Werkzeugvermessung Chromatische Weißlichtsensoren vermessen berührungslos Werkzeug-Schneidkanten

Während es in der Vergangenheit meist genügt hat, den mittleren Kantenradius zu bestimmen, erfordern moderne Architekturen die Überwachung unterschiedlicher Eigenschaften wie der Schneidkanten-Mikrokontur

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Während es in der Vergangenheit meist genügt hat, den mittleren Kantenradius zu bestimmen, erfordern moderne Architekturen die Überwachung unterschiedlicher Eigenschaften wie der Schneidkanten-Mikrokontur und deren Verlauf, der räumlichen Kantentopografie, der Oberflächengüte sowie der Schartigkeit (Bild 1).

Messtechnik kommt schnellan physikalische Grenzen

Dies zu realisieren, ist die Zielsetzung einiger kommerziell verfügbarer Messsysteme. Aber infolge der komplexen Messsituation, die sich durch unzugängliche und reflektierende Metalloberflächen sowie Messgrößen im µm-Maßstab auszeichnet, gelangen die Messsysteme häufig an die Grenzen des physikalisch Möglichen. Im Folgenden wird ein Messsystem vorgestellt, das den Anforderungen der Kantenpräparation im besonderen Umfang gerecht wird.

Die charakteristischen Kenngrößen einer Schneidkante ergeben sich generell durch eine Ausgleichsrechnung über den Koordinaten der erfassten Messpunkte. Infolgedessen ist die Validität des Messergebnisses durch die Anzahl der unabhängigen Messpunkte im Auswertebereich festgelegt und erhöht sich nicht durch etwaige Interpolationspunkte. Dementsprechend ist die Genauigkeit einer Messung direkt durch die laterale Auflösung des Messsystems vorgegeben. Taktile und optische Messsysteme sind diesbezüglich unterschiedlichen Grenzen unterworfen.

Taktile Messsysteme weisen beispielsweise einen räumlich ausgedehnten Kontaktkörper auf, dessen Tastfehler durch eine Systemkalibrierung kompensiert werden muss. Aufgrund der hohen Werkzeughärte erfahren die Tastkörper jedoch einen vergleichsweise hohen Verschleiß, und die Kalibrierung verliert schnell ihre Gültigkeit. Darüber hinaus ist die Erfassbarkeit komplexer Oberflächen zum Teil durch die Ausdehnung des Tastarms begrenzt.

Bei optischen Messsystemen werden physikalische Strahlungseffekte genutzt, um Messobjekte berührungslos durch elektrische Signale abzubilden. Dadurch entfällt generell die Tastnadelproblematik, und die Systeme eignen sich hervorragend für prozessbegleitende oder qualitätssichernde Prüfaufgaben im Bereich der Werkzeugherstellung. Andererseits unterliegt die Messgenauigkeit den physikalischen Reflexions- und Beugungseigenschaften der Werkzeugoberfläche. Beispielsweise weisen gestrahlte Oberflächen vielfach eine matte, gut erfassbare Topografie auf, während gebürstete oder beschichtete Flächen häufig sehr stark reflektieren.

Geeignete Messverfahren

Prinzipiell eignen sich deswegen die folgenden optischen Verfahren zur Abstandsmessung und Formbestimmung eines Werkzeugs:

• Weißlicht-Interferometrie

• Rasterkraftmikroskop

• Streifenprojektion

• chromatische Weißlichtmessung.

Die Wahl des Messverfahrens richtet sich allem voran nach der räumlichen Ausdehnung der zu überwachenden Werkzeugschneide, weil die maximalen Messbereiche der einzelnen Verfahren stark differieren. Weitere Unterschiede werden im Folgenden beschrieben.

Die Stärken der Weißlichtinterferometrie liegen in den kurzen Messzeiten und dem hohen Auflösungsvermögen, wohingegen die Messung an schwer zugänglichen Stellen selten zerstörungsfrei durchgeführt werden kann. Das Rastermikroskop kann in zwei Modi betrieben werden. Im ungeregelten Messmodus zeichnet es sich durch relativ hohe Messgeschwindigkeiten und geringe Belastung für die Oberfläche aus.

Im geregelten Messmodus ist die Messgeschwindigkeit dagegen deutlich reduziert. Darüber hinaus tritt bei hohen Auflösungen in beiden Messmodi eine Bildverzerrung durch thermisches Driften auf. Weiterhin können die Höhenbilder stark reflektierender Proben durch Interferenzstreifen verfälscht sein. Schließlich ist dieses Messverfahren schwingungsanfällig. Die Streifenprojektion dient der sehr schnellen Oberflächenerfassung. Schwierigkeiten bestehen bei stark reflektierenden oder sehr dunklen Oberflächen, zerklüfteten Körpern, scharfen Kanten und nicht zuletzt bei Messungen mit hoher Umgebungslicht-Intensität.

Chromatisches Weißlicht für alle Oberflächen

Bei der chromatischen Weißlichtmessung können alle Oberflächen gemessen werden. Sie erlaubt das Bestimmen großer Winkel und besitzt ein hohes Auflösungsvermögen. Nachteil ist der zum Teil geringe Abstand zwischen Probe und Sensor.

