WO2013149775A1 - Verfahren zum kalibrieren einer messvorrichtung zur oberflächenprüfung basierend auf barkhausenrauschen für eine vorbestimmte bauteilgeometrie - Google Patents

Verfahren zum kalibrieren einer messvorrichtung zur oberflächenprüfung basierend auf barkhausenrauschen für eine vorbestimmte bauteilgeometrie Download PDF

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WO2013149775A1
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WO
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component
barkhausen noise
surface hardness
measuring device
calibration curve
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PCT/EP2013/054229
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Oliver Bleicher
Herman Yakaria
Yiwen Xu
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/725—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables by using magneto-acoustical effects or the Barkhausen effect
    • G—PHYSICS
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    • G01N27/80—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating mechanical hardness, e.g. by investigating saturation or remanence of ferromagnetic material

Definitions

  • the invention relates to a method for calibrating a measuring device for surface inspection based on Barkhausen noise for a predetermined component geometry and a corresponding measuring device.
  • damage may occur in the context of surface treatment.
  • a common form of surface damage is so-called grinding burn, e.g. may occur during tooth grinding for generating the final contour of toothed components.
  • chemical etching processes are known from the prior art.
  • Nital beauens the component to be tested is treated with various acids and alkalis, which after the treatment on color changes to the component surface damage and especially grinding burn is recognizable.
  • the Nitaliseren is on the one hand environmentally unfriendly and on the other hand causes very high costs for the maintenance and disposal of the acids and alkalis used.
  • it is a subjective test method in which the surface damage is assessed by discoloration by human experts. Nital etching is therefore not suitable for testing the surfaces of components in the context of large-scale production.
  • Barkhausen noise analysis is also known from the prior art, with which the surfaces of ferromagnetic materials can be tested by means of corresponding sensors without damage.
  • the documents EP 0 100 009 A1 and DE 43 33 830 A1 describe methods for surface analysis taking into account Barkhausen noise.
  • the Barkhausen noise Analysis is based on the so-called Barkhausen jumps, which result from the re-magnetization of ferromagnetic materials with a slowly increasing field strength of a magnetic field.
  • Ferromagnetic materials consist of small magnetic regions (so-called domains) with uniform magnetization directions. The domains are separated from each other by bloch walls in which the magnetization direction changes across the wall width. A movement of the Bloch walls can be caused by an external magnetic field.
  • the resulting magnetization When a coil is brought into the vicinity of the ferromagnetic component at the same time, the resulting magnetization generates an electrical pulse in the coil.
  • the addition of the pulses gives a noise-like signal, which is also called Barkhausen noise or Barkhausen noise signal.
  • the Barkhausen noise signal depends on the surface condition and in particular on the surface hardness.
  • the Barkhausen noise signal can be used to detect grinding burn because the surface hardness decreases during grinding firing.
  • Barkhausen noise does not depend on the surface condition of the component alone, but also on other factors and in particular the component geometry
  • a suitable calibration of a measuring device for Barkhausen noise analysis for the corresponding component geometry is required.
  • Component geometry is understood here and below to mean the specification of the dimensions of the component, as defined, for example, in a design drawing.
  • the calibration for a predetermined component geometry designed very complex, because it must be used for this purpose several components with this geometry, which were specifically produced with different surface damage, such as different grinding burn stages. The production can be done for example by grinding components with stepped deliveries. The components thus produced are tested with the measuring device to be calibrated, ie the corresponding Barkhausen noise signals are detected by the measuring device.
  • the components are classified with respect to their surface damage by Nitaliseren, so that the surface damage can be correlated with the Barkhausen noise signals.
  • this calibration process must be performed for each component geometry.
  • a new calibration of the measuring device when replacing the sensor body of the measuring device necessary.
  • the targeted generation of surface damage or grinding burn in practice is very difficult.
  • the Barkhausen noise analysis is therefore currently poorly suited for series measurement of components with a large variety of variants.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for simple and rapid calibration of a measuring device for surface inspection based on Barkhausen noise for a predetermined component geometry.
  • a first calibration curve independent of the component geometry is predefined, which describes the relationship between surface hardness values and measured Barkhausen noise signals.
  • This curve is independent of the component geometry in the sense that it is valid for any (arbitrary) component geometry.
  • the curve is preferably determined for a predetermined material, so that the calibration is valid only for components of the predetermined material.
  • the first and the second reference component which will be described below, consist of the predetermined material.
  • the first calibration curve is preferably predetermined such that it is kept in a corresponding memory in the measuring device.
  • the first calibration curve describes the rough relationship between surface hardness values and Barkhausen noise signals. It reflects the trend of changing the Barkhausen noise signal when changing the surface hardness of any component.
  • the first calibration curve must therefore be determined only once and can then be used for any component geometries. The determination of the first calibration curve is described in more detail below.
  • a first reference component and a second reference component are used as part of the calibration. In this case, for the first reference component, which corresponds to the predetermined component geometry and has a first surface hardness value, a first Barkhausen noise signal is determined with the measuring device to be calibrated.
  • a second Barkhausen noise signal is determined with the measuring device to be calibrated.
  • a first and a second reference component can be produced, which differ in their surface hardness, without the need for complicated steps to produce surface damage on the components.
  • the first calibration curve is fitted to the first Barkhausen noise signal at the first surface hardness value and to the second Barkhausen noise signal at the second surface hardness value, whereby known curve fitting methods are used for this purpose can be.
  • the measured Barkhausen noise signal of the component can be assigned to a surface hardness value.
  • the calibration method according to the invention requires only two reference components whose Barkhausen noise signals are detected during the calibration.
  • a geometry-dependent second calibration curve can be determined in a suitable manner.
  • surface hardness values which are usually correlated with certain surface damage, can be determined by the Barkhausen noise signal.
  • the first calibration curve is fitted in such a way that the value of the second calibration curve is at the first surface hardness value corresponds to the first Barkhausen noise signal and the value of the second calibration curve corresponds to a second surface value of the second Barkhausen noise signal. If necessary, other curve fits can also be used in which the second calibration curve does not run exactly through the first or second Barkhausen noise signal.
  • one or more predetermined surface hardness values are assigned, via the second calibration curve, respective limit values of the Barkhausen noise signal.
  • various component damage can be represented by limiting values of the Barkhausen noise, with the corresponding surface damage being detected by the measuring device when the limit values are exceeded or fallen short of.
  • the predetermined component damage, for which respective limits of the Barkhausen noise signal are determined concern grinding burn stages of a component made by grinding.
  • the component to be tested is a toothed wheel.
  • the first calibration curve used during the calibration is an experimentally determined calibration curve.
  • the experimental determination is preferably designed such that for a number of components different levels of experimentally determined surface damage with surface hardness values are correlated by measuring the surface hardness and the different levels of experimentally determined surface damage via the measurement of Barkhausen noise with Barkhausen noise signals are correlated. Since both correlations are linked via the levels of surface damage, a correlation between surface hardness values and Barkhausen noise signals and thus the first calibration curve can be determined.
  • the components used to determine the first calibration curve may have different geometries and in particular do not have to correspond to the predetermined component geometry for which the measuring device is to be calibrated.
  • the experimental determination of surface damage is done in a preferred Embodiment on the Nitalussien already described above. Nital etching, however, only has to be performed once for a specific material and not for every component geometry.
  • a predetermined production process for producing the component is predetermined in each case for the first reference component and the second reference component. If the manufacturing process for the components is performed, this ensures that two components with different surface hardness values are generated.
  • the manufacturing process is in particular configured such that the reference components have a uniform surface hardness, so that a substantially constant Barkhausen noise signal is present when measuring the reference components in the measuring device to be calibrated.
  • the manufacturing process of the second reference component differs from the manufacturing process of the first reference component exclusively in that the manufacturing process of the second reference component comprises an additional step of heat treatment of the component.
  • the manufacturing process of the second reference component comprises an additional step of heat treatment of the component.
  • an upper and a lower limit value for the surface hardness of the component with the predetermined component geometry are predetermined, these limits being assigned a lower and upper limit value for the Barkhausen noise signal via the second calibration curve.
  • the upper and lower limits of the surface hardness specify a tolerance range which is specified in particular in the design drawing of the component with the predetermined component geometry. It should be ensured that this tolerance range is not left. This can be achieved by appropriately setting upper and lower limits for the Barkhausen noise signal using the second calibration curve. If the corresponding limit values are exceeded or fallen below, this can then be detected by the calibrated measuring device.
  • the calibration is adapted again within the component during testing of a component.
  • a surface area without surface damage is determined for a just tested with the measuring device component with the predetermined component geometry, wherein in the case that the minimum Barkhausen noise signal in the surface area without surface damage is greater than the Barkhausen noise signal of the first reference component, the lower limit of the Difference between these two Barkhausen noise signals is raised and the upper limit is changed depending on this difference.
  • This variant of the invention makes use of the knowledge that as a rule there is an area without surface damage in every component. As a result, the limit values can be adapted even more specifically to the specific component. The detailed description sets forth how a surface area without surface damage can be suitably determined from the corresponding Barkhausen noise signals of the tested device.
  • a self-calibration of the device also takes place via the cumulative number of components measured in series.
  • a total signal of the Barkhausen noise is determined, which z. B. may be the average of all along the surface of the component measured Barkhausen noise signal.
  • a statistical evaluation of total signals of several identical components in a start-up phase before the series measurement is used to determine a level of significance with which a tolerance range for the overall signal is determined during the series measurement for each overall signal, whereby a departure from the tolerance range is detected ,
  • an outlier detection of the overall signals is carried out using methods known per se, wherein the significance level is adjusted as a function of whether the outlier is a component with or without surface damage.
  • the surface Damage can be detected by methods known per se, such as hardness measurement or residual stress measurement.
  • the adaptation of the significance level is in particular such that in the event that an outlier represents a component without surface damage, the significance level is set smaller, whereby the tolerance range is greater.
  • the tolerance range is also adapted as needed during the series measurement. In the series measurement, it is determined randomly for total signals outside the tolerance range whether the corresponding component to which the overall signal is assigned has a surface damage, the tolerance range being increased if the component has no surface damage.
  • the invention further relates to a surface inspection measuring apparatus based on Barkhausen noise for a predetermined component geometry.
  • a first, independent of the component geometry calibration curve is stored in a memory of the measuring device, which describes the dependence between surface hardness values and measured Barkhausen noise signals.
  • a first Barkhausen noise signal can be determined with the measuring device during its calibration.
  • a second reference component which corresponds to the predetermined component geometry and has a second surface hardness value which is smaller than the first surface value
  • a second Barkhausen noise signal can be determined with the measuring device during its calibration.
  • the measuring device comprises a computer unit, with which a second calibration curve is determined during the calibration of the measuring device, by the first calibration curve hardness value to the first Barkhausen noise signal on the first surface and the second Barkhausen noise signal is fitted on the second surface hardness value the second calibration curve during operation of the measuring device, the measured Barkhausen noise signal of a component with the predetermined component geometry hardness value can be assigned to a surface.
  • the measuring device according to the invention is preferably designed such that one or more of the preferred variants of the calibration method according to the invention can be carried out with the device.
  • Figure 1 is a schematic representation of the measurement process based on Barkhausen noise for a gear.
  • Fig. 3 is a diagram illustrating the experimentally determined relationship between the surface hardness and the grinding edge step of a gear wheel
  • Fig. 5 is a schematic representation showing the manufacture of first and second reference components based on an embodiment of the invention
  • FIG. 6 is a diagram showing the determination of a second calibration curve based on the first calibration curve according to an embodiment of the invention
  • FIGS. 7 and 8 are schematic diagrams illustrating modification of thresholds for the Barkhausen noise signal for components being measured based on an embodiment of the invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing the detection of outliers in the context of the statistical evaluation of Barkhausen noise signals based on an embodiment of the method according to the invention.
  • the method according to the invention based on a calibration of a measuring device for surface inspection of components in the form of gears will be explained below. Nevertheless, the invention is also applicable to any other components.
  • the final contour of the gears was generated by means of gear grinding. In this grinding process, the allowance is machined by abrasive grains. As a result, the local temperatures at the contact zones can change so much that thermal microstructural changes occur. These thermal microstructural changes are often referred to as grinding burn. It is an object of the embodiment of the method according to the invention described here, to detect components which have abrasive-burn damage on the surface via a correspondingly calibrated measuring device.
  • grinding burns occur when the component-specific tempering temperature is exceeded and occurs in the form of damage to the ground, whereby the hardness of the affected area on the component decreases. A drastic increase in temperature and subsequent cooling by cooling lubricant results in a harder surface. This form of grinding burn is also called re-hardening.
  • damage to gears is detected by means of a measuring device based on Barkhausen noise.
