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Oberflächenrauheit

Rauheitsmessung und die Aufzeichnung des
Rauheitsprofils nach dem Linienabtastverfahren.


Sämtliche bisher behandelten Methoden der Rauheitsmessung haben zur Entwicklung von Apparaten geführt, die in aller erster Linie zur Verwendung auf Baustellen und somit für Auswärtsarbeiten bestimmt sind. Die immer höher werdenden Anforderung an die Qualität der gestrahlten Oberflächen verlangten gebieterisch Messmethoden, die auch ausserhalb wohleingerichteter Werkstätten eingesetzt werden können. Man war deshalb auch bereit, verschiedene Nachteile in Kauf

zu nehmen, so beispielsweise die Beschränkung auf eine einzige Messgrösse und die verhältnissmässig geringe Mess­genauigkeit. Mit der pneumatischen Rauheitsmessung kann beispielsweise nur der Wert Ra, mit den anderen Verfahren hingegen nur die grösste Rauhtiefe R, bestimmt werden. Die ermittelten Bezugsgrössen können überdies weder als beson­ders genau noch als einwandfrei den Norm-Vorschriften entsprechend bezeichnet werden, haben sich jedoch für dieses beschränkte Anwendungsgebiet dennoch als ausreichend erwiesen.

Im Gegensatz hierzu können mit den heute üblichen Geräten zur Abtastung des Oberflächenprofils entlang einer geraden Messstrecke mehrere genau definierte und auch normkon­forme Bezugsgrössen ermittelt und gleichzeitig auch das abgetastete Profil graphisch aufgezeichnet werden. Auch die im vorliegenden Handbuch wiedergegebenen Rauheitsprofile gestrahlter Oberflächen sind mit solchen Linienabtastgeräten aufgenommen worden. Diese Ausrüstungen sind vor allem für den Gebrauch in Werkstätten bestimmt und gelangen deshalb zumeist in mit Kontrollfunktionen beauftragten Messräumen zur Aufstellung, wo auch die erforderlichen Fachleute zu ihrer Bedienung zur Verfügung stehen. Durch diese örtlichen Gegebenheiten werden die Untersuchungen meistens an Strahlmustern oder Probestücken durchgeführt. In Anbetracht der immer grösser werdenden technologischen Anforderungen, sind Unternehmen, die über Einrichtungen dieser Art nicht verfügen, vielfach gezwungen, Rauheitsmessungen und Pro­filaufnahmen auswärts in Laboratorien oder Hochschulinsti­tuten durchführen zu lassen.

Beim Linienabtastmessverfahren wird ein kegelförmiges, mit einer feinen, unten abgerundeten Spitze versehenes Fühlor­gan, der sogenannte «Messtaster», durch ein Vorschubgerät mit konstanter Geschwindigkeit horizontal und gradlinig über die zu untersuchende Fläche geführt. Durch die Spitzen und Täler des Profils verursacht, führt der Taster gleichzeitig aber auch Bewegungen in der Vertikalebene aus, die in Stromimpulse umgewandelt werden müssen. Hierzu stehen grundsätzlich sehr verschiedene Lösungsmöglichkeiten zur-Verfügung. Je nach Fabrikat wird hierfür das elektrodyna­mische Prinzip verwendet, oder aber die Umwandlung erfolgt mit Hilfe des piezoelektrischen Effektes, durch Frequenz­modulation und so weiter. Ein bekannter, englischer Hersteller hat vor wenigen Jahren eine Neukonstruktion auf den Markt gebracht, bei der die für die Messung erforderlichen Strom­impulse auf photoelektrischem Wege erzeugt werden. Bei allen diesen Methoden sind die erhaltenen Messimpulse noch sehr schwach. Sie werden deshalb einem Auswerte- und Messgerät zugeleitet, um dort zunächst verstärkt und sodann ausgewertet zu werden. Hier werden die verschiedenen Bezugsgrössen errechnet und an den eingebauten Messinstrumenten ange­zeigt. Diese Aufgabe wird heute ganz allgemein mit elektro­nischen Bauelementen gelöst, die auch die nötigen Daten zur Steuerung des für die Aufzeichnung des Rauheitsprofils bestimmten Schreibers liefern. Was den Verstärkerteil und die Recheneinheiten anbelangt, so ist es wesentlich, dass die Stromimpulse linear und ohne Verzerrungen übertragen werden, da sonst Fehler entstehen. Die Elektronik gestattet es auch, beim Schreibgerät eine grosse Auswahl an verschie­denen Vergrösserungsmassstäben zur Verfügung zu stellen:

