Die Messung der Rauheit gefinishter Kurbelwellen erfolgt bei Daimler ­ im Werk Untertürkheim seit kurzem mittels Streulichtmesstechnik. Das Verfahren zeichnet sich im Vergleich zu mechanischen Methoden durch einen unkomplizierten Messvorgang, eine höhere Messgeschwindigkeit und den Nachweis der Messmittelfähigkeit aus.

Die Kurbelwelle ist eine der zentralen Komponenten in einem Verbrennungsmotor. Die Herstellung umfasst viele einzelne Schritte, wobei einer der letzten das Finishen der Lagerzapfen ist. Diese Oberflächen sind die feinsten Flächen in einem Verbrennungsmotor. Mit den steigenden Forderungen im Motorenbau nach Effizienz wachsen auch die Anforderungen an die Oberflächen der gefinishten Zapfen. Hierzu tragen insbesondere die modernen Start-Stopp-Systeme bei, die je nach Fahrsituation den Motor abschalten und wieder einschalten, um dadurch den CO2-Ausstoß und den Kraftstoffverbrauch zu verringern. Bei diesen Zyklen, die für einen Motor bis zu mehrere hunderttausendmal vorkommen können, werden die Oberflächen besonders hoch beansprucht. Lag der Rz-Wert nach dem Bandfinishen früher bei ca. 0,8 µm, muss er für den neuen Kurbelwellentyp auf Rz < 0,5 µm gebracht werden.
Die Herausforderung für die Fertigung der neuen, „superglatten" Kurbelwellen ist dabei nicht das Erreichen der Rauheit durch die Finishmaschine, sondern die Messtechnik. Die Qualitätssicherung fordert zur Prozessabsicherung messmittelfähige Messgeräte, die prozessbegleitend sicherstellen, dass die gefertigten Kurbelwellen der Sechs-Sigma-Bedingung genügen. Abgeleitet aus der Gaußverteilung bedeutet diese strenge Regel, dass von einer Million Teilen nur 3,4 Teile Ausschuss sein dürfen. Dies wiederum setzt voraus, dass die zum Einsatz kommenden Prüfsysteme eine Auflösung von 5 % der geforderten Toleranz aufweisen müssen.
Mit den heute üblichen Tastschnittmessgeräten kann man im Labor zwar unter idealen Bedingungen die geforderte Auflösung von 5 % der Toleranz T (hier 0,02 µm) erreichen, in der rauen Fertigungsumgebung gibt es aber erhebliche Schwierigkeiten. Der große, mechanische Messkreis, bedingt durch die schwierige Zugänglichkeit der zu messenden Oberfläche, führt zu Anregungen von Schwingungen, welche die Messung verfälschen können. Eine weitere Problematik ist die Nichtverfügbarkeit von Normalen für gefinishte Oberflächen.

Lagerzapfen in weniger als 60 Sekunden messen

Hier setzt der seit kurzem auf dem Markt verfügbare Streulichtsensor OS 500 an. Bei diesem System erzeugt eine LED auf der Oberfläche einen 0,9 mm Durchmesser großen Messfleck. Das zurückgestreute Licht wird auf eine lichtempfindliche Detektorzeile gelenkt, welche die Lichtverteilungskurve aufzeichnet. Eine wichtige Eigenschaft des Sensors ist seine Robustheit und die Unempfindlichkeit der Messung gegen Vibrationen. Da der Sensor Winkel misst, ist die gemessene Verteilungskurve unabhängig von kleinen Abstandsänderungen. Das Streulichtverfahren liefert aufgrund der flächenhaften Messmethode und der erwähnten Abstands-Unempfindlichkeit wesentlich stabilere Werte zur Beurteilung der Oberfläche einer Kurbelwelle. Damit der Streulichtsensor in der Kurbelwellenfertigung eingesetzt werden kann, sind jedoch zusätzliche technische Anpassungen notwendig. Zum einen muss eine spezielle Optik gefertigt werden, die eine Messung an den von den Wangen eingeschlossenen Hauptlagern ermöglicht. Zum anderen gilt es, eine entsprechende Vorrichtung zu konstruieren, die den Sensor an die verschiedenen Lager positioniert. Die Sensoroptik besteht aus einer endoskopähnlichen Vorsatzoptik, bei der das speziell winkelkorrigierte Objektiv mit kleinem Durchmesser die Streulichtverteilung der gemessenen Oberfläche exakt auf den linearen Detektor überträgt. Damit ist es möglich, in bis zu 12 mm engen Spalten Oberflächen zu messen, die maximal 100 mm tief liegen. Die Messzeit hängt im Wesentlichen nur von der Zeit ab, mit der man den Sensor an die verschiedenen Lagerzapfen positionieren kann, und ist gegenüber der bisherigen mechanischen Methode mehr als einhundertmal schneller. Durch den Einsatz des Optikadapters, einer zusätzlichen Linearachse und einer Rotationsachse können alle Lagerzapfen in weniger als 60 Sekunden gemessen werden.