  • Barkhausen noise is measured by applying an external magnetic field at corresponding points on the surface of the component being tested. Through a coil of conductive wire, the resulting magnetization generates an electrical pulse in the coil, which depends on the surface hardness. By adding the electrical impulse x, receives you get a noisy signal.
  • the RMS value of the Barkhausen signal is used as the measured value, which results from the following formula:
  • the abbreviation mp known per se represents the magnetic parameter.
  • Fig. 1 illustrates a measurement curve for determining the Barkhausen noise for a gear.
  • a tooth gap of the gear is reproduced in a perspective view. This tooth gap is between the two teeth 101 and 102, which are only partially shown.
  • a corresponding sensor head of the measuring device is moved along measuring lines M1 to M4, the Barkhausen noise signal being continuously measured in the method. 1 shows, by way of example, a measuring course in which the measuring head, starting from the point PS1, moves first to the surface point PS2 at the tooth 101 and then along the measuring line M1 to the point PS3. Subsequently, another measurement takes place from the point PS4 to the point PS5 along the measuring line M2.
  • the tooth 102 is first measured along the measuring line M3 from the point PS6 to the point PS7 and finally along the measuring line M4 from the point PS8 to the point PS9. 1 shows a sectional view of the tooth 102 in the right-hand part. It can be seen that the measuring lines M3 and M4 are perpendicular to the plane of the page. In this case, the size h represents the tooth height that can be used for the measurement, and the corresponding distances of the measurement lines M3 and M4 from the lower or upper end of the usable tooth height are indicated by b m / 2. The distance between M3 and M4 is denoted by x.
  • Component influenced For example, a reduction of the printing properties leads to an increase in the Barkhausen noise amplitude. When changing the hardness, the opposite is observed, ie with increasing hardness the Barkhausen- noise amplitude from. This effect is used in the embodiment of the Barkhausen noise analysis described here to metrologically record the component state with respect to the surface hardness and to put it into relation with grinding firing.
  • the Barkhausen noise analysis measures the hardness or the properties of components not directly, but indirectly over the Barkhausen noise
  • a suitable calibration of the measuring device used is required.
  • the Barkhausen noise signal which is also referred to below as the BNA signal
  • the BNA signal also depends on the component geometry, so that a corresponding calibration of the measuring device for the component geometry to be measured is required.
  • a limit value for the BNA signal or its amplitude is defined via the calibration, this limit value correlating with a state of the component in which the component is located shortly before the formation of the grinding burn.
  • corresponding limits for different levels of grinding firing may also be established by calibration.
  • a component-independent first calibration curve of the BNA signals for the evaluation of surface damage or grinding burn is assumed, which is stored in advance in the corresponding measuring device.
  • This first calibration curve is then fitted by means of the Barkhausen noise signals, which are measured for the mentioned reference components with the measuring device, as further below is explained in more detail.
  • the resulting second calibration curve can then be used to correlate corresponding surface hardness values or grinding burn stages with limit values of the Barkhausen noise signal.
  • warnings can then be issued when the limit values are exceeded or fallen below or the component can be classified from waste.
  • the corresponding limit values of the Barkhausen noise signals can be adapted again within the framework of a statistical evaluation of the measured values of a single component for this component.
  • the component-specific limit values can optionally be adapted again by the statistical evaluation of the measured values from a plurality of components measured in series.
  • FIG. 2 shows a diagram which clarifies the variables required in the context of the calibration strategy according to the invention and their determination.
  • a component-independent first calibration curve or corresponding basic limit values of the BNA signals is determined, which illustrate the fundamental correlations of the BNA signal for hardness or grinding burn for arbitrary components.
  • the determination of the fundamental correlations takes place z. B. on analogy.
  • the correlations to be determined are generally dependent on the material material used and can be determined by means of various experimental methods. For example, the surface grinding method of round carburizing samples or the gear grinding of certain components or a laser burn simulation can be used. In this way, grinding burn can be made with different strengths for corresponding components.
  • the components do not have to correspond in geometry to the components measured later via the measuring device, since only a trend of the Barkhausen noise signals as a function of grinding burn must be detected.
  • the thermally damaged components is finally tested by Nitaliseren for grinding burn. From this, the grinding burn stages are derived, which result from corresponding discoloration on the component surface in the context of Nitaliserens.
  • the components will be treated at defined locations with abrasive burn damage using Barkhausen noise analysis. measure up. For measurement, any measuring device can be used. In particular, the measuring device to be calibrated does not have to be used for this purpose. At the defined locations with grinding firing, hardness measurements are also carried out with another method.
  • the measured BNA signals can be assigned to the corresponding component surface hardness at specific measuring points.
  • a correlation between the BNA signals and the component surface hardness is established by a regression equation, whereby a first calibration curve is obtained.
  • the correlation between abrasive burn stages and component surface hardness can be described mathematically by a regression equation.
  • FIG. 3 shows a determined relationship between grinding burn stages ascertained via Nital etching and surface hardening of components determined using a separate method.
  • the surface hardness SH (measured in HV1) and along the ordinate the grinding burners S between the values 0 and 10 are reproduced.
  • the Barkhausen noise signals on the damaged surfaces of the components can then be made a correlation of these signals with the surface hardness and thereby the first calibration curve C1 are obtained, which is indicated in Fig. 4.
  • the associated Barkhausen noise signals BN are plotted for different surface hardness values SH, wherein the calibration curve C1 was determined via a suitable polynomial fit.
  • the first calibration curve is used to derive device specific BNA limits.
  • a rough, maximum permissible limit value for the BNA signal of a component with a predetermined structural Partial geometry determined using purposefully prepared master components are used.
  • master components correspond to the components that are later to be measured by the calibrated measuring device. That is, the master components have the same component geometry or the same dimensions as the components to be tested and they also consist of the same material.
  • the insights gained from the determination of the first calibration curve are individually adjusted for each component type. This takes into account the fact that the BNA signals are not only dependent on the surface hardness but also on the component geometry.
  • the two master components are produced by targeted heat treatment processes.
  • the first master component corresponds to the state "good”, ie the burn-free state is represented by this first master component
  • the second master component corresponds to the state "bad”. That is, the abrasive burn damaged condition is represented by this master component.
  • the master components are manufactured according to a predetermined manufacturing sequence, examples of manufacturing sequences being illustrated in FIG. 5.
  • a master component is initially present in the input state
  • a soft machining such as hobbing for gear cutting or Rotierfräsen edge chipping.
  • a heat treatment such as carburizing, direct curing and tempering at a temperature of about 170 ° C for one hour.
  • a first cleaning of the component takes place via shot peening.
  • a hard fine finish is carried out immediately after cleaning, such as surface grinding of the end face, internal cylindrical grinding of bores or combination grinding of toothings the first master component with the state "good".
  • the same steps are also carried out for the second master component with the condition "bad", wherein in addition to the first component cleaning and before the hard fine machining, a controlled heat treatment by tempering at 320 ° C for two hours, whereby grinding burn is simulated.
  • the BNA signal or a suitable mean value of the signal for the first reference component and the second reference component is determined.
  • the BNA signal of the second reference component is greater than the BNA signal for the first reference component due to the surface damage and a lower hardness associated therewith.
  • the corresponding correlations between component surface hardness SH and BNA signal BN are then used to match the first calibration curve C1. This is illustrated in FIG. 6. This figure shows, analogously to FIG. 4, the calibration curve C1.
  • the tuple of surface hardness SH1 and associated Barkhausen noise signal BN1 for the first reference component is represented by P1.
  • the tuple P2 shows the correlation between the surface hardness SH2 and the Barkhausen noise signal BN2 for the second reference component.
  • the calibration curve C1 is adjusted to the values P1 and P2 in such a way that the calibration curve continues to show the trend of the dependence of the Barkhausen noise on the surface hardness, but passes through the points P1 and P2 or close to these points.
  • a correspondingly adapted calibration curve is reproduced in FIG. 6 as second curve C2.
  • the corresponding polynomial equations for the calibration curve C1 (upper equation) and for the calibration curve C2 (lower equation) are reproduced for the illustrated scenario.
  • a lower limit for the component surface hardness is predetermined, which is predetermined for the corresponding component to be tested. If this surface hardness is undershot, it is assumed that grinding burns are present.
  • this limit value of the hardness can now be linked to a corresponding upper limit value of the Barkhausen noise signal, wherein when the upper limit value is exceeded
  • Limit value is assumed that the component is subject to abrasive fire.
  • the lower limit value for the component surface hardness SH has been set at 700 HV1. Over the second calibration curve C2, this results in an upper limit for the Barkhausen noise signal at about 32 mp.
  • a limit value of the maximum component surface hardness is also specified for the component to be tested. This surface hardness must not be exceeded, otherwise the component becomes brittle. Excessively high surface hardnesses can be caused, for example, by errors in the heat treatment or by grinding burn in the form of re-hardening.
  • a lower limit value of the BNA signal is also determined via the calibration curve C2 based on the maximum value of the surface hardness.
  • a correspondingly calibrated device detects the corresponding exceeding of the upper or lower limit of the lower limit value of the measured BNA signal. Corresponding messages or an error signal are then output, indicating that the surface inspection of the component deviates from the standard and the component should therefore be discarded.
  • a component-internal self-calibration of the measuring device for the component being measured is also made for each measurement of a component, which is valid only for this component.
  • This self-calibration will be described in detail below and is also shown in FIG.
  • the background of the method of self-calibration is that the BNA measurement signals depend not only on the surface hardness of many other influencing factors. Examples of this are the toothing geometry (tooth width dimension), the creation of the measuring program for sensor guidance of the measuring device, the sensor wear and the like. Due to the experience, however, there is no abrasive component damaged in series production, which does not have a good range with a surface hardness in the standard.
  • the basic idea of the component self-calibration is based on this knowledge. That is, the good area on a part to be measured where no grinding burn is present is defined as the reference area. This reference range is classified as the first master component described above. Based on the BNA signals in the reference range, the limit values for the BNA signal described above are then suitably shifted or adjusted.
  • the self-calibration is divided into the following steps in the embodiment described here:
  • the dominant characteristic can be for a gear z. For example, be determined whether large differences in the signals corresponding to the grid squares for different tooth flanks or for different peripheral areas occur. This makes it possible to determine in a suitable manner by comparing the differences as to whether the characteristic dominates concentricity errors or of random loops. According to the dominant characteristic, a good range for a tooth flank or a peripheral portion of the gear is then suitably determined. This good range has the lowest BNA signals, and the minimum value of the BNA signals in that reference range is then used to adjust the limits, as described below.
  • FIG. 7 shows the corresponding definition of a good reference range with low BNA signals for the characteristic of a concentricity error.
  • Individual circumferential sections are specified by ring segments along the circumference of the gearwheel.
  • the area B1 was identified as the reference area. This area thus has no surface damage.
  • the two adjacent areas B2 are circumferential sections with higher BNA measured values, which represent transition areas to the area B3 with the highest BNA signal and thus the highest risk of grinding burns.
  • the BNA signal for the gear 1 is reproduced as a curve L1.
  • the curve L2 represents the Barkhausen noise signal measured along the circumference of the first reference component.
  • the lower limit value GW1 and the upper limit value GW2, which were determined on the basis of the calibration curve C2, are reproduced, as described above.
  • the area B1 is now considered without the surface damage.
  • the curve L2 is shifted to the minimum value of the BNA signal of the curve L1 within this range, which is indicated by the curve L3.
  • the adjustment of the lower limit value GW1 then takes place in accordance with this shift, which can be seen from FIG. 8.
  • the lower limit value GW1 is shifted upward as shown in FIG. 8 by the displacement path between curves L2 and L3.
  • the shifted limit value is designated GW1 'and indicated by a dashed line.
  • a shift of the upper limit value GW2 also takes place. In this case, the upper limit GW2 is shifted downward and then leads to the modified limit GW2 ', which in turn is indicated by a dashed line.
  • the size and direction of the shift of the limit value GW2 can be determined beforehand by a suitably fixed ratio.
  • the ratio may be 1.
  • the upper limit as far and in the same direction as the lower limit shifted.
  • a suitable ratio is determined based on one or more influencing variables which influence the limit values and thus the BNA signals.
  • One such influencing factor is eg the sensor wear.
  • the calculation of a corresponding ratio for the influencing variable sensor wear runs in such a way that the corresponding calibration curves C2 according to FIG. 6 are determined for a measuring device with a severely worn sensor and a measuring device with a less worn sensor and from this the upper and lower limit values for the differently worn sensors are determined.
  • the quotient of the change of the upper limit value is formed as a function of the sensor wear and the change of the lower limit value as a function of sensor wear.
  • This ratio thus represents the factor with which the upper limit value is shifted as a function of the change in the lower limit value according to FIG. 8.