Am Fachgebiet für Produktionstechnik und Werkzeugmaschinen des Instituts für Produktionstechnik und Logistik der Universität Kassel wird für die Werkzeugüberprüfung und Qualitätssicherung ein optisches Messgerät der FRT GmbH eingesetzt, das nach dem Prinzip der chromatischen Aberration arbeitet (Bild 2).

Weißes Licht wird mit einem Messkopf mit stark wellenlängenabhängiger Brennweite auf das Messobjekt fokussiert. Die spektrale Verteilung des an der Oberfläche gestreuten Lichts weist daher ein charakteristisches Maximum auf, aus dessen Wellenlänge die Höhe des Messobjekts berechnet wird.

Das Messgerät bildet die Oberfläche berührungslos ab. Eine hohe Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit stellen die wesentlichen Vorteile des Gerätes dar. Es ist keine mechanische Kompensation erforderlich, und die Erfassung unzugänglicher Messobjekte wie Grundbohrungen ist durchführbar. Prinzipiell stehen zwei unterschiedliche Messbereiche zur Verfügung, wodurch für jede Anwendung die bestmögliche Sensorwahl im Bezug auf die geforderten Ansprüche gewährleistet ist. Messungen von Kontur, Rauheit und Topografie oder für die Schichtdickenbestimmung sind dementsprechend möglich. Das Gerät besitzt darüber hinaus eine CCD-Kamera zur Festlegung der Messposition. Standardschnittstellen ermöglichen automatische Messabläufe.

Rückführung auf ein Prüfnormal

Voraussetzung für die repräsentative Bewertung von Schneidkanten ist eine Messgrößen-Rückführung auf zertifizierte Prüfnormale. Dabei handelt es sich um hochpräzise Maßverkörperungen, die beispielsweise von der physikalisch technischen Bundesanstalt (PTB) kalibriert werden. Für die Messungen wurde ein von der PTB entwickelter Mikroprüfkörper zur Evaluierung der Genauigkeit eingesetzt. Die ermittelten relativen Fehler liegen bei 0,01 % (Streckenmaße), 0,02 % (Radien) und 0,005 % (Winkel).

Für die Charakterisierung der Schneidkante werden wichtige Kenngrößen nach der Messwertaufnahme in einem Post-Prozess automatisch ermittelt, um reproduzierbare Ergebnisse ohne Bedienereinfluss zu erhalten. Dafür werden die räumlichen Koordinaten der Schneidkantentopografie zunächst mit einer lateralen optischen Auflösung von 1 µm erfasst (Bild 3). Dies erlaubt eine statistische Bewertung des flächenhaften Werkzeugareals und vermeidet Fehlurteile aufgrund geringer Datendichte.

2D-Kontur aus Profillinen

Aus den 25 bis 100 Profillinien wird dabei eine repräsentative 2D-Kontur erzeugt, welche für die numerische Auswertung ausgerichtet wird. Mit Hilfe geeigneter Heuristiken können nun der mittlere Radius sowie etwaige Mikro-Fasen und deren Mikroradien bestimmt werden. Bild 4 zeigt im oberen Teil den ermittelten mittleren Kantenradius einer Werkzeugschneide als rote Fläche. Dieser Bereich ist im unteren Teil der Abbildung als Detailansicht dargestellt, wobei die Winkel den tatsächlichen Eingriffbedingungen entsprechen. Dementsprechend können der effektive Spanwinkel sowie die kritische Spanungstiefe im Radiusbereich angegeben werden. Ebenso sind Keil-, Span- und Freiwinkel bei definierter Einspannsituation automatisch erfassbar.

Erst diese Kenngrößen ermöglichen bei Berücksichtigung der räumlichen Werkzeugpositionierung im Bearbeitungsfall die Bestimmung des effektiven Spanwinkels, der wiederum maßgeblich die Schneidenbelastung determiniert. Parallel können Oberflächenqualität und Schartigkeit direkt als Rauhigkeitskennwerte der entsprechenden Werkzeugareale ausgelesen werden.

Die Messtechnik und der Messalgorithmus sind also geeignet, die komplexen Mess-, Auswertungs- und Anpassungsaufgaben statistisch abgesichert durchzuführen. Dies zu demonstrieren, ist ein Ziel des Projektes Quik (Qualität in der Kantenverrundung) der Universität Kassel, bei dem die Qualität unterschiedlicher Kantenverrundungsverfahren klassifiziert werden soll. MM

Prof. Dr.-Ing. Franz Tikal ist Leiter des Fachgebietes für Produktionstechnik und Werkzeugmaschinen am Fachbereich Maschinenbau der Universität Kassel. Dr.-Ing. Patrick Gleim und Dr.-Ing. Sven Holsten sind dort als wissenschaftliche Mitarbeiter tätig. Weitere Informationen: Sven Holsten, 34125 Kassel, Tel. (05 61) 8 04-39 18, holsten@uni-kassel.de

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