Optische Messtechnik in der Anwendung

Tribologische beanspruchte Funktionsflächen: hier NSK-Kugellager

An einem Schulterkugellager NSK E12 (12 x 32 x 7 mm) sollen die Funktionsoberflächen analysiert werden, um Aussagen über das Reibungs- und Verschleißverhalten treffen zu können. Dafür werden die Kugeln, der Innen- und der Außenring des Lagers gemäß DIN EN ISO 4287 und DIN EN ISO 13565 sowie nach DIN EN ISO 25178 gemessen.

Kugelkäfig mit Kugeln
Kugellager Tribologie
Innere Lauffläche Kugellager
Funktionsoberfläche Kugellager
Kugellager Aussenfläche

Messsystem und Messverfahren

Die Charakterisierung der Oberflächentopographie erfolgt mit Hilfe von berührungsloser und hochpräziser Messtechnik von Confovis. Das 3D-Messmikroskop ConfoSurf CLV150, hier in Kombination mit dem 2-in-1 Scan-Modul ConfoCam C1+, bietet genauste und zuverlässige Messergebnisse und erlaubt im konfokalen Messmodus die Analyse feinster Mikrostrukturen sowie Rauheitsmessungen sogar von spiegelnden Oberflächen. Für die Auswertung von hohen Flankenwinkeln kann der Fokusvariations-Modus genutzt werden.
Die Auswertung erfolgt mit der Analyse-Software MountainsMap®.

1. Analyse der Einzel-Kugel

Einzel-Kugel mit Messbereich
A) Profilbasierte Auswertung gemäß DIN EN ISO 4287 und DIN EN ISO 13565

Die aus einem Profilschnitt gewonnenen Amplituden-Parameter nach ISO 4287 ermöglichen die Bewertung der Oberfläche nur in eingeschränktem Maße, da sie jeweils nur entlang einer Linie ermittelt werden.  Strukturbestandteile, die außerhalb dieser Linie liegen, bleiben dabei unberücksichtigt. Dies kann zu Fehlbewertungen führen. Deshalb bietet die Analyse-Software MountainsMap® eine Funktion zur automatischen Erstellung mehrerer über den gesamten gemessenen Oberflächenabschnitt verteilter Profilschnitte.

Primärprofil-Serie; erzeugt durch eine Serie von 1826 horizontalen Einzel-Profilschnitten (grün: ausgewähltes Einzelprofil; grau: Hüllprofil sämtlicher gemessener Punkte)
B) Flächenbasierter Rauheit gemäß DIN EN ISO 25178

Höhenparameter nach der DIN EN ISO 25178 werden aus den kompletten Messdaten des optisch eingescannten Texturbereiches berechnet und ermöglichen somit eine flächenhafte Bewertung der Mikrotopografie an der Messstelle.

C) Auswertung der SK-Werte gemäß ISO 25178

Zur Charakterisierung verschiedener Strukturen der Oberfläche hinsichtlich ihres tribologischen Verhaltens wird die Flächenmaterialanteilskurve verwendet. Sie beschreibt den Flächenmaterialanteil Smr abhängig von der Tiefe einer Schnittebene durch die Oberfläche.

Die Kernrautiefe Sk gibt an, wie belastbar die Oberfläche in ihrem Kernbereich ist. Die reduzierte Spitzenhöhe Spk ist die gemittelte Höhe der aus dem Kernprofil herausragenden Spitzen, die das Kontakt- und Reibverhalten zu anderen Oberflächen beeinflusst.

Die reduzierte Muldentiefe Svk ist die gemittelte Tiefe der vom Kern in das Material hineinragenden Mulden und charakterisiert damit die Fähigkeit der Aufnahme von Flüssigkeiten. Der obere Tragbereich Smr1 ist der Materialanteil oberhalb der Kernrauheit. Der untere Tragbereich Smr2 ist der Materialanteil unterhalb der Kernrauheit.

