Messung von Kegelverjüngungen

Verjüngung

Eine Verjüngung (auch „Kegelverjüngung“ aufgrund ihrer Form) hat die Eigenschaft, dass der Durchmesser, die Breite oder die Dicke einer langen, schmalen Struktur zur Spitze hin allmählich kleiner wird. Es gibt viele verschiedene Arten von Kegelformen, die je nach Verwendungszweck ausgewählt werden. Diese werden zur Verstärkung einer Struktur oder zur Erleichterung des Einbaus verwendet und werden durch Verfahren wie Pressen oder Schneiden geformt.
Das Hinzufügen einer solchen Kegelform wird als Verjüngung bezeichnet. Ein großer Kegelwinkel wird als starke Verjüngung und ein kleiner Kegelwinkel als schwache Verjüngung bezeichnet. Zudem ist es wichtig, den Begriff „Neigung“, der eine ähnliche Form beschreibt, von einer Verjüngung zu unterscheiden.

Unterschied zwischen Verjüngung und Neigung

Eine Form, die auf beiden Seiten einen Neigungswinkel hat, ist eine Verjüngung, während eine Form, die auf einer Seite einen Neigungswinkel hat, während die andere Seite flach ist, als Neigung bezeichnet wird. Wenn Sie zum Beispiel die gleiche kreisförmige Kegelform betrachten und die schräge Fläche einer Seite nur mit der Mittellinie als Referenz beschreiben, dann handelt es sich um eine Neigung. Wenn Sie die schrägen Flächen beider Seiten beschreiben, dann handelt es sich um eine Verjüngung.

Zeichnungsdarstellung für Verjüngung und Neigung

Verjüngung und Neigung werden jeweils durch ein Symbol und einen numerischen Wert angezeigt. Die Größe der Verjüngung wird durch den Kegelwinkel oder das Kegelverhältnis angegeben. Die Neigung wird durch eine Zahl angegeben, die als Neigungsverhältnis bezeichnet wird.

Messobjekte, in denen Verjüngungen verwendet werden

Verjüngungen werden in einer Vielzahl von Messobjekten verwendet, z. B. in Lagern, die Stifte oder Wellen tragen, in Rohren, Kühlkörpern oder Flanschen. Die Formen sind alle spitz zulaufend, haben aber unterschiedliche Eigenschaften. Zudem sind ihre Einsatzzwecke unterschiedlich.

Darüber hinaus wird eine Verjüngung mit einer parabolischen Form (Parabolkegel) in Messobjekten verwendet, die den Flüssigkeitswiderstand verringern sollen, wie z. B. Rohre und Flugzeugkörper. Bei Komponenten wie z. B. Stiften, die eingesetzt werden, um Messobjekte zusammenzufügen, wird eine umgekehrte Verjüngung verwendet. Eine umgekehrte Verjüngung hat eine Form, die von einer regulären Verjüngung abweicht und eine Spitze hat, die dicker ist als die Basis.

Berechnung des Kegelwinkels

In Zeichnungen wird die Verjüngungsgröße in der Regel durch das Kegelverhältnis angegeben. In Fällen wie der Bearbeitung auf einer Drehmaschine kann jedoch der Wert des Kegelwinkels erforderlich sein.

Kegelverhältnis

Dies ist das Verhältnis des dicken Endmaßes zum dünnen Endmaß. Wenn das Kegelverhältnis beispielsweise 3:100 beträgt, wird der Durchmesser um 3 mm pro 100 mm Länge dünner.

a

Größerer Seitendurchmesser

b

Kleinerer Seitendurchmesser

L

Länge

Φ

Kegelwinkel

Kegelwinkel

Der Kegelwinkel kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

Wenn das in der Zeichnung angegebene Kegelverhältnis zum Beispiel 3:100 beträgt, kann der Kegelwinkel wie unten gezeigt berechnet werden.

Methoden zur Erzeugung von Kegelverjüngungen

Verjüngungen werden mit Hilfe einer Drehbank oder einer Presse hergestellt. Beim Pressformen wird die Verjüngung bei der Herstellung der Matrize erzeugt und diese Form wird dann auf ein Material „gepresst“. Bei einer Drehmaschine erfolgt die Bearbeitung durch Einstellen des Winkels des Wendeplattenhalters. Im Folgenden beschreiben wir, wie eine Verjüngung bei der Verwendung einer Drehmaschine erzeugt wird.

