Der stete Trend zur Miniaturisierung schafft insbesondere in der Qualitätssicherung von Mikrobauteilen neue Herausforderungen. Um bei Mikrozahnrädern die Zuverlässigkeit erreichen zu können, wie sie großen Zahnrädern seit vielen Jahrzehnten zugeschrieben wird, ist die Beherrschung des Messprozesses eine wesentliche Voraussetzung. Die Quantifizierung und Einschätzung der Fähigkeit des Messprozesses wird durch die Messunsicherheit ermöglicht. Für die Ermittlung der Messunsicherheit auf experimentellem Weg zeigt die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Methode durch die Verwendung eines einfachen, aber präzisen Mikroverzahnungsnormals einen Weg auf.

Die Methode teilt sich in fünf Schritte auf, an deren Ende sowohl ein ausgelegtes sowie gefertigtes Mikroverzahnungsnormal als auch eine mit diesem Mikroverzahnungsnormal ermittelte Messunsicherheit für die Messung des Profils, der Flankenlinie und der Teilung eines geradverzahnten, evolventischen Mikrostirnrades stehen.

Da sich das Mikroverzahnungsnormal aus wenigen Standardgeometrien verwendet werden vor allem genormte Prüfstifte höchster Qualität - zusammensetzt, wird ermöglicht, mit einem vergleichsweise preiswerten Normal alle wesentlichen Geometrien einer evolventischen Zahnflanke für den Mikrometerbereich abzubilden. Neben Profil, Flankenlinie und Teilung wird darüber hinaus die gesamte Zahnflankenfläche am Mikroverzahnungsnormal abgebildet, um für eine stärker an Bedeutung gewinnende funktionsbezogene Qualitätssicherung das Messergebnis einer funktional relevanten Zahnflankenfläche mit einer Mess-unsicherheit vergleichbar zu machen.

Es konnte anhand des Mikroverzahnungsnormals der Einfluss der Anzahl sowie Verteilung der Messpunkte bei der Profilmessung an einem Normal aufgezeigt werden. Zwischen der wälzweg-, der radius- und der kreiswinkeläquidistanten Verteilung zeigten sich deutliche Unterschiede. Dies zeigt auch für Messungen mit anderen Normalen, dass schon bei der Kalibrierung die Anzahl und Verteilung der Messpunkte berücksichtigt werden müssen. Ein globaler Kalibrierwert, wie sonst üblich, ist in solch einem Falle nicht empfehlenswert.

Für eine anwenderfreundliche Nutzung des Mikroverzahnungsnormals wird dieses „als Zahnrad“ gemessen. Das bedeutet, dass die Messung des Mikroverzahnungsnormals so durchgeführt wird, als wäre es ein Mikrozahnrad und kein aus Zylindern bestehendes Normal. Dies erlaubt nicht nur die Messung und Auswertung des Mikroverzahnungsnormals über eine beim Anwender vorhandene Softwarelösung, sondern ermöglicht ebenso eine unkomplizierte und direkte Bestimmung der Messunsicherheit anhand der dem Anwender bekannten Verzahnungskenngrößen. Ein Zahnradmodell zur Einbindung des Mikro-verzahnungsnormals in eine Verzahnungssoftware wurde entwickelt.

Durch die Gestaltung des Mikroverzahnungsnormals lässt sich dieses nach erfolgter Bestimmung der Messunsicherheit auch regelmäßig im Serienbetrieb zur Überprüfung der Messunsicherheit des Messprozesses einsetzen. Hierzu wird, anstelle eines Mikrozahnrades, das Mikroverzahnungsnormal gemessen und mit den zuvor bestimmten Messunsicherheitswerten verglichen.

Eine beispielhaft durchgeführte Messunsicherheitsermittlung hat die prinzipielle Eignung des Mikroverzahnungsnormals gezeigt. Anhand der erhaltenen Ergebnisse konnten erste Hinweise zur Verbesserung des verwendeten Messprozesses abgeleitet werden.

Das entwickelte Mikroverzahnungsnormal ist, neben der experimentellen Ermittlung der Messunsicherheit, auch für eine Erstqualifizierung des Messgerätes geeignet. Um die Eignung eines Messgerätes zur Messung von Mikrozahnrädern zu prüfen, kann das Mikroverzahnungsnormal gemessen werden. Durch einen Vergleich dieser ausgewerteten Messung mit den Kalibrierwerten der entsprechenden Qualitätsmerkmale lässt sich die Eignung des Messgerätes für die Messaufgabe feststellen.

Durch die enge Zusammenarbeit mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) als nationalem Metrologieinstitut, sowohl bei der Entwicklung des Mikroverzahnungsnormals als auch bei dessen Kalibrierung konnte sichergestellt werden, dass das Normal den Ansprüchen, die an ein solches Normal gestellt werden, genügt.

Schlagwörter: Messtechnik; Mikrozahnrad; Messunsicherheit; Maschinenbau; Produktionstechnik; Fertigungsmesstechnik; Mikrosystemtechnik

Forschungsberichte aus dem wbk, Institut für Produktionstechnik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)