Senzor na rozptýlené světlo měří funkční povrchy

Výroba a zajištění jakosti technických funkčních ploch v automobilové výrobě se stává stále komplexnějším problémem. Příčinou je jednak fakt, že mikrostruktura povrchu vysoce namáhaných ploch je dodatečným obráběním, jako rolování, finišování, tvrzení a lapování, cíleně modifikována, na druhé straně nemohou být tyto změny textury často dostatečně přesně popsány obvyklými parametry dotykového měření, jako Ra, Rz, Rk.

Pomocí nové metody měření na principu rozptýleného světla je nyní jak vlastní výroba, tak i řízení jakosti schopno, doplňkově k dotykové (nebo optické, bezdotykové) metodě měření zaručit stoprocentní kontrolu funkčních ploch bezprostředně ve výrobním procesu. Při výrobě příkladně klikových hřídelí je pomocí této metody možné závazně kvalifikovat jakost ložiskových čepů.

Drsnost popisuje funkčnost povrchu

Je-li k popisu funkční plochy jako popisující parametr vzata drsnost, je nutné přihlédnout k faktu, že všechny parametry jsou vztaženy na kolmé hodnoty (výška, hloubka). Tyto reprezentují pouze jednorozměrnou hodnotu (výškovou koordinátu a z ní vypočítanou hodnotu drsnosti) pro trojrozměrnou topografii povrchu. U ložiskových čepů klikových a vačkových hřídelí zajišťují zobrazené plošky dobrý kontakt s povrchem třecího ložiska, na druhé straně se ve chtěných vrypech schraňuje dostatek oleje na to, aby ani při vysokých otáčkách nedošlo k odtržení potřebného olejového filmu.

Čistě vertikální parametr Rz nelze v tomto případě k popisu kluzných vlastností tohoto povrchu použít. Jiné parametry, jako např. Rmr nebo Rk, mohou tyto rozdílné typy profilů sice lépe popsat, ale nejsou v hraničních případech také schopny spolehlivě rozlišit určitou strukturu profilu od druhé.

Příčinou toho všeho je dnes běžná praxe, že k charakterizaci celé plochy slouží pouze velmi malý profil sejmutý diamantovým hrotem snímací jehly. V hraničních oblastech výrobních tolerancí nemohou tak plochy s různým opracováním být spolehlivě rozlišeny.

Výsledkem procesu broušení je struktura vrypů s profilovými špičkami, následný proces finišování tyto špičky částečně odstraní. Podobně jako při rolování anebo hladkém válcování jsou povrchy modifikovány do té míry, že se jejich funkční vlastnosti výrazně zlepší. Ve výrobě motorů má tato modifikace povrchu velký význam. Tak bývají klikové a vačkové hřídele finišovány, aby se výrazně zlepšilo jednak chování hřídele při záběhu motoru, tak i její tribologické vlastnosti (tření, opotřebování).

Pro řízení jakosti je nyní velmi důležité nejen měření hloubky drsnosti na výrobku, nýbrž i schopnost analýzou výsledného profilu rozlišit jednotlivé způsoby opracování. Budou-li např. klikové hřídele s otevřeným profilem zabudovány do motoru, je podstatně vyšší pravděpodobnost předčasného výpadku. Je tedy velmi významné, aby kromě vertikálního parametru Rz byla dána možnost vyhodnocení charakteristické formy profilu po finišování, a to dle možnosti pro všechny díly na sto procent. Dotyková měřidla jsou pro tuto úlohu příliš pomalá a v hraniční oblasti nedostatečně přesná.

Metoda rozptýleného světla hodnotí ložiskové plochy klikových hřídelí

Metoda rozptýleného světla byla dosud používána výhradně v rozměrech řádu nanometrů, např. pro vyhodnocování ploch waferů. Metoda měření pomocí rozptýleného světla systémem QS 500, uvedená na trh před krátkým časem firmou Optosurf Ettlingen, je vhodná pro střední rozsah drsnosti (0,01 < Ra < 1 µm) a vyhodnocuje spolehlivě rozdíly v hloubce drsnosti, texturu ve směru opracovávání a formu profilu.

