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EFB-Forschungsbericht Nr. 057

3D-Erfassung von Blechoberflächen zur Beschreibung des tribologischen Verhaltens

efb57

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Klaus Siegert, Dipl.-Ing. Stefan Wagner Institut für Umformtechnik der Universität Stuttgart

133 Seiten (Sw 93 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-120-8

Preis (Digital) EUR 62,00

Preis (Print) EUR 69,60

Schlagwörter: tribologisch, 3D-Erfassung

Zusammenfassung

Im ersten Schritt dieser Untersuchung wurde ein Vergleich mehrerer auf dem Markt erhältlicher Oberflächenmeßgeräte durchgeführt. Neben dem Tastschnittgerät sind zwei optische 3D-Meßgeräte, die die Oberfläche mit einem Infrarot-Laser erfassen und ein weiteres optisches 3D-Meßgerät, das nach dem Prinzip der Streifenprojektion arbeitet, in die Untersuchung mit einbezogen worden.

Dabei zeigte sich, daß die erhaltenen Meßergebnisse sehr stark sowohl vom gewählten Meßgerät bzw. Geräteprinzip als auch von den wahlweise einstellbaren Meßparametern der einzelnen Geräte (Meßfeld, cut-off ... ) abhängen. Favorisiert wurde schließlich das nach dem Prinzip der Streifenprojektion arbeitende Meßgerät, da es aufgrund seiner Meßzeit von weniger als 100 ms und der daraus folgenden geringen Störungsanfälligkeit hervorragende Perspektiven für den industriellen Einsatz bietet.

Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, ein Verfahren bzw. eine Methode zu entwickeln, mit der es schnell und einfach möglich ist, das tribologische Verhalten verschiedener Oberflächenstrukturen von Feinblechen beschreiben zu können. Da mit den im Tastschnittverfahren gewonnenen linienförmigen Rauheitsparametern keine eindeutige Charakterisierung der vorliegenden Oberflächenstrukturen möglich ist, wurde der völlig neue Weg beschritten, aus einer dreidimensionalen Darstellung der Oberflächentopographie Kenngrößen abzuleiten.

Dazu werden Horizontalschnitte durch die Oberfläche gelegt und neben dem Flächentraganteil die Größe, Anzahl und die Form der einzelnen Tragflächen und abgeschlossenen Luftanteilen dieser Schnittebene ermittelt. Aus diesen Kurven wurden neue Kennwerte abgeleitet, die in Verbindung mit der Rauheitsanisotropie eine eindeutigere Beschreibung der Oberflächenstruktur erlauben und eine gute Korrelation mit dem im Streifenzug ermittelten tribologischen Verhalten ergeben.

So wurde festgestellt, daß mit diesen neuen Kenngrößen feingliedrige Oberflächen mit vielen einzelnen Tragflächen sowie abgeschlossenen Schmierstofftaschen und gröbere Oberflächenstrukturen mit großen Plateauflächen bzw. Oberflächen mit kommunizierenden Schmierstoffbereichen unterschieden werden können. Als wichtige Erkenntnis ist weiterhin festzuhalten, daß nicht nur die maximale Anzahl von Tragflächen und Luftanteilen als auch deren Größe von Wichtigkeit ist, sondern zusätzlich die Lage der Schnittebene mit diesen maximalen Parametern. Die Beschreibung der Oberfläche anhand eines einzigen Kennwertes ist nicht möglich, vielmehr müssen alle 3D-Kenngrößen im Zusammenhang gesehen werden.

Weiterhin wurde das Einglättungsverhalten der vorliegenden Oberflächenvarianten untersucht. Hierbei zeigte sich, daß die Einglättung hauptsächlich zu Lasten der neu definierten Feinstspitzenbereiche geht. Bei Oberflächenstrukturen, die sich tribologisch ungünstiger verhalten, findet bereits bei kleinen Flächenpressungen auch eine Einglättung in den tiefer liegenden Bereichen statt.