  • the ratio may optionally be negative, which is also the case in Fig. 8, where the shift of the lower limit upward results in a shift of the upper limit down.
  • ratios for several influencing variables can also be used to determine the ratio, such as e.g. different gearing geometries, different contact conditions between sensor and surface and the like. If the ratios for several influencing variables are determined, that ratio is used for determining the shift of the upper limit value, which had the most dominant influence on the change of the limit values. This can be determined by how strong the changes of the limit values were in the assessment of the corresponding influencing variable.
  • a continuous calibration takes place during the series production of the components.
  • statistical methods are used.
  • a total signal of the Barkhausen noise is determined for the successively tested identical components. This signal is, for example, the average of all Barkhausen noise signals that were determined for a surface of a component.
  • the overall signals are determined by several identical components. Starting from an initial statistical significance level, outliers in the form of outliers are identified using a classic statistical outlier detection method, such as the Grubbs outlier test. In this case, a corresponding tolerance range for the total signal is determined for each component on the significance level.
  • Components whose overall signal is outside the tolerance range are identified as outliers and initially classified as damaged. These components are cross-checked with another test method, such as hardness measurement or residual stress measurement. If the component is classified as undamaged after the cross check, the significance level is reduced and thus the tolerance range is increased. Thus, after the recalculation of the tolerance range, the component is no longer identified as damaged. In the event that the corresponding component, which was detected as an outlier, is classified as damaged after the cross check, the significance level remains unchanged and thus also the tolerance range. If necessary, it is also possible to countercheck those components whose signals are within the tolerance range, but are located in the vicinity thereof (eg at 80% of the corresponding limits of the tolerance range).
  • the significance level is increased so that the tolerance range is narrowed. This process is used to adjust the level of significance so that both the non-recognition of damaged components and the incorrect classification of components without surface damage as damaged components is avoided as possible.
  • this significance level is finally used in the series measurement of the components as a further criterion for determining damaged components.
  • FIG. 9 In this diagram along the abscissa the corresponding numbers N of the successively measured in series components and along the ordinate the total signals BN determined for these components of Barkhausen noise are indicated. The signals form the line L4. Further, the lower and upper limits GW1 and GW2 are shown in analogy to FIG. 7 and FIG. 8, respectively. For each new value of the overall signal is over the significance level determined in the start-up phase determines a corresponding tolerance range, which is represented by a lower limit G1 and an upper limit G2. In Fig.
  • an outlier A which represents a component with a signal which is outside the tolerance range.
  • This component is then classified as damaged, whereupon, for example, a corresponding message can be output by the measuring device.
  • an optimization of the tolerance range can also take place within the scope of the series measurement.
  • a runaway is randomly checked to see whether the component is actually damaged. If this is not the case, the significance level and thus the tolerance range are adjusted.
  • the variant of a statistical evaluation of the Barkhausen noise signals of components in series measurement just described is also indicated in FIG.
  • the embodiments of the method according to the invention described above have a number of advantages.
  • the calibration effort for limiting value determination or for limiting value adjustment is substantially reduced in comparison to conventional calibration methods.
  • the calibration uses a coarse calibration curve independent of the geometry of the component and performed on a fundamental basis for each material to determine correlations between appearance (burn-up by nital etching), physical component property (component surface area), and measure (BNA Signal) with respect to a particular material.
  • These basics are then component-adapted by using two additional master components with and without surface damage for calibration, which produce the correlations of the BNA signals with respect to the type of component to be tested.
  • a suitable adjustment of the coarse calibration to the BNA signals of the master components thus determines a suitable limit value for surface damage and, in particular, for grinding burn. If necessary, this calibration can be improved by two further methods.
  • the limit value can be suitably adapted again via an in-component self-calibration.
  • a tolerance range can be set once again via the statistical evaluation of mass-produced components in order to determine components with surface damage.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Messvorrichtung zur Oberflächenprüfung basierend auf Barkhausenrauschen für eine vorbestimmte Bauteilgeometrie. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine erste, von der Bauteilgeometrie unabhängige Kalibrationskurve (C1 ) vorgegeben wird, welche die Abhängigkeit zwischen Oberflächenhärtewerten (SH) und gemessenen Barkhausenrausch-Signalen (BN) beschreibt. Für ein erstes Referenzbauteil, das der vorbestimmten Bauteilgeometrie entspricht und einen ersten Oberflächenhärtewert (SH1 ) aufweist, wird ein erstes Barkhausenrausch-Signal (BN1 ) mit der Messvorrichtung ermittelt. Ferner wird für ein zweites Referenzbauteil, das der vorbestimmten Bauteilgeometrie entspricht und einen zweiten Oberflächenhärtewert (SH2) aufweist, der kleiner als der erste Oberflächenhärtewert (SH1 ) ist, ein zweites Barkhausenrausch-Signal (BN2) mit der Messvorrichtung ermittelt. Schließlich wird eine zweite Kalibrationskurve (C2) ermittelt, indem die erste Kalibrationskurve (C1 ) an das erste Barkhausenrausch-Signal (BN1 ) an dem ersten Oberflächenhärtewert (SH1 ) und an das zweite Barkhausenrausch-Signal (BN2) am zweiten Oberflächenhärtewert (SH2) gefittet wird, wobei über die zweite Kalibrationskurve (C2) im Betrieb der Messvorrichtung das gemessene BarkhausenrauschSignal (SH) eines Bauteils (1 ) mit der vorbestimmten Bauteilgeometrie einem Oberflächenhärtewert (SH) zugeordnet werden kann.

Description

Verfahren zum Kalibrieren einer Messvorrichtunq zur Oberflächenprüfunq basierend auf Barkhausenrauschen für eine vorbestimmte Bauteilqeometrie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Messvorrichtung zur Oberflächenprüfung basierend auf Barkhausenrauschen für eine vorbestimmte Bauteilgeometrie und eine entsprechende Messvorrichtung.
Bei der industriellen Herstellung von Bauteilen können im Rahmen der Oberflächenbearbeitung Beschädigungen auftreten. Insbesondere bei der Serienfertigung von Bauteilen ist es deshalb erforderlich, mit einem geeigneten Prüfverfahren solche Schädigungen zu erkennen, so dass die geschädigten Bauteile ausgesondert werden können bzw. der Fertigungsprozess zur Vermeidung der Schädigungen ange- passt werden kann.
Eine häufig auftretende Form von Oberflächenschädigungen ist sog. Schleifbrand, der z.B. beim Verzahnungsschleifen zur Erzeugung der Endkontur von verzahnten Bauteilen auftreten kann. Zur Erkennung von Oberflächenschädigungen bzw. von Schleifbrand sind aus dem Stand der Technik chemische Ätzverfahren bekannt. Im Rahmen des sog. Nitalätzens wird das zu prüfende Bauteil mit verschiedenen Säuren und Laugen behandelt, wobei nach der Behandlung über Farbveränderungen am Bauteil Oberflächenschädigungen und insbesondere Schleifbrand erkennbar wird. Das Nitalätzen ist zum einen umweltunfreundlich und verursacht zum anderen sehr hohe Kosten für die Wartung und Entsorgung der verwendeten Säuren und Laugen. Ferner ist es ein subjektives Prüfverfahren, bei dem die Oberflächenschädigung über Verfärbung durch menschliche Experten beurteilt wird. Zur Prüfung der Oberflächen von Bauteilen im Rahmen einer Großfertigung ist Nitalätzen deshalb nicht geeignet.
Aus dem Stand der Technik ist ferner die sog. Barkhausenrausch-Analyse bekannt, mit der zerstörungsfrei die Oberflächen von ferromagnetischen Materialien mittels entsprechender Sensoren geprüft werden können. In den Druckschriften EP 0 100 009 A1 und DE 43 33 830 A1 sind Verfahren zur Oberflächenanalyse unter Berücksichtigung von Barkhausenrauschen beschrieben. Die Barkhausenrausch- Analyse beruht auf den sog. Barkhausensprüngen, welche durch die Ummagnetisie- rung von ferromagnetischen Werkstoffen bei sich langsam erhöhender Feldstärke eines Magnetfelds entstehen. Ferromagnetische Materialien bestehen aus kleinen magnetischen Bereichen (sog. Domänen) mit einheitlichen Magnetisierungsrichtungen. Die Domänen werden voneinander durch Blochwände getrennt, in denen sich die Magnetisierungsrichtung über die Wandbreite ändert. Eine Bewegung der Blochwände kann durch ein äußeres Magnetfeld veranlasst werden. Wenn gleichzeitig eine Spule in die Nähe des ferromagnetischen Bauteils gebracht wird, erzeugt die entstehende Magnetisierung einen elektrischen Impuls in der Spule. Die Addition der Impulse ergibt ein rauschartiges Signal, welches auch als Barkhausenrauschen bzw. Barkhausenrausch-Signal bezeichnet wird. Das Barkhausenrausch-Signal hängt dabei von der Oberflächenbeschaffenheit und insbesondere von der Oberflächenhärte ab. Über das Barkhausenrausch-Signal kann Schleifbrand detektiert werden, da die Oberflächenhärte bei Schleifbrand abnimmt.
Da das Barkhausenrauschen nicht von der Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils alleine, sondern auch von weiteren Einflussgrößen und insbesondere der Bauteilgeometrie abhängt, ist eine geeignete Kalibrierung einer Messvorrichtung zur Barkhausenrausch-Analyse für die entsprechende Bauteilgeometrie erforderlich. Unter Bauteilgeometrie wird hier und im Folgenden die Spezifikation der Abmessungen des Bauteils verstanden, wie sie z.B. in einer Konstruktionszeichnung festgelegt ist. Herkömmlicherweise gestaltet sich die Kalibrierung für eine vorbestimmte Bauteilgeometrie sehr aufwändig, denn es müssen hierzu mehrere Bauteile mit dieser Geometrie verwendet werden, welche gezielt mit unterschiedlichen Oberflächenschädigungen, wie z.B. unterschiedlichen Schleifbrandstufen, hergestellt wurden. Die Herstellung kann dabei z.B. durch das Schleifen von Bauteilen mit gestuften Zustellungen erfolgen. Die so hergestellten Bauteile werden mit der zu kalibrierenden Messvorrichtung geprüft, d.h. die entsprechenden Barkhausenrausch-Signale werden durch die Messvorrichtung erfasst. Anschließend werden die Bauteile bezüglich ihrer Oberflächenschädigung durch Nitalätzen eingestuft, so dass die Oberflächenschädigung mit den Barkhausenrausch-Signalen korreliert werden kann. Wie erwähnt, muss dieser Kalibriervorgang für jede Bauteilgeometrie durchgeführt werden. Außerdem ist eine erneute Kalibrierung der Messvorrichtung beim Austausch des Sensor- körpers der Messvorrichtung notwendig. Darüber hinaus ist die gezielte Erzeugung von Oberflächenschädigungen bzw. von Schleifbrand in der Praxis sehr schwierig. Die Barkhausenrausch-Analyse eignet sich somit derzeit schlecht zur Serienmessung von Bauteilen bei großer Variantenvielfalt.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum einfachen und schnellen Kalibrieren einer Messvorrichtung zur Oberflächenprüfung basierend auf Barkhausenrauschen für eine vorbestimmte Bauteilgeometrie zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Messvorrichtung gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine erste, von der Bauteilgeometrie unabhängige Kalibrationskurve vorgegeben, welche die Abhängigkeit zwischen Oberflächenhärtewerten und gemessenen Barkhausenrausch-Signalen beschreibt. Diese Kurve ist von der Bauteilgeometrie in dem Sinne unabhängig, dass sie für jede (beliebige) Bauteilgeometrie gültig ist. Jedoch ist die Kurve vorzugsweise für einen vorbestimmten Werkstoff bestimmt, so dass die Kalibration auch nur für Bauteile aus dem vorbestimmten Werkstoff gültig ist. In diesem Fall bestehen auch das erste und das zweite Referenzbauteil, welche im Folgenden beschrieben werden, aus dem vorbestimmten Werkstoff. Die erste Kalibrationskurve wird vorzugsweise derart vorgegeben, dass sie in einem entsprechenden Speicher in der Messvorrichtung vorgehalten wird.