2. Analyse der Innenfläche des Lagers

A) Profil-basierte Rauheitsmessung nach DIN EN ISO 4287 und ISO 13565
Primärprofil-Serie, erzeugt durch eine Serie von 1699 horizontalen Profilschnitten. (grün: ausgewähltes Einzelprofil, grau: Hüllprofil sämtlicher gemessener Profile)
B) Flächenhafte Rauheitsauswertung gemäß DIN EN ISO 25178
S-L-Oberfläche, Nesting-Index: 80 µm

Höhen-Parameter sind vom Wert her nicht zwangsläufig mit den entsprechenden Amplituden-Parametern des Rauheitsprofils vergleichbar, da sie auf anderen Berechnungsmethoden basieren. So ist beispielsweise Sz nicht mit Rz vergleichbar sondern entspricht eher Rt (maximaler Peak-to-Valley-Wert innerhalb der gesamten Fläche bzw. Messstrecke).

C) Flächenhafte Auswertung (Sk-Werte) gemäß DIN EN ISO 25178

Zur Charakterisierung verschiedener Strukturen der Oberfläche hinsichtlich ihres tribologischen Verhaltens wird die Flächenmaterialanteilkurve (Abbott-Kurve) verwendet. Sie beschreibt den Flächenmaterialanteil Smr abhängig von der Tiefe einer Schnittebene durch die Oberfläche.

Aus der Abbott-Kurve lassen sich Parameter ermitteln, die das Funktionsverhalten der gemessenen Oberfläche charakterisieren.

D) Ermittlung der Volumen-Parameter nach DIN EN ISO 25178

Über die Integration der Flächenmaterialanteilkurve erhält man das Materialvolumen Vm sowie das materialfreie Volumen Vv pro Flächeneinheit sowie weitere Volumen-Funktions-Parameter.

Das Spitzen-Materialvolumen Vmp ist das Materialvolumen der obersten Spitzen der Struktur. Das Kern-Materialvolumen Vmc ist das Materialvolumen des Kernbereiches der Struktur. Das Kern-Leervolumen Vvc ist das Leervolumen des Kernbereiches. Das Mulden-Leervolumen Vvv ist das Leervolumen des Muldenbereiches.

3. Analyse des Lager-Außenringes

Ausschnitt der äußeren Lauffläche mit Messbereich
A) Rauheitsauswertung der Profilserie gemäß DIN EN ISO 4278 und ISO 13565
Primärprofil-Serie, erzeugt durch eine Serie von 1787 horizontalen Profilschnitten. (grün: ausgewähltes Einzelprofil; grau: Hüllprofil sämtlicher gemessener Profile)
B) Flächenhafte Rauheitsauswertung gemäß DIN EN ISO 25178
S-L-Oberfläche, Nesting-Index: 80 µm

Höhen-Parameter sind vom Wert her nicht zwangsläufig mit den entsprechenden Amplituden-Parametern des Rauheitsprofils vergleichbar, da sie auf anderen Berechnungsmethoden basieren. So ist beispielsweise Sz nicht mit Rz vergleichbar sondern entspricht eher Rt (maximaler Peak-to-Valley-Wert innerhalb der gesamten Fläche bzw. Messstrecke).

C) Flächenhafte Auswertung der Sk-Werte gemäß DIN EN ISO 25178

Zur Charakterisierung verschiedener Strukturen der Oberfläche hinsichtlich ihres tribologischen Verhaltens wird die Flächenmaterialanteilkurve (Abbott-Kurve) verwendet. Sie beschreibt den Flächenmaterialanteil Smr abhängig von der Tiefe einer Schnittebene durch die Oberfläche. Am höchsten Punkt der Struktur beträgt der Flächenmaterialanteil 0%, am tiefsten Punkt 100%.

Aus der Abbott-Kurve lassen sich Parameter ermitteln, die das Funktionsverhalten der gemessenen Oberfläche charakterisieren.

D) Auswertung der funktionalen Volumen-Parameter nach DIN EN ISO 25178

Über die Integration der Flächenmaterialanteilkurve erhält man das Materialvolumen Vm sowie das materialfreie Volumen Vv pro Flächeneinheit sowie weitere Volumen-Funktions-Parameter.