Eine vollständige Ausrüstung umfasst somit
  • den Messtaster samt zugehörigem Impuisgebersystem, wobei für die Untersuchung gestrahlter Flächen aus Dia­mant geschliffene, kegelförmige Tastorgane mit einem Flankenwinkel von 60° bevorzugt werden, deren abge­rundete Spitze einen Radius von 3 Mikron aufweist;
  • das Vorschubgerät für die Bewegung des Messtasters entlang der Messstrecke.
  • das Auswertegerät mit den Anzeigeinstrumenten und den Einstellknöpfen für die Vorwahl der Bezugsgrössen und der Messbereiche;
  • das Schreibgerät zur Aufzeichnung des ausgemessenen Rauheitsprofiles.
In Anbetracht der immer grösser werdenden Ansprüche an die Qualität der Endprodukte wird heute die Rauheitsmessung nach dem Linienabtastverfahren in vermehrtem Masse auch für Zwecke der Strahltechnik eingesetzt, so beispielsweise in der Stahlindustrie für die Überwachung kontinuierlich arbei­tender, grösserer Band-Entzunderungsanlagen, desweiteren beim Mattieren und Aufrauhen von Skin-pass-Walzen usw. Weiters aber auch in Schiffswerften und in verwandten Industriezweigen bei der Überwachung der Oberflächen-Rauheit nach dem Strahlen in grösseren, kontinuierlich arbeitenden Konservierungs-Strassen.

Es ist selbstverständlich nicht möglich, an dieser Stelle die verschiedenen Bauarten zu besprechen und untereinander zu vergleichen. Als Beispiel einer solchen Messeinrichtung zeigt Abbildung 1 A ein in Deutschland hergestelltes Gerät, dessen Auswerteteil und Profilschreiber in zwei getrennten Gehäusen untergebracht sind und mit dem drei verschiedene Bezugs­grössen Ra, 12, und RS (RMS) ausgewertet werden können. Zum Vergleich zeigt Abbildung 1 B das Erzeugnis eines bekannten englischen Herstellers, das allerdings eine wesent­lich geringere Auswahl an Bezugsgrössen bietet, da dieses Gerät normalerweise nur für das Messen von Ra (CLA) vor­gesehen wird. In England wird gelegentlich auch eine neue Bezugsgrösse «12,/.12,a,» zusätzlich verwendet. Die Bezeichnung heisst: «Average Peak to Trough Height». Es handelt sich somit um eine Verhältniszahl zwischen Mittelwert der Spitzenhöhe und der maximalen Rauhtiefe. Eine solche ist bisher in den deutschen Normen nirgends umschrieben. Das englische Gerät gestattet es, mit einer Zusatzeinrichtung diese neue Verhältniszahl auszuwerten. Es sei auch erwähnt, dass im zugehörigen Messtaster die Stromimpulse auf photoelek­trischem Wege erzeugt werden. Der Profilschreiber ist mit dem Auswertegerät zusammengebaut.
Abb. 1-A. Ausrüstung für die Untersuchung gestrahlter Flächen durch Abtastung der Profile entlang einer geraden Mess-Strecke (Linien-Abtast-Verfahren). Das Gerät links dient der Rauheitsmessung, wobei nach Wahl die Bezugsgrössen Ra, R, und R. (RMS) ermittelt werden können. Rechts im Bilde ist der Profilschreiber zur Aufzeichnung des Rauheitsprofils auf einem Registrierstreifen zu sehen. Davor das elektromechanisch angetriebene Vorschubgerät (mit den Buchstaben «TG» gekennzeichnet) mit dem auf einem Musterblech aufliegenden Obeflächen-Messtaster.
1 = Mess-Apparatur mit Anzeige-Instrument und verschie¬denen Drucktasten für die Vorwahl der zu messenden Bezugsgrösse.
2 = Profilschreiber mit Registrierstreifen und Vorwahl-Knöpfen für Vorschub des Messtasters, vertikalem Vergrösserungs-Massstab usw.
TG = Vorschubgerät mit auf Musterblech aufliegendem Oberflächen-Messtaster.
0 = Oberflächen-Messtaster.
Werkfoto: Dr. Ing. Perthen GmbH, Oberflächen-Messgeräte. D-3000 Hannover, BRD.

Die Geräte zur Durchführung des Linienabtastverfahrens müssen gut geschützt, in getrennten eigens für Messzwecke bestimmten Räumen untergebracht werden. Manchmal hat dieser Umstand eine Erschwerung des Arbeitsablaufes zur Folge, wie aus nachstehendem Beispiel hervorgeht. Kalt­walzwerke müssen heute, was die Oberflächenbeschaffenheit der Erzeugnisse anbelangt, mit sehr strikten Anforderungen der Kundschaft rechnen.