Eine Drehmaschine ist eine Werkzeugmaschine, die Material abträgt, während sie gedreht wird. Eine Wendeplatte oder ein spezielles Schneidwerkzeug wird auf die Oberfläche des Objekts aufgebracht, während es sich dreht, und das Material wird in Drehrichtung abgetragen. Da das Schneiden bei rotierendem Messobjekt erfolgt, eignet sich diese Methode für die Bearbeitung von Kegeln, bei denen der Durchmesser zur Spitze hin dünner wird. Bei einer Drehmaschine wird der Winkel des Kegelfräsers mit 1/2 des Kegelwinkels angegeben. 1/2 des Kegelwinkels ist gleich dem Neigungswinkel.

(1) Drehmaschine drehen und Winkel einstellen.
↓
(2) Den Griff der Drehmaschine bedienen und Schnitt ausführen.
↓
(3) Nachdem bis zum Ende geschnitten wurde, wird zurückgefahren bis der Drehmeißel sich löst.
↓
(4) Den Vorgang wiederholen. bis die gewünschte Form erreicht ist.

Bei Verwendung einer hochpräzisen Drehmaschine ist eine feine Kegelbearbeitung in der Größenordnung von Mikrometern möglich. Dementsprechend sind hochpräzise Messsysteme für die Qualitätskontrolle erforderlich.

Herausforderungen bei gängigen Messungen von Verjüngungen

Es ist sehr wichtig sich zu vergewissern, dass die durch die Kegelbearbeitung hergestellten Abmessungen und Formen innerhalb der Toleranzen liegen. Da es sich bei einer Kegelverjüngung um eine dreidimensionale Form handelt, ist insbesondere eine hochpräzise und quantitative 3D-Messung erforderlich. Bei der Messung mit bisher verwendeten Profilprojektoren, Profilmesssystemen und Kegellehren gibt es jedoch verschiedene Herausforderungen. Diese können zum Beispiel Schwierigkeiten bei der genauen Messung und Schwankungen der Messwerte sein.

Herausforderungen bei der Messung von Verjüngungen mit einem Profilprojektor

Ein Profilprojektor ist eine Art optisches Messsystem, dessen Messprinzip ähnlich wie das eines optischen Mikroskops funktioniert. Ein Messobjekt wird auf einem Objekttisch platziert, das Messsystem sendet Licht von unten aus und projiziert das Messobjektprofil auf einen Bildschirm. Einige große Profilprojektoren haben Bildschirmdurchmesser von mehr als 1 m. Bei Messobjekten mit vertieften Verjüngungen kann das Profil mit dieser Methode nicht sichtbar gemacht werden, ohne das Messobjekt vorher zu schneiden.

Diese Messung bringt folgende Herausforderungen mit sich:

• Mit einem gewöhnlichen Profilprojektor wird nur eine Stelle des Messobjekts scharf abgebildet. Aus diesem Grund ist es notwendig, jeden Messpunkt manuell zu fokussieren. Wenn es sich bei dem Messobjekt beispielsweise um einen kreisförmigen Kegel handelt, muss der Fokus an jeder Messposition eingestellt werden. Daraus ergeben sich nicht nur Messfehler, wenn die Fokusposition je nach Anwender unterschiedlich ist, sondern auch ein höherer Zeitaufwand, der für die Fokusanpassung benötigt wird, wenn mehrere Positionen gemessen werden. Es kann auch notwendig sein, das Messobjekt zu schneiden, um die Querschnittsform zu messen.
• Wenn Sie Formen vergleichen, müssen Sie die Unterschiede visuell überprüfen, indem Sie die Projektion mit einer 10-fach vergrößerten Zeichnung überlagern. Die Unterschiede zwischen den projizierten Abmessungen und der Zeichnung können nicht in numerischer Form ermittelt werden und die Profilform muss auf Pauspapier übertragen werden, was die Speicherung und den Vergleich der Daten erschwert.

Dies führt zu einer Reihe von Herausforderungen. Nicht alle Anwender vor Ort sind in der Lage, die Formen genau zu messen. Es gibt auch einige Stellen, die nicht gemessen werden können, und es kann notwendig sein, das Messobjekt zu schneiden.

Herausforderungen bei der Messung von Verjüngungen mit einem Profilmesssystem

Ein Profilmesssystem oder Konturograph misst und erfasst das Profil eines Messobjekts, indem es dessen Oberfläche mit einem Taststift nachfährt. In den letzten Jahren wurden Profilmesssysteme entwickelt, die mit einem Laser anstelle eines Taststifts komplexe Formen messen, indem sie das Profil berührungslos verfolgen. Einige Modelle sind sogar in der Lage, Messungen sowohl der Ober- als auch der Unterseite durchzuführen.
Ein Profilmesssystem muss eine präzise Messlinie senkrecht zur Kegelform ziehen.