Die erste Kalibrationskurve beschreibt den groben Zusammenhang zwischen Oberflächenhärtewerten und Barkhausenrausch-Signalen. Sie gibt den Trend der Veränderung des Barkhausenrausch-Signals bei der Veränderung der Oberflächenhärte beliebiger Bauteile wieder. Die erste Kalibrationskurve muss somit nur einmalig ermittelt werden und kann dann für beliebige Bauteilgeometrien eingesetzt werden. Die Ermittlung der ersten Kalibrationskurve wird weiter unten näher beschrieben. Neben der ersten Kalibrationskurve werden im Rahmen der Kalibrierung ein erstes Referenzbauteil und ein zweites Referenzbauteil verwendet. Dabei wird für das erste Referenzbauteil, das der vorbestimmten Bauteilgeometrie entspricht und einen ersten Oberflächen härtewert aufweist, ein erstes Barkhausenrausch-Signal mit der zu kalibrierenden Messvorrichtung ermittelt. Ferner wird für ein zweites Referenzbauteil, das der vorbestimmten Bauteilgeometrie entspricht und einen zweiten Oberflächen härtewert aufweist, der kleiner als der erste Oberflächenwert ist, ein zweites Barkhausenrausch-Signal mit der zu kalibrierenden Messvorrichtung ermittelt. Im Unterschied zum Stand der Technik muss dabei lediglich sichergestellt werden, dass mit einem geeigneten Herstellungsprozess ein erstes und ein zweites Referenzbauteil erzeugt werden können, die sich in ihren Oberflächenhärten unterscheiden, ohne dass in aufwändigen Verfahren verschiedene Stufen von Oberflächenschädigungen an den Bauteilen erzeugt werden müssen.
Zur Ermittlung einer zweiten, für die vorbestimmte Bauteilgeometrie spezfi- schen Kalibrationskurve wird im erfindungsgemäßen Verfahren die erste Kalibrationskurve an das erste Barkhausenrausch-Signal am ersten Oberflächen härtewert und an das zweite Barkhausenrausch-Signal am zweiten Oberflächen härtewert gefittet, wobei hierfür an sich bekannte Kurvenanpassungsverfahren eingesetzt werden können. Somit kann über die zweite Kalibrationskurve im Betrieb der Messvorrichtung das gemessene Barkhausenrausch-Signal des Bauteils einem Oberflächenhär- tewert zugeordnet werden.
Das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren benötigt lediglich zwei Referenzbauteile, deren Barkhausenrausch-Signale im Rahmen der Kalibrierung erfasst werden. Unter Rückgriff auf die erste, von der Bauteilgeometrie unabhängige Kalibrationskurve kann dabei in geeigneter Weise eine geometrieabhängige zweite Kalibrationskurve bestimmt werden. Mit dieser Kurve können Oberflächenhärtewerte, welche in der Regel mit bestimmten Oberflächenschädigungen korreliert sind, über das Barkhausenrausch-Signal festgestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Kalibrationskurve derart gefittet, dass der Wert der zweiten Kalibrationskurve am ersten Oberflächen härtewert dem ersten Barkhausenrausch-Signal entspricht und der Wert der zweiten Kalibrationskurve einem zweiten Oberflächenwert dem zweiten Barkhausenrausch-Signal entspricht. Es können gegebenenfalls auch andere Kurvenfits eingesetzt werden, bei denen die zweite Kalibrationskurve nicht exakt durch das erste bzw. zweite Barkhausenrausch-Signal verläuft.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kalibrierung werden einem oder mehreren vorbestimmten Oberflächen härtewerten über die zweite Kalibrationskurve jeweilige Grenzwerte des Barkhausenrausch-Signals zugeordnet. Auf diese Weise können insbesondere verschiedene Bauteilbeschädigungen über Grenzwerte des Barkhausenrauschens repräsentiert werden, wobei bei Überschreiten bzw. Unterschreiten der Grenzwerte die entsprechende Oberflächenschädigung durch die Messvorrichtung detektiert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform betreffen die vorbestimmten Bauteilschädigungen, für welche entsprechende Grenzwerte des Barkhausenrausch-Signals festgelegt werden, Schleifbrandstufen eines über Schleifen hergestellten Bauteils. In einer bevorzugten Variante ist das zu prüfende Bauteil ein Zahnrad.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der im Rahmen der Kalibrierung verwendeten ersten Kalibrationskurve um eine experimentell ermittelte Kalibrationskurve. Die experimentelle Ermittlung ist dabei vorzugsweise derart ausgestaltet, dass für eine Anzahl von Bauteilen verschiedene Stufen von experimentell bestimmten Oberflächenschädigungen mit Oberflächen härtewerten über Messung der Oberflächenhärte korreliert werden und die verschiedenen Stufen von experimentell bestimmten Oberflächenschädigungen über die Messung von Barkhausenrauschen mit Barkhausenrausch-Signalen korreliert werden. Da beide Korrelationen über die Stufen der Oberflächenschädigungen verknüpft sind, kann hierdurch ein Zusammenhang zwischen Oberflächenhärtewerten und Barkhausenrausch-Signalen und damit die erste Kalibrationskurve bestimmt werden. Die zur Ermittlung der ersten Kalibrationskurve verwendeten Bauteile können unterschiedliche Geometrien aufweisen und müssen insbesondere nicht der vorbestimmten Bauteilgeometrie entsprechen, für welche die Messvorrichtung zu kalibrieren ist. Die experimentelle Bestimmung von Oberflächenschädigungen erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform über das bereits eingangs beschriebene Nitalätzen. Das Nitalätzen muss dabei jedoch nur einmalig für einen bestimmten Werkstoff und nicht für jede Bauteilgeometrie durchgeführt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist für das erste Referenzbauteil und das zweite Referenzbauteil jeweils ein vorbestimmter Fertigungsprozess zur Herstellung des Bauteils vorgegeben. Wird der Fertigungsprozess für die Bauteile durchgeführt, wird hierdurch sichergestellt, dass zwei Bauteile mit unterschiedlichen Oberflächen härtewerten erzeugt werden. Der Fertigungsprozess ist insbesondere derart ausgestaltet, dass die Referenzbauteile eine gleichmäßige Oberflächenhärte aufweisen, so dass bei der Messung der Referenzbauteile in der zu kalibrierenden Messvorrichtung ein im Wesentlichen konstantes Barkhausenrausch-Signal vorliegt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich der Fertigungsprozess des zweiten Referenzbauteils vom Fertigungsprozess des ersten Referenzbauteils ausschließlich darin, dass der Fertigungsprozess des zweiten Referenzbauteils einen zusätzlichen Schritt der Wärmebehandlung des Bauteils umfasst. Durch geeignete Spezifikation dieser Wärmebehandlung kann dabei eine Verminderung der Oberflächenhärte im Vergleich zum ersten Referenzbauteil erreicht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind ein oberer und ein unterer Grenzwert für die Oberflächenhärte des Bauteils mit der vorbestimmten Bauteilgeometrie vorgegeben, wobei diesen Grenzwerten über die zweite Kalibrationskurve ein unterer und oberer Grenzwert für das Barkhausenrausch- Signal zugeordnet werden. Der obere und untere Grenzwert der Oberflächenhärte legen dabei einem Toleranzbereich fest, der insbesondere in der Konstruktionszeichnung des Bauteils mit der vorbestimmten Bauteilgeometrie spezifiziert ist. Dabei sollte sichergestellt werden, dass dieser Toleranzbereich nicht verlassen wird. Dies kann durch eine geeignete Festlegung eines oberen und eines unteren Grenzwerts für das Barkhausenrausch-Signal unter Verwendung der zweiten Kalibrationskurve erreicht werden. Werden die entsprechenden Grenzwerte über- bzw. unterschritten, kann dies dann durch die kalibrierte Messvorrichtung detektiert werden. In einer weiteren, besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kalibrierung im Rahmen der Prüfung eines Bauteils nochmals bauteilintern angepasst. Dabei wird für ein gerade mit der Messvorrichtung geprüftes Bauteil mit der vorbestimmten Bauteilgeometrie ein Oberflächenbereich ohne Oberflächenschädigung ermittelt, wobei im Falle, dass das minimale Barkhausenrausch- Signal im Oberflächenbereich ohne Oberflächenschädigung größer als das Barkhausenrausch-Signal des ersten Referenzbauteils ist, der untere Grenzwert um den Unterschied zwischen diesen beiden Barkhausenrausch-Signalen angehoben wird und der obere Grenzwert in Abhängigkeit von diesem Unterschied verändert wird. Diese Variante der Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass in der Regel bei jedem Bauteil ein Bereich ohne Oberflächenschädigung vorliegt. Demzufolge können die Grenzwerte nochmals genauer spezifisch an das Bauteil angepasst werden. In der detaillierten Beschreibung wird dargelegt, wie in geeigneter weise ein Oberflächenbereich ohne Oberflächenschädigung aus den entsprechenden Barkhausenrausch-Signalen des geprüften Bauteils ermittelt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine Selbstkalibrierung der Vorrichtung auch über die kumulierte Anzahl von in Serie gemessenen Bauteilen. Dabei wird bei der Serienmessung einer Vielzahl von gleichen Bauteilen für jedes Bauteil ein Gesamt-Signal des Barkhausenrauschens bestimmt, welches z. B. der Mittelwert aller entlang der Oberfläche des Bauteils gemessener Barkhausenrausch-Signale sein kann. Über eine statistische Auswertung von Gesamt-Signalen mehrerer gleicher Bauteile in einer Anlaufphase vor der Serienmessung wird dabei ein Signifikanzniveau bestimmt, mit dem bei der Serienmessung für jedes Gesamt- Signal ein Toleranzbereich für das Gesamt-Signal ermittelt wird, wobei ein Verlassen des Toleranzbereichs detektiert wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird im Rahmen der statistischen Auswertung eine Ausreißererkennung von den Gesamt-Signalen mit an sich bekannten Methoden durchgeführt, wobei das Signifikanzniveau in Abhängigkeit davon angepasst wird, ob der Ausreißer ein Bauteil mit oder ohne Oberflächenschädigung ist. Im Rahmen dieses Verfahrens ist somit für die entsprechenden Bauteile bekannt, ob diese Oberflächenschädigungen aufweisen oder nicht. Die Oberflächen- Schädigungen können mit an sich bekannten Verfahren, wie z.B. Härtemessung oder Eigenspannungsmessung, festgestellt werden. Die Anpassung des Signifikanzniveaus erfolgt insbesondere derart, dass im Falle, dass ein Ausreißer ein Bauteil ohne Oberflächenschädigung repräsentiert, das Signifikanzniveau kleiner eingestellt wird, wodurch der Toleranzbereich größer wird. Demgegenüber wird im Falle, dass das Bauteil gemäß dem Ausreißer eine Oberflächenschädigung aufweist, das Signifikanzniveau nicht verändert. In einer weiteren bevorzugten Variante wird der Toleranzbereich auch bei Bedarf während der Serienmessung angepasst. Dabei wird bei der Serienmessung stichprobenartig für Gesamt-Signale außerhalb des Toleranzbereichs ermittelt, ob das entsprechende Bauteil, dem das Gesamt-Signal zugeordnet ist, eine Oberflächenschädigung aufweist, wobei der Toleranzbereich vergrößert wird, wenn das Bauteil keine Oberflächenschädigung aufweist.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Messvorrichtung zur Oberflächenprüfung basierend auf Barkhausenrauschen für eine vorbestimmte Bauteilgeometrie. Dabei ist in einem Speicher der Messvorrichtung eine erste, von der Bauteilgeometrie unabhängige Kalibrationskurve hinterlegt, welche die Abhängigkeit zwischen Oberflächen härtewerten und gemessenen Barkhausenrausch-Signalen beschreibt. Ferner ist für ein erstes Referenzbauteil, das der vorbestimmten Bauteilgeometrie entspricht und einen ersten Oberflächen härtewert aufweist, ein erstes Barkhausenrausch-Signal mit der Messvorrichtung bei deren Kalibrierung ermittelbar. Ebenso ist für ein zweites Referenzbauteil, das der vorbestimmten Bauteilgeometrie entspricht und einen zweiten Oberflächen härtewert aufweist, der kleiner als der erste Oberflächenwert ist, ein zweites Barkhausenrausch- Signal mit der Messvorrichtung bei deren Kalibrierung ermittelbar.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung umfasst eine Rechnereinheit, mit der eine zweite Kalibrationskurve bei der Kalibrierung der Messvorrichtung ermittelt wird, indem die erste Kalibrationskurve an das erste Barkhausenrausch-Signal am ersten Oberflächen härtewert und an das zweite Barkhausenrausch-Signal am zweiten Oberflächen härtewert gefittet wird, wobei über die zweite Kalibrationskurve im Betrieb der Messvorrichtung das gemessene Barkhausenrausch-Signal eines Bauteils mit der vorbestimmten Bauteilgeometrie einem Oberflächen härtewert zugeordnet werden kann.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass eine oder mehrere der bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens mit der Vorrichtung durchführbar sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Messvorgangs basierend auf Barkhausenrauschen für ein Zahnrad;
Fig. 2 ein Diagramm, welches die im Rahmen einer erfindungsgemäßen Kalibrierung verwendeten Größen und deren Ermittlung verdeutlicht;
Fig. 3 ein Diagramm, welches den experimentell ermittelten Zusammenhang zwischen der Oberflächenhärte und der Schleifrandstufe eines Zahnrads verdeutlicht;
Fig. 4 ein Diagramm, welches eine Ausführungsform der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten ersten Kalibrationskurve wiedergibt;
Fig. 5 eine schematische Darstellung, welche die Herstellung eines ersten und eines zweiten Referenzbauteils basierend auf einer Ausführungsform der Erfindung wiedergibt;
Fig. 6 ein Diagramm, welches die Ermittlung einer zweiten Kalibrationskurve basierend auf der ersten Kalibrationskurve gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wiedergibt; Fig. 7 und Fig. 8 schematische Darstellungen, welche die Modifikation von Grenzwerten für das Barkhausenrausch-Signal für gerade vermessene Bauteile basierend auf einer Ausführungsform der Erfindung verdeutlichen; und
Fig. 9 ein Diagramm, welches die Erkennung von Ausreißern im Rahmen der statistischen Auswertung von Barkhausenrausch-Signalen basierend auf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergibt.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren basierend auf einer Kalibrierung einer Messvorrichtung zur Oberflächenprüfung von Bauteilen in der Form von Zahnrädern erläutert. Nichtsdestotrotz ist die Erfindung auch für beliebige andere Bauteile anwendbar. Im Rahmen der Herstellung der Zahnräder wurde dabei mittels Verzahnungsschleifen die Endkontur der Zahnräder erzeugt. Bei diesem Schleifvorgang wird das Aufmaß durch Schleifkörner zerspant. Dadurch können sich die lokalen Temperaturen an den Kontaktzonen so stark verändern, dass thermische Gefügeänderungen auftreten. Diese thermischen Gefügeänderungen werden häufig als Schleifbrand bezeichnet. Es ist dabei ein Ziel der hier beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, über eine entsprechend kalibrierte Messvorrichtung solche Bauteile zu erkennen, welche Schleifbrand-Schädigungen an der Oberfläche aufweisen. Schleifbrand entsteht unter anderem bei der Übersteigung der bauteilspezifischen Anlasstemperatur und tritt in der Form von Anlassschädigung auf, wobei die Härte der betroffenen Stelle am Bauteil sinkt. Bei einer drastischen Temperaturerhöhung und mit einem anschließenden Abkühlen durch Kühlschmiermittel entsteht eine härtere Oberfläche. Diese Form von Schleifbrand wird auch als Wiederhärtung bezeichnet.