Abb. 1-B. «Taylor-Hobson»-Gerät Marke «Talysurf 10» für die Rauheitsmessung gestrahlter Oberflächen mit Ermittlung des arithmetischen Mittenrauhwertes Ra und gleichzeitiger Auf¬zeichnung des Rauheitsprofils nach dem Linien-Abtast- Verfahren. Vorn im Bild das Vorschubgerät mit dem Oberflächen-Messtaster, wobei die zur Steuerung der Mess-Apparatur dienenden Stromimpulse auf fotoelektrischem Wege erzeugt werden.
1 = Mess-Apparatur mit Anzeige-Instrument und eingebautem Profilschreiber.
2 = Vorschubgerät mit Oberflächen-Messtaster.
3 = Oberflächen-Messtaster.

Werkfoto: Rank Precision Industries Metrology Division; Leicester House — Lee Circle — Leicester LE 1 9JB — England


Die Automobilindustrie schreibt genau einzuhaltende Werte für die Rauheit vor, die je nach Abnehmer und Verwendungszweck sehr unterschiedlich sein können. Aber nicht nur beim Karosserieblech, sondern auch für Tiefziehqualitäten und in vielen anderen Fällen werden von den Kunden genau definierte Rauhwerte vorgeschrieben. Die Bezeichnung «Blech» ist in diesem Zusammenhang inso­fern missverständlich, als die Verarbeitung durch Kaltwalzen von Breitband erfolgt, das in grossen Rollen, den sogenannten «Coils», angeliefert wird. Dabei wird sowohl eine Streckung des Materials als auch eine Reduktion und Kalibrierung auf die gewünschte Dicke vorgenommen, unter gleichzeitiger Glättung der Oberfläche, die ein hellglänzendes, spiegelndes Aussehen annimmt. Als letzte, separate Kaltwalzung folgt der sogenannte «Skin-pass»-Stich, mit dem nur noch eine kleine Streckung des Materials von etwa 1-2% vorgenommen wird. Durch Verwendung von in einer Strahlanlage aufgerauhten Walzen erhält hier das Produkt die gewünschte rauhe Ober­flächenstruktur. Um die Qualitätsvorschriften mit Sicherheit einhalten zu können, muss jede Walze vor dem Einsetzen in das Walzgerüst nach dem Linienabtastverfahren untersucht werden, um sowohl die Gleichmässigkeit der Strahlbehand­lung als auch das Einhalten der Rauhwerte zu überprüfen. Nun stellen die «Skin-pass»-Walzen grosse, gewichtige Objekte dar, die im allgemeinen kaum von der Strahlanlage zum Messraum transportiert werden können, und dies um so weniger als es sich um eine laufende Produktion handelt. In manchen Fällen besteht die Möglichkeit, einen abgeschlos­senen Messraum unmittelbar neben dem Strahlraum einzu­richten. Dies gestattet die Verwendung spezieller, transpor­tabler Vorschubgeräte, die durch ein langes Kabel mit den Auswertegeräten im Messraum verbunden sind (siehe Abbil­dung 2) und direkt auf die in der Strahlanlage stehenden Walzen aufgesetzt werden können. Die zulässige Kabellänge ist jedoch beschränkt, da sonst Messfehler entstehen können. Meistens muss ein indirektes Verfahren angewandt werden, indem mit einer speziellen Kunstharzmasse Abdrücke der zu untersuchenden Stellen der Walzenoberfläche genommen werden. Diese erhärten nach kurzer Zeit und können dann in üblicher Weise abgetastet und mit den Messgeräten aus­gewertet werden.

Abb. 2. Vorschubgerätfürdie Rauhigkeitsmessung gestrahlter Oberflächen in Sonder-Ausführung für mobilen Einsatz. Der Vorschub des Oberflächen-Messtasters erfolgt elektromechanisch. An der Stirnseite des Gerätes (im Bild nicht sichtbar) ist eine Uhr angeordnet, die während des Abtast- Vorganges die zurückgelegte Taststrecke fortlaufend und kontinuierlich anzeigt.
TG= Vorschubgertit für mobilen Einsatz auf grosser Walze aufliegend
O = Oberflächen-Messtaster.
I = Verbindungskabel zur Mess-Apparatur und zum Profilschreiber.