Dies beinhaltet die folgenden Herausforderungen:

• Die Messung erfordert viel Zeit, einschließlich der Zeit für die Befestigung der Probe auf der Vorrichtung und deren Nivellierung. Es sind zudem Kenntnisse und Fähigkeiten im Umgang mit Profilmesssystemen erforderlich, um ein Messobjekt präzise zu nivellieren.
• Der Taststift eines Profilmesssystems bewegt sich in einem Bogen auf und ab, der auf dem Drehpunkt des Tastarmes zentriert ist, und die Tastspitze bewegt sich auch in Richtung der X-Achse. Dies führt zu Fehlern in den Daten auf der X-Achse.
• Das Nachzeichnen der gewünschten Linie mit dem Taststift ist eine äußerst schwierige Arbeit, und selbst eine leichte Verschiebung des Taststifts führt zu Fehlern in den Messungen.

Lösung von Herausforderungen bei der Messung von Verjüngungen

Zusammenfassend ist die größte Herausforderung bei gängigen Messmethoden, dass die Messung eines dreidimensionalen Messobjekts oder einer Fläche mittels Punkt- und Linienkontakt erfolgt.
Um dies zu umgehen, hat KEYENCE das 3D-Profilometer der Modellreihe VR entwickelt. Die Modellreihe VR erfasst präzise die 3D-Form der gesamten Oberfläche, ohne das Messobjekt zu berühren. Die 3D-Form kann zudem durch einen 3D-Scan des Messobjekts auf dem Objekttisch in wenigen Sekunden mit hoher Präzision gemessen werden. So lassen sich sofort quantitative Messungen ohne Schwankungen der Messwerte durchführen. Einige konkrete Vorteile werden nachfolgend erläutert.

Vorteil 1: Das Messobjekt muss für die Messung nicht geschnitten werden

Mit einem taktilen Messsystem ist es schwierig, Messobjekte mit kleinen Abständen und Vertiefungen zu messen, wie z. B. Klingenwerkzeuge und Kühlrippen, da der Messtaster nicht bis zum Boden reichen kann.
Die Modellreihe VR kann Verjüngungen und andere Formen messen, indem sie das Objekt virtuell durchschneidet und somit eine zerstörungsfreie Messung ermöglicht. Selbst Objekte mit vertieften Bereichen können gemessen werden, ohne sie zu zerstören.
Anwender können auch Vorlagen für häufig gemessene Messobjekte erstellen, um den Messprozess zu rationalisieren und mehrere Messobjekte schnell zu analysieren.

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Vorteil 2: Messungen großer Flächen von bis zu 300 mm x 150 mm sind möglich

Legen Sie für die Messung das Messobjekt einfach auf den Objekttisch und starten Sie die Messung mit nur einem Klick. Eine genaue Positionierung oder sonstige Vorbereitungen sind nicht erforderlich. Die Modellreihe VR ist in der Lage, Merkmale aus dem Messobjekt zu extrahieren und die Ausrichtung des Messobjekts automatisch anzupassen. So können auch hochpräzise Messungen durch Anwender, die über keine Kenntnisse oder Erfahrungen im Umgang mit Messsystemen verfügen, durchgeführt werden.

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Zusammenfassung: Erhebliche Verbesserung und höhere Effizienz bei der Messung von Verjüngungen

Die Modellreihe VR löst die Herausforderungen gängiger Messsysteme, indem sie die komplette Oberfläche des Messobjekts erfasst.

• Querschnitte können gemessen werden, ohne das Messobjekt zu schneiden.
• Durch menschliche Faktoren bedingte Abweichungen werden vermieden und so eine zuverlässige quantitative Messung ermöglicht.
• Es sind weder eine genaue Positionierung noch andere Vorbereitungen erforderlich. Das Messobjekt kann einfach auf dem Objekttisch platziert werden und die Messung mit einem Klick gestartet werden. Damit muss für die Messung kein Fachpersonal mehr herangezogen werden.
• 3D-Formen können mit hoher Geschwindigkeit und Genauigkeit gemessen werden. Dadurch ist es möglich, eine große Anzahl von Messobjekten in kurzer Zeit zu messen, was zur Qualitätsverbesserung beiträgt.

Dieses System ermöglicht auch Vergleiche mit früheren 3D-Messungen und CAD-Daten sowie eine einfache Datenanalyse, wie z. B. die Verteilung innerhalb der Toleranzen. Es kann effektiv für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt werden, wie beispielsweise Produktentwicklung, Trendanalysen in der Produktion oder Stichprobenprüfungen.

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