In der hier beschriebenen Ausführungsform werden Schädigungen von Zahnrädern mittels einer Messvorrichtung basierend auf Barkhausenrauschen erkannt. Wie bereits eingangs erläutert, wird Barkhausenrauschen dadurch gemessen, dass ein äußeres Magnetfeld an entsprechenden Stellen der Oberfläche des gerade geprüften Bauteils angelegt wird. Über eine Spule aus leitfähigem Draht erzeugt die entstehende Magnetisierung dabei einen elektrischen Impuls in der Spule, der von der Oberflächenhärte abhängt. Durch die Addition der elektrischen Impulse x, erhält man ein rauschartiges Signal. Dabei wird in der Regel der Effektivwert des Barkhausen-Signals als Messwert benutzt, der sich aus folgender Formel ergibt:
Figure imgf000013_0001
Die an sich bekannte Abkürzung mp repräsentiert dabei den magnetischen Parameter.
Fig. 1 verdeutlicht einen Messverlauf zur Ermittlung des Barkhausenrauschens für ein Zahnrad. Im linken Teil der Fig. 1 ist dabei in perspektivischer Darstellung eine Zahnlücke des Zahnrads wiedergegeben. Diese Zahnlücke liegt zwischen den beiden Zähnen 101 und 102, die nur teilweise dargestellt sind. Zum Messen des Barkhausenrausch-Signals wird ein entsprechender Sensorkopf der Messvorrichtung entlang Messlinien M1 bis M4 verfahren, wobei beim Verfahren kontinuierlich das Barkhausenrausch-Signal gemessen wird. Fig. 1 zeigt beispielhaft einen Messverlauf, bei dem der Messkopf ausgehend vom Punkt PS1 zunächst zum Oberflächenpunkt PS2 am Zahn 101 und dann entlang der Messlinie M1 zu Punkt PS3 verfährt. Anschließend erfolgt eine weitere Messung vom Punkt PS4 bis zum Punkt PS5 entlang der Messlinie M2. In Analogie wird für den Zahn 102 zunächst entlang der Messlinie M3 vom Punkt PS6 bis Punkt PS7 und schließlich entlang der Messlinie M4 vom Punkt PS8 bis zum Punkt PS9 gemessen. Fig. 1 zeigt dabei im rechten Teil eine Schnittdarstellung des Zahns 102. Man erkennt die senkrecht zur Blattebene verlaufenden Messlinien M3 und M4. Die Größe h stellt dabei die zur Messung nutzbare Zahnhöhe dar und durch bm/2 sind die entsprechenden Abstände der Messlinien M3 bzw. M4 von dem unteren bzw. oberen Ende der nutzbaren Zahnhöhe angedeutet. Der Abstand zwischen M3 und M4 ist mit x bezeichnet.
Die Signalintensitäten des Barkhausenrauschens für gut präparierte (d. h. schmutz- und ölfreie) Bauteile werden durch die Eigenspannungen und die Härte des
Bauteils beeinflusst. Beispielsweise führt eine Reduzierung der Druckeigenschaften zu einer Erhöhung der Barkhausenrausch-Amplitude. Bei Veränderung der Härte ist das Gegenteil zu beobachten, d.h. mit einer steigenden Härte nimmt die Barkhausen- rausch-Amplitude ab. Dieser Effekt wird in der hier beschriebenen Ausführungsform der Barkhausenrausch-Analyse dazu genutzt, um den Bauteilzustand bezüglich der Oberflächenhärte messtechnisch zu erfassen und mit Schleifbrand in Beziehung zu setzen.
Da die Barkhausenrausch-Analyse die Härte bzw. die Eigenschaften von Bauteilen nicht direkt, sondern indirekt über das Barkhausenrauschen misst, ist eine geeignete Kalibrierung der verwendeten Messvorrichtung erforderlich. Insbesondere hängt das Barkhausenrausch-Signal, welches im Folgenden auch als BNA-Signal bezeichnet wird, auch von der Bauteilgeometrie ab, so dass eine entsprechende Kalibrierung der Messvorrichtung für die zu messende Bauteilgeometrie erforderlich ist. In der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird dabei über die Kalibrierung ein Grenzwert für das BNA-Signal bzw. dessen Amplitude festgelegt, wobei dieser Grenzwert mit einem Zustand des Bauteils korreliert, bei dem sich das Bauteil kurz vor der Schleifbrandentstehung befindet. Gegebenenfalls können auch entsprechende Grenzwerte für unterschiedliche Schleifbrandstufen (d.h. unterschiedliche Grade von Schleifbrand) mittels der Kalibrierung festgelegt werden.
Im Unterschied zum Stand der Technik ist es nicht erforderlich, dass für die aktuell zu messende Bauteilgeometrie zunächst entsprechende Bauteile mit unterschiedlichen Schleifbrandstufen in einem aufwändigen Prozess hergestellt werden und anschließend zur Kalibrierung mit der Barkhausenrausch-Messvorrichtung geprüft werden. Es ist vielmehr ausreichend, dass lediglich zwei Referenzbauteile, welche im Folgenden auch als Masterbauteile bezeichnet werden, in einem vorbestimmten und wiederholbaren Herstellungsprozess hergestellt werden und dann zur Kalibrierung eingesetzt werden.
Im Rahmen des hier beschriebenen Kalibrierverfahrens wird von einer bauteilunabhängigen ersten Kalibrationskurve der BNA-Signale zur Beurteilung von Oberflächenschädigungen bzw. Schleifbrand ausgegangen, welche in der entsprechenden Messvorrichtung vorab hinterlegt ist. Diese erste Kalibrationskurve wird anschließend mittels der Barkhausenrausch-Signale gefittet, welche für die erwähnten Referenzbauteile mit der Messvorrichtung gemessen werden, wie weiter unten noch näher erläutert ist. Die hierdurch entstandene zweite Kalibrationskurve kann dann dazu verwendet werden, um entsprechende Oberflächenhärtewerte bzw. Schleifbrandstufen mit Grenzwerten des Barkhausenrausch-Signals zu korrelieren. Im Betrieb der kalibrierten Messvorrichtung können dann bei Überschreiten bzw. Unterschreiten der entsprechenden Grenzwerte Warnungen ausgegeben werden bzw. das Bauteil aus Ausschuss klassifiziert werden. Im Rahmen von speziellen Ausführungsformen besteht ferner die Möglichkeit, dass die entsprechenden Grenzwerte der Barkhausenrausch-Signale im Rahmen einer statistischen Auswertung der Messwerte von einem einzelnen Bauteil für dieses Bauteil nochmals angepasst werden. Ferner können die bauteilspezifischen Grenzwerte gegebenenfalls durch die statistische Auswertung der Messwerte aus mehreren, in Serie gemessenen Bauteilen nochmals angepasst werden.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, welches die im Rahmen der erfindungsgemäßen Kalibrierstrategie erforderlichen Größen und deren Ermittlung verdeutlicht. Zunächst wird eine bauteilunabhängige erste Kalibrationskurve bzw. entsprechende Grundgrenzwerte der BNA-Signale ermittelt, welche für beliebige Bauteile die grundlegenden Korrelationen des BNA-Signals zur Härte bzw. zu Schleifbrand verdeutlichen. Die Bestimmung der grundlegenden Korrelationen erfolgt z. B. über Analogieversuch. Die zu ermittelnden Korrelationen sind generell vom eingesetzten Werkstoffmaterial abhängig und können mittels verschiedener experimenteller Verfahren bestimmt werden. Beispielsweise kann das Planschleifverfahren von Rund-Aufkohlungsproben oder das Verzahnungsschleifen von bestimmten Bauteilen oder eine Schleifbrandsimulation mittels Laser-Technik eingesetzt werden. Auf diese Weise kann Schleifbrand mit unterschiedlich starken Ausprägungen für entsprechende Bauteile hergestellt werden. Die Bauteile müssen in der Geometrie nicht den später über die Messvorrichtung vermessenen Bauteilen entsprechen, denn es muss lediglich ein Trend der Barkhausenrausch-Signale in Abhängigkeit von Schleifbrand erkannt werden. Nach der Herstellung der thermisch beschädigten Bauteile wird schließlich mittels Nitalätzen auf Schleifbrand geprüft. Daraus werden die Schleifbrandstufen abgeleitet, welche sich durch entsprechende Verfärbungen an der Bauteiloberfläche im Rahmen des Nitalätzens ergeben. In einem nächsten Schritt werden die Bauteile an definierten Stellen mit Schleifbrandschädigungen mittels Barkhausenrausch-Analyse ge- messen. Zur Messung kann dabei eine beliebige Messvorrichtung eingesetzt werden. Insbesondere muss nicht die zu kalibrierende Messvorrichtung hierfür verwendet werden. An den definierten Stellen mit Schleifbrand werden ferner mit einem anderen Verfahren Härtemessungen durchgeführt. Hierdurch können die gemessenen BNA- Signale den entsprechenden Bauteiloberflächenhärten an bestimmten Messstellen zugeordnet werden. Schließlich wird eine Korrelation zwischen den BNA-Signalen und den Bauteiloberflächenhärten durch eine Regressionsgleichung erstellt, wodurch eine erste Kalibrationskurve erhalten wird. Ebenso kann die Korrelation zwischen Schleifbrandstufen und Bauteiloberflächenhärte durch eine Regressionsgleichung mathematisch beschrieben werden.
