Evaluation of high precision surface structures by contact stylus and non-contact optical methods

Abstract

Eine der wichtigsten Oberflächeneigenschaften für die Präzision der Werkstücke ist die Rauheit. Sie kann als Maß der feinen Unregelmäßigkeiten auf einer Oberfläche definiert werden und sie ist in vielen Fällen auch eine Funktion der Werkstoffeigenschaften. In der Fertigungsindustrie müssen Oberflächen innerhalb bestimmter Grenzen der Rauheit angefertigt werden. Für die genaue Kennzeichnung der Topographie sind häufig 2D-Oberflächenparameter, wie Ra oder Rz, durchaus sinnvoll, weil sie viele Informationen darlegen. Zusätzlich ist die Auswertung von 3D-Oberflächenparametern wesentlich. Die Durchführung von hochpräzisen Oberflächenmessungen wird in der Industrie in zunehmendem Maße gefordert, weiters werden immer kleinere Werkstücke und Strukturen hergestellt. Es gibt verschiedene Techniken, die für die metrologische Analyse von Oberflächen anwendbar sind. Im Rahmen der hier beschriebenen experimentellen Studie wurden unterschiedlich hergestellte Oberflächen durch ein taktiles Profilmessgerät und zwei optisch-berührungslose Messgeräte untersucht und analysiert. Die durch Messungen an hochpräzisen Oberflächenstrukturen gewonnene Daten wurden mit dem Programm SPSS 15, einem Statistik-Programmpaket für Sozialwissenschaften, statistisch ausgewertet und zwei mathematische Modelle bezüglich Ra und Rz erarbeitet, sodass Ra = Ra (F, P, C) und Rz = Rz (F, P, C, M), wobei F Vorschub, P Periodizität, C Farbkontrast und M Material bedeutet. Die statistischen Auswertungen einer großen Anzahl von Versuchsergebnissen zeigen, dass eine enge Wechselbeziehung zwischen der Oberflächenrauheit und den Eigenschaften der Oberflächentopographie besteht. Die Unterschiede bei den untersuchten technischen Oberflächen sind durchaus vergleichbar und wiederholbar. Teilweise treten allerdings bei sehr feinen und hochgenauen Oberflächen beträchtliche Unterschiede zwischen den Anzeigen der drei verwendeten Messinstrumente auf.

One of the most important surface properties of precision workpieces is their roughness. It can be defined as the measure of the fine irregularities on a surface. The degree of surface roughness is primarily a function of the raw material properties. In the manufacturing industry, surface must be within certain limits of roughness. For the exact characterization of the topography the common 2D parameters like Ra or Rz are useful, because they give us much of the idea. Additionally the evaluation of 3D parameters is essential. The need for high precision surface measurement becomes more and more indispensable as smaller workpieces and structures take place. There are different techniques applicable for surface metrology analysis. This experimental study presented the analyses of manufactured high precision surface structures using the results taken from a stylus type profilometer and two optical type profilometers. Data of all roughness parameters obtained from the contact and the non-contact measurement instruments for each test have been analysed by using SPSS 15 (Statistical Package for Social Science) statistically and developing mathematical models for the two most important and commonly used roughness parameters Ra and Rz so that Ra = Ra (F, P, C) and Rz = Rz (F, P, C, M), whereas F expresses feed, P periodicity, C contrast und M the type of material. The statistical results from many tests showed that there has been a correlation between the surface roughness and the properties of the surface topography and there have been slight differences between three measurement instruments on engineering surfaces but considerable differences between them on some very fine surfaces