Povrch je ozařován světelnou skvrnou o průměru 0,9 mm a reflektované rozptýlené světlo je snímáno detektorem. Rozptýlení je statisticky vyhodnoceno a vypočítaný optický parametr drsnosti So odpovídá zhruba parametru úhlů profilu Rdq, který vyhodnocuje jak vertikální, tak horizontální souřadnici profilu. Rychlost měření je velmi vysoká (více než 1 000 měření drsnosti za vteřinu), a senzor pracuje spolehlivě i za velmi drsných provozních podmínek. Mohou být měřeny nejen všechny jednotlivé díly, nýbrž i veškeré funkční plochy na jednotlivém dílu. Parametr So je nezávislý na reflexi, tzn. tmavé tvrzené plochy mají stejnou hodnotu drsnosti jako plochy světlé, netvrzené. Další výhodnou vlastností senzoru je necitlivost ohledně vibrací. Odstup senzoru od měřené plochy se může měnit až o jeden mm bez jakéhokoli vlivu na So hodnotu.

Následující hodnoty jsou výsledkem měření u Škody Auto v Mladé Boleslavi, kde byl senzor testován na různých dílech motoru a převodovky (hnací hřídel, kliková a vačková hřídel) ve výrobě. Snímání se děje dynamicky, tedy kliková hřídel se otáčí, přičemž senzor samočinně zaregistruje správnou měrnou pozici (měrný spot musí dopadat na plochu kolmo) a registruje platné měrné hodnoty.

Bylo měřeno cca 160 broušených a finišovaných klikových hřídelí, nejdříve obvyklým dotykovým způsobem a poté měřicím systémem Optosurf. V prvním kroku byly měřené plochy očištěny od oleje, v druhém měření opakována bez očištění. Měřením se ukázalo, že systém jednoznačně rozliší díly finišované od broušených. U dotykových měřidel existuje oblast překrývání, kde se finišované od lapovaných dílů nedají jednoznačně odlišit. Opakování vyhodnocení s přihlédnutím k parametru Rk bylo trochu lepší, ale stále ještě existovaly oblasti překrývání, kdy se oba procesy nedaly od sebe odlišit.

Měření provedená v druhém kroku ukázala, že ani olejový film na ploše způsobený výrobním procesem nemá zásadní vliv na rozlišovací schopnost senzoru. Hodnota parametru So se pouze posunula směrem k vyšším hodnotám o cca 15 procent.

Tímto se prokázalo, že použití metody rozptýleného světla přináší velké výhody ve výrobě motorů. Důležité funkční plochy mohou být na 100 procent přezkušovány, a optický parametr So (během roku 2008 vejde do DIN Norem jako Aq) je schopen jednoznačně rozlišovat různé způsoby opracovávání lépe než veškeré dosavadní parametry dotykové kontroly. Robustní provedení senzoru dovoluje jeho nasazení v bezprostřední blízkosti stroje.

Měrný software kontroluje výrobní proces

Software ke sběru měrných dat řídí senzor a ukládá měřená data do SQL datové banky. Vymezením hraničních hodnot může být dosaženo plně automatizované výroby s tím, že díly, které přesahují hraniční hodnoty, jsou automaticky vyřazovány. Jednoduché statistické funkce vypočítají z jednotlivých měřených hodnot pro funkční plochu střední hodnotu, standardní odchylku a maximální odchylku. Nadto je vedena statistika všech nástrojů pro výrobní šarži, čímž je možné dokumentovat průběh výrobního procesu.

Senzor na rozptýlené světlo jako in-line měřicí systém kontroluje výrobní proces a dodává průběžně data o stavu pracovního stroje. Toto umožňuje zavčas rozeznat procesní chyby (výpadek chlazení, poškození ložisek, opotřebování výrobního nástroje), ale i zaznamenat údaje o kvalitě produkce v dlouhém časovém úseku.

Dr. Rainer Brodmann

Ing. Karel Tlášek

Škoda Auto

www.skoda-auto.com

Karel.Tlasek@skoda-auto.cz