Fig. 3 zeigt einen ermittelten Zusammenhang zwischen über Nitalätzen festgestellten Schleifbrandstufen und mit einem separaten Verfahren ermittelten Oberflächenhärten von Bauteilen. Entlang der Abszisse ist dabei die Oberflächenhärte SH (gemessen in HV1 ) und entlang der Ordinate die Schleifbrandstufen S zwischen den Werten 0 und 10 wiedergegeben. Durch entsprechende Messungen der Barkhausenrausch-Signale an den geschädigten Oberflächen der Bauteile kann dann eine Korrelation dieser Signale mit der Oberflächenhärte hergestellt werden und hierdurch die erste Kalibrationskurve C1 erhalten werden, was in Fig. 4 angedeutet ist. In dieser Figur sind für verschiedene Oberflächen härtewerte SH die zugeordneten Barkhausenrausch-Signale BN aufgetragen, wobei die Kalibrationskurve C1 über einen geeigneten Polynom-Fit bestimmt wurde. Im Rahmen der Bestimmung der ersten Kalibrationskurve C1 werden somit Korrelationen zwischen der Erscheinung (Schleifbrand durch Nitalätzen), physikalischer Eigenschaften (Oberflächenhärte) und der Messgröße (BNA-Signal) als Grundlage für die Kalibrierung verwendet. Da Schleifbrand mittels dem Nitalätzprüfen durch die Ätzfarbänderung im Vergleich zum unge- schädigten Bereich am gleichen Bauteil erkannt wird und die Farbänderungen im Grundprinzip von der Bauteiloberflächenhärte abhängig sind, ist die Bauteiloberflächenhärte die dominante physikalische Größe, mit der Schleifbrand identifiziert wird.
Wie in Fig. 2 wiedergegeben ist, wird die erste Kalibrationskurve zur Ableitung von bauteilspezifischen BNA-Grenzwerten verwendet. Dabei wird ein grober, maximal zulässiger Grenzwert für das BNA-Signal eines Bauteils mit vorbestimmter Bau- teilgeometrie bestimmt, wobei hierzu gezielt hergestellte Masterbauteile eingesetzt werden. Diese Masterbauteile entsprechen dabei den Bauteilen, welche später durch die kalibrierte Messvorrichtung zu vermessen sind. Das heißt, die Masterbauteile weisen die gleiche Bauteilgeometrie bzw. die gleichen Abmessungen wie die zu prüfenden Bauteile auf und sie bestehen auch aus dem gleichen Material.
Mit Hilfe der Masterbauteile werden die über die Ermittlung der ersten Kalibra- tionskurve gewonnenen Erkenntnisse für jede Bauteilart individuell angepasst. Hierdurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass die BNA-Signale nicht nur von der Oberflächenhärte, sondern auch von der Bauteilgeometrie abhängig sind. Die beiden Masterbauteile werden durch gezielte Wärmebehandlungsprozesse hergestellt. Das erste Masterbauteil entspricht dabei dem Zustand„gut". Das heißt, der schleif brandfreie Zustand wird durch dieses erste Masterbauteil abgebildet. Das zweite Masterbauteil entspricht dem Zustand„schlecht". Das heißt, der schleifbrandgeschädigte Zustand wird durch dieses Masterbauteil abgebildet. Die Masterbauteile werden gemäß einer vorbestimmten Fertigungsabfolge hergestellt, wobei Beispiele von Fertigungsabfolgen in Fig. 5 verdeutlicht sind.
Gemäß Fig. 5 liegt ein Masterbauteil im Eingangszustand zunächst ein
Schmiederohteil vor, welches anschließend einer Weichbearbeitung, wie z.B. Wälzfräsen zum Verzahnen bzw. Rotierfräsen zum Kantenbruch, unterzogen wird. Anschließend wird das Bauteil einer Wärmebehandlung unterzogen, wie z.B. Aufkohlen, Direkthärten und Anlassen bei einer Temperatur von ca. 170 °C über eine Stunde. Schließlich erfolgt eine erste Reinigung des Bauteils über Kugelstrahlen. Bei der Herstellung des ersten Masterbauteils, welches den Zustand„gut" repräsentiert, erfolgt nach der Reinigung sofort eine Hartfeinbearbeitung, wie z.B. das Planschleifen der Stirnfläche, das Innenrundschleifen von Bohrungen bzw. das Kombinationsschleifen von Verzahnungen. Schließlich erfolgt eine weitere Bauteilreinigung. Im Endzustand liegt das erste Masterbauteil mit dem Zustand„gut" vor. Die gleichen Schritte werden auch für das zweite Masterbauteil mit dem Zustand„schlecht" durchgeführt, wobei zusätzlich nach der ersten Bauteilreinigung und vor der Hartfeinbearbeitung eine kontrollierte Wärmebehandlung durch Anlassen bei 320 °C für zwei Stunden erfolgt, wodurch Schleifbrand simuliert wird. Im Rahmen der erfindungsgemäßen Kalibrierung wird das BNA-Signal bzw. ein geeigneter Mittelwert des Signals für das erste Referenzbauteil und das zweite Referenzbauteil ermittelt. Das BNA-Signal des zweiten Referenzbauteils ist aufgrund der Oberflächenschädigung und einer damit verbundenen geringeren Härte größer als das BNA-Signal für das erste Referenzbauteil. Die entsprechenden Korrelationen zwischen Bauteiloberflächenhärte SH und BNA-Signal BN werden dann zur Anpassung der ersten Kalibrationskurve C1 verwendet. Dies ist in Fig. 6 verdeutlicht. Diese Figur zeigt analog zu Fig. 4 die Kalibrationskurve C1 . Ferner ist mit P1 das Tupel aus Oberflächenhärte SH1 und zugeordnetem Barkhausenrausch-Signal BN1 für das erste Referenzbauteil wiedergegeben. Ebenso ist durch das Tupel P2 die Korrelation zwischen der Oberflächenhärte SH2 und dem Barkhausenrausch-Signal BN2 für das zweite Referenzbauteil gezeigt. Schließlich wird über einen Best-Fit eine Anpassung der Kalibrationskurve C1 an die Werte P1 und P2 derart vorgenommen, dass die Kalibrationskurve weiterhin den Trend der Abhängigkeit des Barkhausenrauschens von der Oberflächenhärte wiedergibt, jedoch durch die Punkte P1 und P2 bzw. nahe dieser Punkte verläuft. Eine entsprechend angepasste Kalibrationskurve ist in Fig. 6 als zweite Kurve C2 wiedergegeben. Ferner sind die entsprechenden Polynomgleichungen für die Kalibrationskurve C1 (obere Gleichung) und für die Kalibrationskurve C2 (untere Gleichung) für das dargestellte Szenario wiedergegeben.
Im Folgenden wird beispielhaft ein Ansatz erläutert, wie die Kalibrationskurve C1 in geeigneter weise an die Messtupel P1 und P2 der Referenzbauteile ange- passt werden kann. Dieses Beispiel basiert auf der Annahme, dass die Änderung der Steigung (zweite Ableitung) der mathematischen Korrelation zwischen Bauteiloberflächenhärte und BNA-Signal konstant bleibt. Es wird dabei von der folgenden mathematischen Korrelation in der Form eines Polynoms zum Beschreiben der ersten Kalibrationskurve ausgegangen: y = f(x) = αγ ■ x3 + a2 ■ x2 + a3 ■ x + a4 (2).
Damit lassen sich die ersten und zweiten Ableitungen wie folgt ausdrücken: = f x) = 3a1 - x + 2a2 - x (3),
y"= f"(x) = 6a1 - x + 2a2 (4).
Durch anschließendes Integrieren wird eine neue Ansatzfunktion f_neu(x) hergeleitet, deren Unbekannte D1 und D2 durch Einsetzen der Messtupel P1 und P2 der Masterbauteile bestimmt werden kann, so dass folgende mathematische Beschreibung der zweiten Kalibrationskurven erhalten wird: y = f _ neu(x) = αγ ■ x3 + a2 ■ x2 + D1 ■ x + D2 (5).
In dem hier beschriebenen Szenario wird ein unterer Grenzwert für die Bauteiloberflächenhärte vorgegeben, der für das entsprechend zu prüfende Bauteil vorbestimmt ist. Bei Unterschreiten dieser Oberflächenhärte wird davon ausgegangen, dass Schleifbrand vorliegt. Mittels der zweiten Kalibrationskurve C2 kann nunmehr dieser Grenzwert der Härte mit einem entsprechenden oberen Grenzwert des Barkhausenrausch-Signals verknüpft werden, wobei bei Überschreiten des oberen
Grenzwerts davon ausgegangen wird, dass das Bauteil schleifbrandgeschädigt ist. In Fig. 6 wurde beispielhaft der untere Grenzwert für die Bauteiloberflächenhärte SH bei 700 HV1 festgelegt. Über die zweite Kalibrationskurve C2 ergibt sich hierdurch ein oberer Grenzwert für das Barkhausenrausch-Signal bei etwa 32 mp.
Neben einem Grenzwert für die minimale Bauteiloberflächenhärte, der mit einem oberen Grenzwert des BNA-Signals verknüpft ist, ist für das zu prüfende Bauteil auch ein Grenzwert der maximalen Bauteiloberflächenhärte vorgegeben. Diese Oberflächenhärte darf nicht überschritten werden, da ansonsten das Bauteil spröde wird. Zu hohe Oberflächenhärten können z.B. durch Fehler in der Wärmebehandlung bzw. durch Schleifbrand in der Form von Wiederhärtung verursacht sein. In Analogie zu dem oberen Grenzwert des BNA-Signals wird im Rahmen der hier beschriebenen Kalibrierung auch ein unterer Grenzwert des BNA-Signals über die Kalibrationskurve C2 basierend auf dem Maximalwert der Oberflächenhärte bestimmt. Eine entsprechend kalibrierte Vorrichtung detektiert dabei das entsprechende Überschreiten des oberen bzw. Unterschreitens des unteren Grenzwerts des gemessenen BNA-Signals. Es werden dann entsprechende Meldungen bzw. ein Fehlersignal ausgegeben, wodurch angezeigt wird, dass die Oberflächenprüfung des Bauteils von der Norm abweicht und das Bauteil demzufolge ausgesondert werden sollte.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird neben der oben beschriebenen Kalibrierung auch bei jeder Messung eines Bauteils eine bauteilinterne Selbstkalibierung der Messvorrichtung für das gerade gemessene Bauteil vorgenommen, welche nur für dieses Bauteil gültig ist. Diese Selbstkalibrierung wird nachfolgend detailliert beschrieben und ist auch in Fig. 2 wiedergegeben. Der Hintergrund der Methode der Selbstkalibrierung ist, dass die BNA-Messsignale neben der Oberflächenhärte von vielen weiteren Einflussfaktoren abhängen. Beispiele dafür sind die Verzahnungsgeometrie (Zahnweitenmaß), die Erstellung des Messprogramms zur Sensorführung der Messvorrichtung, der Sensorverschleiß und dergleichen. Erfahrungsbedingt gibt es jedoch kein schleifbrand- geschädigtes Bauteil in der Serienfertigung, welches keinen guten Bereich mit einer Oberflächenhärte in der Norm aufweist. Die Grundidee der bauteilinternen Selbstkalibrierung basiert auf dieser Erkenntnis. Das heißt, der gute Bereich an einem zu messenden Bauteil, an dem kein Schleifbrand vorhanden ist, wird als Referenzbereich definiert. Dieser Referenzbereich wird wie das oben beschriebene erste Masterbauteil eingestuft. Basierend auf den BNA-Signalen im Referenzbereich werden dann die oben beschriebenen Grenzwerte für das BNA-Signal in geeigneter Weise verschoben bzw. angepasst. Die Selbstkalibrierung gliedert sich in der hier beschriebenen Ausführungsform in folgende Schritte:
1 . Identifizieren von Referenzbereichen am gerade gemessenen Bauteil ohne Schleifbrand;
2. Plausibilitätsprüfung der Messsignale und Identifizieren einer groben Charakteristik;
3. Identifizieren eines guten Bereichs je nach Charakteristik;
4. Verschieben des Messsignals des ersten Referenzbauteils;
5. Anpassen der oberen und unteren Grenzen für das BNA-Signal. Im Folgenden werden die obigen Schritte beispielhaft anhand eines Zahnrads 1 erläutert, welches in Fig. 7 und Fig. 8 im Schnitt gezeigt ist. In einem ersten Schritt werden die Zahnflanken des Zahnrads in Planquadrate aufgeteilt. Jedes Planquadrat besitzt den minimalen Wert der Signale, die in diesem Planquadrat gemessen wurden. Anschließend wird eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt. Das Ziel dieser Prüfung ist, die BNA-Signale auf Verständlichkeit zu überprüfen und mögliche Messfehler und Wiederhärtung zu entdecken bzw. auszuschließen. Die Implementierung einer solchen Plausibilitätsprüfung liegt im Rahmen von fachmännischem Handeln und verwendet allgemeine Erfahrungen beim Schleifbrandprüfen. Alle Charakteristika von Schleifbrand werden dabei herangezogen. Zum Beispiel steht der Bereich mit minimalen Signalwerten immer dem Bereich mit maximalen Signalwerten über den Umfang des Zahnrads gegenüber. Bei einem großen Unterschied zwischen minimalem und maximalem Signalwert entspricht dies der Charakteristik von Rundlauffehlern. Ein anderes Beispiel ist das unmittige Schleifen bei der Herstellung des Zahnrads. Gemäß dieser Charakteristik entsteht Schleifbrand nur an einer Seite der Zahnflanken. Unmittiges Schleifen wird dabei durch Einmittenfehler des Schleifwerkzeugs hervorgerufen. Während der Plausibilitätsprüfung werden die vorhandenen Charakteristika gleichzeitig festgestellt und die dominante Charakteristik wird identifiziert.
