsbereich des Bauteils durch Umformen codiert/gemarkert ist. Bezugszeichenliste:
A Bauteil
1 Oberflächenhammer
2 Hartmetalleinsatz
4 Hammerkopf
6 Linearaktor
8 Hohlschaftkegel (HSK)
9 Werkzeugaufnahme
10 Leistungselektronik
12 Gehäuse
14 Stator
16 Spule
18 Läufer
20 Festkörperlager
22 Festkörperlager
24 Wegmesssystem
26 Messsystem
28 Informationsbereich
30 Halterung
32 Rundtisch/Maschinentisch 34 Lesekopf
36 HSK
38 Spindel
40 Signalgenerator
42 Messkarte
44 Auswerteeinheit
46 Gehäuse
48 Außengehäuse
49 Schaft
50 Innengehäuse
52 Feder
54 Sensor Kern
Erregerspule
Messspule
mittlerer Schenkel
Messleitung
Basis
Erregerleitung
außen liegender Schenkel außen liegender Schenkel
Kante
Kante
Schließsystem
Schlüssel
Schloss
Bart
Codierung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bearbeiten eines zumindest abschnittsweise aus einem, vorzugs- weise metallischen, Werkstoff bestehenden, Bauteils, das in einem Informations- bereich (28) eine auslesbare Information/Codierung/Markierung (88) - im
Folgenden Markierung genannt - trägt, dadurch kennzeichnet, dass die
Information ausgebildet wird, indem durch gezieltes, definiertes Umformen des Informationsbereichs (28) örtlich, vorzugsweise auch die Intensität betreffend, eine der Markierung entsprechende Änderung der magnetischen Permeabilität des Werkstoffs herbeigeführt wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 , wobei das Umformen durch ein elastisch- plastisches Umformverfahren, wie beispielsweise dem maschinellen
Oberflächenhämmern (MHP) oder anderen Kaltumformverfahren, wie Rollieren, Diamantglätten, Walzen etc. erfolgt, vorzugsweise durch ein System mit diskontinuierlichem Werkstückkontakt, wobei die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Bauteil vorteilhaft mithilfe von NC-geführten Systemen erfolgt.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Änderung der magnetischen Permeabilität durch eine örtliche verformungsinduzierte Gefügeumwandlung, insbesondere durch eine verformungsinduzierte Martensitbildung an einem metastabilen austenitischen Werkstoff, erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der
Informationsbereich (28) eine Codierung (88) hat, die zum Einsatz in der Aktorik, Messtechnik, als Sicherheitsebene in der Schließtechnik, der
Markierung/Codierung/Kennzeichnung von Bauteilen zum Zwecke der
Nachverfolgbarkeit oder ähnlichem ausgelegt ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Umformspuren nach dem Umformen durch Feinbearbeitung entfernt oder überdeckt werden.
6. Bauteil, das in einem Informationsbereich eine auslesbare Informationsstruktur trägt, die nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche auf den Informationsbereich (28) übertragen wird.
7. Bauteil nach Anspruch 6, bei dem zumindest der Informationsbereich (28) aus einem Werkstoff besteht, dessen Permeabilität durch Umformen änderbar ist.
8. Bauteil nach Anspruch 7, wobei zumindest der Informationsbereich (28)
abschnittsweise aus einem austenitischen Stahl besteht und örtlich eine
verformungsinduzierte martensitische Phase aufweist.
9. Messsystem für ein Bauteil, das einen nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildeten Informationsbereich (28) trägt und mit einem Lesekopf (34) zur Erfassung der Permeabilität und zur Generierung eines dem Permeabilitätsverlauf im Informationsbereich entsprechenden Signals.
10. Messsystem nach Anspruch 9, wobei der Lesekopf (34) einen Kern (56) aus
einem weichmagnetischen Material sowie zumindest eine Erregerspule (58) und eine Messspule (60) hat.
11. Messsystem nach Anspruch 10, wobei der Kern (56) etwa eine C-Form oder etwa eine E-Form aufweist, wobei die Spulen (58, 60) jeweils an einem Schenkel (62, 72, 74) und/oder einer Basis (66) des Kerns (56) angeordnet sind.
12. Messsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Lesekopf (34) oder das Bauteil manuell oder maschinell relativ zum Informationsbereich (28) bewegt wird oder den gesamten Informationsbereich ohne Relativbewegung erfasst.
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