Nach Abschluß dieser Untersuchung erscheinen weitere Arbeiten auf dem Gebiet der dreidimensionalen Erfassung von Oberflächenstrukturen notwendig, da genormte Meßparameter zu entwickeln sind, ähnlich wie sie für das Tastschnittverfahren in einem Stahl-Eisen-Prüfblatt bereits vorliegen.

Eine gerätetechnische Weiterentwicklung sollte dahingehend erfolgen, daß nicht mehr wie bisher die zu vermessende Probe zum Meßgerät gebracht werden muß, sondern daß ein portabler Sensor entwickelt wird, mit dem es möglich ist, die Blechoberfläche beispielsweise an der Zuführeinheit einer Presse oder direkt am Walzenauslauf zu erfassen. Aufgrund der im Millisekunden-Bereich liegenden Meßzeit bietet sich die Weiterentwicklung des Verfahrens der Streifenprojektion (automatische Fokussierung, Meßfeldvergrößerung) an.

Um die Vorgänge bei der Einglättung besser verstehen zu können und um die Oberflächenstrukturen weiter optimieren zu können, müssen entsprechende Schnittstellen und Verfahren entwickelt werden, um eine Finite-Element Simulation des Einglättungsverhaltens durchführen zu können.

Das Forschungsvorhaben „3D-Erfassung von Blechoberflächen zur Beschreibung des tribologischen Verhaltens“ wurde unter der Fördernummer AiF-Nr.: 8983 von der EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V.) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 57 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.   

Inhalt

1 Einleitung
2 Stand der Kenntnisse
2.1 Anforderungen an Blechoberflächen
2.2 Beschreibung von Blechoberflächen
2.3 Ermittlung des Einglättungsverhaltens
2.4 Meßgeräte zur Erfassung der Oberflächenstruktur
2.4.1 Tastschnittgerät
2.4.2 Infrarot-Laser (Fa. Rodenstock)
2.4.3 Infrarot-Laser (Fa. UBM)
3 Zielsetzung
4 Vorgehensweise, Versuchseinrichtungen und verwendete Versuchsmaterialien
4.1 Vorgehensweise, Versuchsplan
4.2 Verwendete Blechwerkstoffe, Schmierstoffe
4.3 Streifenziehanlage
4.4 3D-Oberflächenmeßgerät Streifenprojektion
4.4.1 Streifenprojektion
4.4.2 Vergleichende Untersuchung
4.4.3 Zusammenfassende Bewertung
5 Kennwerte zur 3D-Beschreibung von Blechoberflächen
5.1 Grundgedanke
5.2 Analyse der Oberflächenstruktur
5.2.1 3D-Abbot-Kurve
5.2.2 Beschreibung von Form und Größe der Rauheitserhebungen
5.2.3 Formbeschreibung der Rauheitserhebungen
5.2.4 Rauheitsanisotropie
5.3 3D-Auswertung
5.4 Auswertesoftware
5.5 Ermittlung des tribologischen Verhaltens
5.6 Korrelation: Tribologisches Verhalten- 3D-Kennwerte
5.6.1 3D-Abbot-Kurve
5.6.2 Korrelation mit dem Anisotropieverhalten
5.6.3 Abweichungen von der idealen Oberflächenstruktur
5.6.4 Korrelation mit dem Adhäsionsverhalten
6 Einglättung von Blechoberflächen
6.1 Vorgänge bei der Einglättung
6.2 Einglättung unter reiner Kontaktnormalspannung
6.3 Einglättung unter Belastung mit Relativbewegung
7 Riebtreihe für tribologisch günstige Oberflächenstrukturen
8 Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
Anhang
A 1: Rauheitsmessungen Hommel-Tester
A2: Rauheitsmessungen Infrarot-Laser Fa. Rodenstock
A3: Rauheitsmessungen Infrarot-Laser Fa. UBM
A4: Rauheitsmessungen Streifenprojektion
A5: Vergleichsmessungen aller Oberflächenmeßgeräte
A6: Mechanische Kennwerte aus Zugversuch