Die dominante Charakteristik kann für ein Zahnrad z. B. darüber ermittelt werden, ob große Unterschiede in den Signalen entsprechend der Planquadrate für unterschiedliche Zahnflanken bzw. für unterschiedliche Umfangsbereiche auftreten. Hierdurch kann in geeigneter Weise durch Vergleich der Unterschiede festgelegt werden, ob die Charakteristik von Rundlauffehlern bzw. von unmittigem Schleifen dominiert. Entsprechend der dominanten Charakteristik wird dann in geeigneter Weise ein guter Bereich für eine Zahnflanke bzw. einen Umfangsabschnitt des Zahnrads festgelegt. Dieser gute Bereich weist die geringsten BNA-Signale auf, und der minimale Wert der BNA-Signale in diesem Referenzbereich wird dann zur Anpassung der Grenzwerte verwendet, wie weiter unten beschrieben wird. Im Falle eines starken Rundlauffehlers liegt der gute Bereich in einem Abschnitt des Bauteilumfangs, wohingegen im Falle eines Einmittenfehlers und zuviel Schleifaufmaß auf den rechten Zahnflanken der gute Bereich durch die linken Flanken definiert ist. Fig. 7 zeigt für die Charakteristik eines Rundlauffehlers die entsprechende Definition eines guten Referenzbereichs mit niedrigen BNA-Signalen. Einzelne Um- fangsabschnitte sind dabei durch Ringsegmente entlang des Umfangs des Zahnrads spezifiziert. Es wurde dabei als Referenzbereich der Bereich B1 identifiziert. Dieser Bereich weist somit keine Oberflächenschädigungen auf. Demgegenüber sind die beiden angrenzenden Bereiche B2 Umfangsabschnitte mit höheren BNA- Messwerten, welche Übergangsbereiche zu dem Bereich B3 mit dem höchsten BNA- Signal und damit der höchsten Schleifbrandgefahr darstellen.
In Fig. 7 ist rechts neben dem Querschnitt des Zahnrads 1 ein Diagramm gezeigt, welches das Barkhausenrausch-Signal BN (Ordinate) entlang der verschiedenen Bereiche B1 bis B3 (Abszisse) wiedergibt. Das BNA-Signal für das Zahnrad 1 ist dabei als Kurve L1 wiedergegeben. Ferner repräsentiert die Kurve L2 das Barkhausenrausch-Signal, welches entlang des Umfangs des ersten Referenzbauteils gemessen wurde. Darüber hinaus sind der untere Grenzwert GW1 und der obere Grenzwert GW2 wiedergegeben, welche anhand der Kalibrationskurve C2 ermittelt wurden, wie weiter oben beschrieben wurde. Zur Anpassung der Grenzwerte wird nunmehr der Bereich B1 ohne die Oberflächenschädigung betrachtet. Dabei wird die Kurve L2 bis zum minimalen Wert des BNA-Signals der Kurve L1 innerhalb dieses Bereichs verschoben, was durch die Kurve L3 angedeutet ist. Entsprechend dieser Verschiebung erfolgt dann die Anpassung des unteren Grenzwerts GW1 , was aus Fig. 8 ersichtlich ist. Der untere Grenzwert GW1 wird gemäß Fig. 8 um den Verschiebungsweg zwischen Kurve L2 und L3 nach oben verschoben. Der verschobene Grenzwert ist mit GW1 ' bezeichnet und durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Basierend auf der Verschiebung erfolgt ferner auch eine Verschiebung des oberen Grenzwerts GW2. Dabei wird der obere Grenzwert GW2 nach unten verschoben und führt anschließend zu dem modifizierten Grenzwert GW2', der wiederum als gestrichelte Linie angedeutet ist.
Die Größe und Richtung der Verschiebung des Grenzwerts GW2 kann dabei vorab durch ein geeignet festgelegtes Verhältnis bestimmt sein. Gegebenenfalls kann das Verhältnis den Wert 1 aufweisen. In diesem Fall wird der obere Grenzwert genauso weit und in die gleiche Richtung wie der untere Grenzwert verschoben. In einer bevorzugten Variante wird ein geeignetes Verhältnis jedoch basierend auf einer oder mehreren Einflussgrößen bestimmt, welche die Grenzwerte und damit die BNA-Signale beeinflussen. Eine solche Einflussgröße ist z.B. der Sensorverschleiß. Die Berechnung eines entsprechenden Verhältnisses für die Einflussgröße Sensorverschleiß läuft dabei derart ab, dass die entsprechenden Kalibrationskurven C2 gemäß Fig. 6 für eine Messvorrichtung mit einem stark verschlissenen Sensor und eine Messvorrichtung mit einem weniger stark verschlissenen Sensor bestimmt werden und hieraus die oberen und unteren Grenzwerte für die unterschiedlich verschlissenen Sensoren bestimmt werden. Anschließend wird der Quotient aus der Änderung des oberen Grenzwerts in Abhängigkeit vom Sensorverschleiß und der Änderung des unteren Grenzwerts in Abhängigkeit von Sensorverschleiß gebildet. Dieses Verhältnis stellt damit den Faktor dar, mit dem der obere Grenzwert in Abhängigkeit von der Veränderung des unteren Grenzwerts gemäß Fig. 8 verschoben wird. Das Verhältnis kann gegebenenfalls negativ sein, was auch in Fig. 8 der Fall ist, bei dem die Verschiebung des unteren Grenzwerts nach oben zu einer Verschiebung des oberen Grenzwerts nach unten führt.
Gegebenenfalls können auch andere Einflussgrößen zur Bestimmung des Verhältnisses herangezogen werden, wie z.B. verschiedene Verzahnungsgeometrien, verschiedene Kontaktbedingungen zwischen Sensor und Oberfläche und dergleichen. Werden die Verhältnisse für mehrere Einflussgrößen ermittelt, wird dasjenige Verhältnis zur Bestimmung der Verschiebung des oberen Grenzwerts verwendet, welches den dominantesten Einfluss auf die Veränderung der Grenzwerte hatte. Dies kann darüber ermittelt werden, wie stark die Veränderungen der Grenzwerte bei der Beurteilung der entsprechenden Einflussgröße waren.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ferner eine kontinuierliche Kalibrierung während der Serienfertigung der Bauteile. Hierzu werden statistische Methoden herangezogen. Dabei wird für die aufeinanderfolgend geprüften gleichen Bauteile jeweils ein Gesamt-Signal des Barkhausenrauschens bestimmt. Dieses Signal ist z.B. der Mittelwert aus allen Barkhausenrausch-Signalen, welche für eine Oberfläche eines Bauteils ermittelt wurden. In einer Anlaufphase vor der Serienfertigung, werden die Gesamt-Signale von mehreren gleichen Bauteilen ermittelt. Ausgehend von einem initialen statistischen Signifikanzniveau werden Auffälligkeiten in der Form von Ausreißern mit einer klassischen statistischen Ausreißererkennungsmethode, wie z.B. dem Ausreißertest nach Grubbs, identifiziert. Dabei wird für jedes Bauteil über das Signifikanzniveau ein entsprechender Toleranzbereich für das Gesamt-Signal ermittelt. Bauteile, deren Gesamt-Signal außerhalb des Toleranzbereichs liegt, werden als Ausreißer identifiziert und zunächst als geschädigt eingestuft. Diese Bauteile werden mit einem anderen Prüfverfahren, wie z.B. Härtemessung oder Eigenspannungsmessung, gegengeprüft. Falls das Bauteil nach der Gegenprüfung als nicht geschädigt eingestuft wird, wird das Signifikanzniveau kleiner gestellt und damit der Toleranzbereich vergrößert. Somit wird das Bauteil nach der Neuberechnung des Toleranzbereichs nicht mehr als geschädigt identifiziert. Im Falle, dass das entsprechende Bauteil, welches als Ausreißer erkannt wurde, nach der Gegenprüfung als geschädigt eingestuft wird, bleibt das Signifikanzniveau unverändert und somit auch der Toleranzbereich. Gegebenenfalls können auch solche Bauteile gegengeprüft werden, deren Signale zwar innerhalb des Toleranzbereichs liegen, sich jedoch in deren Nähe befinden (z.B. bei 80% der entsprechenden Grenzen des Toleranzbereichs). Falls diese Bauteile durch die Gegenprüfung als geschädigt eingestuft werden, wird das Signifikanzniveau größer gestellt, damit der Toleranzbereich eingeengt wird. Dieser Vorgang dient dazu, das Signifikanzniveau so anzupassen, dass sowohl die Nichterkennung von geschädigten Bauteilen als auch die fehlerhafte Einstufung von Bauteilen ohne Oberflächenschädigung als geschädigte Bauteile möglichst vermieden wird.
Nachdem in der Anlaufphase über die Ausreißererkennung ein geeignetes Signifikanzniveau ermittelt wurde, wird dieses Signifikanzniveau schließlich in der Serienmessung der Bauteile als weiteres Kriterium zur Ermittlung von geschädigten Bauteilen eingesetzt. Dies ist in Fig. 9 verdeutlicht. In diesem Diagramm sind entlang der Abszisse die entsprechenden Nummern N der nacheinander in Serie gemessenen Bauteile und entlang der Ordinate die für diese Bauteile ermittelten Gesamt- Signale BN des Barkhausenrauschens angegeben. Die Signale bilden dabei die Linie L4. Ferner sind die unteren und oberen Grenzen GW1 und GW2 in Analogie zu Fig. 7 bzw. Fig. 8 dargestellt. Für jeden neuen Wert des Gesamt-Signals wird über das in der Anlaufphase bestimmte Signifikanzniveau ein entsprechender Toleranzbereich ermittelt, der durch eine untere Grenze G1 und eine obere Grenze G2 repräsentiert wird. In Fig. 9 ist dabei auch ein Ausreißer A angedeutet, der ein Bauteil mit einem Signal darstellt, das außerhalb des Toleranzbereichs liegt. Dieses Bauteil wird dann als geschädigt eingestuft, woraufhin z.B. eine entsprechende Meldung durch die Messvorrichtung ausgegeben werden kann. Gegebenenfalls kann auch im Rahmen der Serienmessung eine Optimierung des Toleranzbereichs stattfinden. Dabei wird stichprobenartig ein Ausreißer dahingehend überprüft, ob das Bauteil tatsächlich geschädigt ist. Ist dies nicht der Fall, wird das Signifikanzniveau und damit der Toleranzbereich angepasst. Die soeben beschriebene Variante einer statistischen Auswertung der Barkhausenrausch-Signale von Bauteilen in der Serienmessung ist auch in Fig. 2 angedeutet.
Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird der Kalibrieraufwand zur Grenzwertfindung bzw. zur Grenzwertanpassung im Vergleich zu konventionellen Kalibrierverfahren wesentlich reduziert. Dies liegt daran, dass im Rahmen der Kalibrierung auf eine grobe Kalibrationskurve zurückgegriffen wird, welche unabhängig von der Bauteilgeometrie ist und über Grundlagenuntersuchungen für jedes Material durchgeführt wurde, um Korrelationen zwischen Erscheinung (Schleifbrand durch Nitalätzen), physikalische Bauteileigenschaft (Bauteiloberflächenwerte) und Messgröße (BNA-Signal) in Bezug auf ein bestimmtes Material zu ermitteln. Diese Grundlagen werden dann bauteilspezifisch angepasst, indem zur Kalibrierung zwei zusätzliche Masterbauteile mit und ohne Oberflächenschädigung herangezogen werden, welche die Korrelationen der BNA-Signale in Bezug auf die zu prüfende Bauteilart herstellen. Über eine geeignete Anpassung der groben Kalibrierung an die BNA-Signale der Masterbauteile wird somit ein geeigneter Grenzwert für Oberflächenschädigungen und insbesondere für Schleifbrand bestimmt. Diese Kalibrierung kann gegebenenfalls durch zwei weitere Verfahren verbessert werden. Insbesondere kann der Grenzwert über eine bauteilinterne Selbstkalibrierung nochmals geeignet angepasst werden. Darüber hinaus kann über die statistische Auswertung von in Serie gefertigten Bauteilen nochmals ein Toleranzbereich festgelegt werden, um damit Bauteile mit Oberflächenschädigungen zu ermitteln.