Werkfoto: Dr. Ing. Perthen GmbH. Oberflächen-Messgeräte, D-3000 Hannover, BRD


Für Fälle dieser Art hat die Firma E. I. du Pont de Nemours & Co. Inc. in USA ein neues Verfahren entwickelt, das einen mit einem Klebstoff beschichteten Spezialfilm verwendet. Um von der zu untersuchenden Stelle einen Abdruck zu nehmen, wird der Film auf die zu untersuchende Stelle aufgelegt und mit Hilfe eines Spezialwerkzeuges fest und gleichförmig angepresst. Der Film kann sofort abgezogen werden, und derAbdruck ist unmittelbar darauf für die Untersuchung durch Abtasten bereit. Dieses Produkt wird durch die Firma Testex Inc. in Newark, Delaware. USA, vertrieben.


Messen und Zählen von Profilspitzen

Wie erwähnt. werden für Karosseriebleche besonders hohe Anforderungen an die Struktur der Oberfläche gestellt. Die Automobilwerke sind bestrebt, eine möglichst gute Haftung und eine lange Lebensdauer der Farbanstriche zu erreichen. In manchen Pflichtenheften wurde deshalb zusätzlich noch eine «Daumennagelprobe» vorbehalten, die im Grunde genommen die Annahme oder Ablehnung einer Lieferung dem subjektiven Tastgefühl des Abnahmebeamten des Käufers anheimstellt. Die Spezifikation der üblichen Rauh-werte wurde als nicht ausreichend angesehen. um die Qualität der Oberfläche vollständig zu definieren. Man ging in vielen Fällen auch dazu über, noch zusätzlich die Anzahl «peaks» pro Längeneinheit vorzuschreiben. Der Begriff wird durch das Diagramm Abbildung 3 veranschaulicht.




Abb. 3. Schematische Darstellung der Arbeitsweise von Apparaten zum Zählen von Profilspitzen. die über einen vor dem Messen vorgewählten Wert der Rauheit hinausragen
B = Rauhtiefe. innerhalb der die Profilspitzen nicht gezählt werden. Der Wert von «B» wird vor der Messung vor¬gewählt. Nur die darüber hinausragenden Profilspitzen werden gezählt. Die Grösse B verteilt sich symmetrisch unterhalb und oberhalb der als Bezugslinie dienenden mittleren Linie M (im englischen Sprachgebiet als «Peak Count Level» bezeichnet).
M = mittlere Linie des nach dem Linien-Abtast-Verfahren aufgenommenen Rauheitsprofils («Zero Reference Line»).
P = Istprofil der Oberflächen-Rauheit («Roughness Profile»).
E = erstmaliges Unterschreiten des vorgewählten Wertes B der Rauhtiefe. Hierdurch wird automatisch die Bereitstellung des Profilspitzen-Zählwerkes eingeleitet («Activating the Peak Counter System»).
Zr = Istprofil überschreitet zum erstenmal den vorgewählten Wert B. und das Zählwerk registriert deshalb die erste Profilspitze. Sodann wird das Zählwerk automatisch abgeschaltet. Erst nach einem darauf folgenden, aber¬maligen Unterschreiten des unteren Wertes von B kann das Zählwerk die nächstfolgende Profilspitze registrieren.
R = Wieder-Einschalten des Zählwerkes nach Zählung einer Profilspitze beim nochmaligen Unterschreiten des unteren Wertes von 8 durch ein Wellental des Istprofils.
Z, = zweite Profilspitze wird durch das Zählwerk registriert. Z3 = dritte Profilspitze wird gezählt.



Man versteht darunter die Anzahl Profilspitzen pro Längeneinheit die über einen vorgewählten Mittelwert hinausragen. So würde bei der in Abb. 3 gezeichneten Einstellung das Gerät auf der Messstrecke nur 3 Profilspitzen zählen. Abbildung 4 zeigt einen solchen Apparat amerikanischer Bauart, der im An­schluss an eine übliche Linienabtastausrüstung das Messen und Auszählen der Profilspitzen übernimmt.

Abb. 4. Elektronisches Gerät amerikanischer Bauart zum Zählen von Profilspitzen an Oberflächen-Rauheitsprofilen. Die Steuerung und die Eingabe der Messwerte erfolgen von einer nach dem klassischen Linien-Abtast- Verfahren arbeitenden Ausrüstung. Digitale Anzeige der pro Zoll Weglänge des Oberflächen-Messtasters festgestellten Anzahl Profilspitzen. Werkfoto: Bendix Corporation; Automation and Messurement Division, Ohio, 45 401, USA.


Quelle: Dipl.-Ing. ETH I. Horowitz: Oberflächenbehandlung mittels Strahlmitteln