Bezuqszeichen
1 Bauteil
101 , 102 Zähne
M1 , M2, M3, M4 Messlinien
h, bM/2, x Höhenangaben
PS1 , PS2, PS9 Messstellen
SH Oberflächenhärte
S Schleifbrandstufe
C1 erste Kalibrationskurve
C2 zweite Kalibrationskurve
BN Barkhausenrausch-Signal
P1 . P2 Messtupel
SH1 erster Oberflächen härtewert
SH2 zweiter Oberflächen härtewert
BN1 erstes Barkhausenrausch-Signal
BN2 zweites Barkhausenrausch-Signal
B1 , B2, B3 Umfangsbereiche eines Zahnrads
GW1 , GW2, GW1 ', GW2', G1 , G2 Grenzwerte
L1 , L2, L3, L4 Kurven
N Nummer des Bauteils
A Ausreißer

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Kalibrieren einer Messvorrichtung zur Oberflächenprüfung basierend auf Barkhausenrauschen für eine vorbestimmte Bauteilgeometrie, dadurch gekennzeichnet, dass:
eine erste, von der Bauteilgeometrie unabhängige Kalibrationskurve (C1 ) vorgegeben wird, welche die Abhängigkeit zwischen Oberflächen härtewerten (SH) und gemessenen Barkhausenrausch-Signalen (BN) beschreibt;
für ein erstes Referenzbauteil, das der vorbestimmten Bauteilgeometrie entspricht und einen ersten Oberflächen härtewert (SH1 ) aufweist, ein erstes Barkhausenrausch-Signal (BN1 ) mit der Messvorrichtung ermittelt wird;
für ein zweites Referenzbauteil, das der vorbestimmten Bauteilgeometrie entspricht und einen zweiten Oberflächen härtewert (SH2) aufweist, der kleiner als der erste Oberflächen härtewert (SH1 ) ist, ein zweites Barkhausenrausch-Signal (BN2) mit der Messvorrichtung ermittelt wird;
eine zweite Kalibrationskurve (C2) ermittelt wird, indem die erste Kalibrationskurve (C1 ) an das erste Barkhausenrausch-Signal (BN1 ) am ersten Oberflächenhär- tewert (SH1 ) und an das zweite Barkhausenrausch-Signal (BN2) am zweiten Oberflächen härtewert (SH2) gefittet wird, wobei über die zweite Kalibrationskurve (C2) im Betrieb der Messvorrichtung das gemessene Barkhausenrausch-Signal (SH) eines Bauteils (1 ) mit der vorbestimmten Bauteilgeometrie einem Oberflächenhärte- wert (SH) zugeordnet werden kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kalibrationskurve (C1 ) derart gefittet wird, dass der Wert der zweiten Kalibrationskurve (C2) am ersten Oberflächen härtewert (SH1 ) dem ersten Barkhausenrausch- Signal (BN1 ) entspricht und der Wert der zweiten Kalibrationskurve (C2) am zweiten Oberflächen härtewert (SH2) dem zweiten Barkhausenrausch-Signal (BN2) entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einem oder mehreren vorbestimmten Oberflächen härtewerten (SH) über die zweite Kalibra- tionskurve (C2) jeweilige Grenzwerte des Barkhausenrauch-Signals (BN) zugeordnet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Grenzwerte vorbestimmten Bauteilschädigungen und insbesondere Schleifbrandstufen (S) eines über Schleifen hergestellten Bauteils (1 ) betreffen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1 ) mit vorbestimmter Bauteilgeometrie ein Zahnrad ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste Kalibrationskurve (C1 ) experimentell ermittelt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die experimentelle Ermittlung derart ausgestaltet ist, dass für eine Anzahl von Bauteilen verschiedene Stufen von experimentell bestimmten Oberflächenschädigungen mit Oberflächen härtewerten (SH) über Messung der Oberflächenhärte korreliert werden und die verschiedenen Stufen von experimentell bestimmten Oberflächenschädigungen über die Messung von Barkhausenrauschen mit Barkhausenrausch-Signalen (BN) korreliert werden, wobei aus diesen beiden Korrelationen die erste Kalibrationskurve (C1 ) bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ersten Referenzbauteil und das zweite Referenzbauteil jeweils basierend auf einem vorgegebenen Fertigungsprozess hergestellt sind.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Fertigungsprozess des zweiten Referenzbauteils vom Fertigungsprozess des ersten Referenzbauteils ausschließlich darin unterscheidet, dass der Fertigungsprozess des zweiten Referenzbauteils einen zusätzlichen Schritt der Wärmebehandlung des Bauteils umfasst.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberer und ein unterer Grenzwert für die Oberflächenhärte eines Bauteils (1 ) mit der vorbestimmten Bauteilgeometrie vorgegeben sind, wobei diesen Grenzwerten über die zweite Kalibrationskurve (C2) ein unterer und oberer Grenzwert (GW1 , GW2) für das Barkhausenrausch-Signal (BN) zugeordnet werden.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für ein gerade mit der Messvorrichtung geprüftes Bauteil (1 ) mit der vorbestimmten Bauteilgeometrie ein Oberflächenbereich (B1 ) ohne Oberflächenschädigung ermittelt wird, wobei im Falle, dass das minimale Barkhauschenrausch-Signal im Oberflächenbereich (B1 ) ohne Oberflächenschädigung größer als das Barkhausenrausch- Signal (BN) des ersten Referenzbauteils ist, der untere Grenzwert (GW1 ) um den Unterschied zwischen diesen beiden Barkhausenrausch-Signalen angehoben wird und der obere Grenzwert (GW2) in Abhängigkeit von diesem Unterschied verändert wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Serienmessung einer Vielzahl von gleichen Bauteilen (1 ) für jedes Bauteil (1 ) ein Gesamt-Signal des Barkhausenrauschens bestimmt wird, wobei über eine statistische Auswertung von Gesamt-Signalen mehrerer gleicher Bauteile (1 ) in einer Anlaufphase vor der Serienmessung ein Signifikanzniveau bestimmt wird, mit dem bei der Serienmessung für jedes Gesamt-Signal ein Toleranzbereich für das Gesamt-Signal ermittelt wird, wobei ein Verlassen des Toleranzbereichs de- tektiert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der statistischen Auswertung eine Ausreißererkennung von den Gesamt-Signalen durchgeführt wird und das Signifikanzniveau in Abhängigkeit davon angepasst wird, ob der Ausreißer ein Bauteil (1 ) mit oder ohne Oberflächenschädigung ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Serienmessung stichprobenartig für Gesamt-Signale außerhalb des Toleranzbereichs ermittelt wird, ob das entsprechende Bauteil eine Oberflächenschädigung auf- weist, wobei der Toleranzbereich vergrößert wird, wenn das Bauteil (1 ) keine Oberflächenschädigung aufweist.
15. Messvorrichtung zur Oberflächenprüfung basierend auf Barkhausenrauschen für eine vorbestimmte Bauteilgeometrie, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Speicher der Messvorrichtung eine erste, von der Bauteilgeometrie unabhängige Kalibrationskurve (C1 ) hinterlegt ist, welche die Abhängigkeit zwischen Oberflächen härtewerten (SH) und gemessenen Barkhausenrausch-Signalen (BN) beschreibt;
für ein erstes Referenzbauteil, das der vorbestimmten Bauteilgeometrie entspricht und einen ersten Oberflächen härtewert (SH1 ) aufweist, ein erstes Barkhausenrausch-Signal (BN1 ) mit der Messvorrichtung bei deren Kalibrierung ermittelbar ist;
für ein zweites Referenzbauteil, das der vorbestimmten Bauteilgeometrie entspricht und einen zweiten Oberflächen härtewert (SH2) aufweist, der kleiner als der erste Oberflächen härtewert (SH1 ) ist, ein zweites Barkhausenrausch-Signal (BN2) mit der Messvorrichtung bei deren Kalibrierung ermittelbar ist;
in der Messvorrichtung eine Rechnereinheit vorgesehen ist, mit der eine zweite Kalibrationskurve (C2) bei der Kalibrierung der Messvorrichtung ermittelt wird, indem die erste Kalibrationskurve (C1 ) an das erste Barkhausenrausch-Signal (BN1 ) am ersten Oberflächen härtewert (SH1 ) und an das zweite Barkhausenrausch- Signal (BN2) am zweiten Oberflächen härtewert (SH2) gefittet wird, wobei über die zweite Kalibrationskurve (C2) im Betrieb der Messvorrichtung das gemessene Barkhausenrausch-Signal (SH) eines Bauteils (1 ) mit der vorbestimmten Bauteilgeometrie einem Oberflächen härtewert (SH) zugeordnet werden kann.
1 6. Messvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 14 ausgestaltet ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015102093A1 (de) 2015-02-13 2016-08-18 Pentacon Gmbh Foto- Und Feinwerktechnik Verfahren und Vorrichtung zur Rissprüfung von ferromagnetischen Werkstücken
US10183377B2 (en) 2015-12-08 2019-01-22 Caterpillar Inc. Method of standardizing grinder burn etch testing
CN106018541A (zh) * 2016-05-15 2016-10-12 北京工业大学 丝杠牙底硬度微磁无损检测方法
CN107064219B (zh) * 2016-10-27 2020-04-07 中国地质大学（武汉） 一种基于趋肤效应的铁磁性导体表面硬度测量方法及系统
FR3069635B1 (fr) * 2017-07-25 2019-08-02 Continental Automotive France Procede de calibration automatique d'un capteur d'arbre a cames pour moteur de vehicule automobile
CN109357868B (zh) * 2018-10-08 2020-09-22 中国矿业大学 轴承套圈的扫频涡流与巴克豪森噪声法的综合分选方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3783370A (en) * 1972-12-06 1974-01-01 Southwest Res Inst Method and circuit for compensating barkhausen signal measurements in magnetic materials having a variable geometry
EP0100009A1 (de) 1982-07-09 1984-02-08 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung E.V. Vorrichtung zum zerstörungsfreien Messen der Einhärtetiefe von Werkstoffen
EP0287873A2 (de) * 1987-04-16 1988-10-26 Siemens Aktiengesellschaft Messverfahren zur Messung und genauen Lokalisierung von Zugeigenspannungen in gehärteten Bereichen von Bauteilen
DE4333830A1 (de) 1993-09-30 1995-04-06 Pro Innovatio Forschungszentru Verfahren zur selektiven Erlangung geeigneter Größen zur kontinuierlichen ortsaufgelösten Überprüfung der oberflächennahen Materialparameter für die Fertigungskontrolle sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4634976A (en) 1983-05-05 1987-01-06 American Stress Technologies, Inc. Barkhausen noise method for stress and defect detecting in hard steel
HU219436B (hu) * 1995-05-09 2001-04-28 Magyar Államvasutak Rt. Eljárás és berendezés hézag nélküli vágányok semleges hőmérsékletének meghatározására
US5619135A (en) * 1995-07-17 1997-04-08 American Iron And Steel Institute Steel characteristics measurement system using Barkhausen jump sum rate and magnetic field intensity and method of using same
DE19601027C2 (de) * 1996-01-13 2003-04-17 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zur Analyse von Barkhausenrauschkurven von mehrphasigen Werkstoffen
DE102007001464A1 (de) 2007-01-03 2008-07-17 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer und/oder des Ermüdungszustandes von Bauteilen

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3783370A (en) * 1972-12-06 1974-01-01 Southwest Res Inst Method and circuit for compensating barkhausen signal measurements in magnetic materials having a variable geometry
EP0100009A1 (de) 1982-07-09 1984-02-08 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung E.V. Vorrichtung zum zerstörungsfreien Messen der Einhärtetiefe von Werkstoffen
EP0287873A2 (de) * 1987-04-16 1988-10-26 Siemens Aktiengesellschaft Messverfahren zur Messung und genauen Lokalisierung von Zugeigenspannungen in gehärteten Bereichen von Bauteilen
DE4333830A1 (de) 1993-09-30 1995-04-06 Pro Innovatio Forschungszentru Verfahren zur selektiven Erlangung geeigneter Größen zur kontinuierlichen ortsaufgelösten Überprüfung der oberflächennahen Materialparameter für die Fertigungskontrolle sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SUVI SANTA-AHO ET AL: "Development of Barkhausen noise calibration blocks for reliable grinding burn detection", JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY, ELSEVIER, NL, vol. 212, no. 2, 4 October 2011 (2011-10-04), pages 408 - 416, XP028119936, ISSN: 0924-0136, [retrieved on 20111012], DOI: 10.1016/J.JMATPROTEC.2011.10.003 *
T. GARTSKA: "The influence of product thickness on the measurements by Barkhausen Noise method", J. OF ACHIEVEMENTS IN MATERIALS AND MANUFACTURING ENGINEERING, vol. 27, no. 1, 1 March 2008 (2008-03-01), pages 47 - 50, XP055062678 *

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