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Regressionsanalyse in der Härteprüfung

Christoph Schanz
Donnerstag, 23.7.2020

Die zerstörungsfreie Härteprüfung mit Wirbelstromprüfgeräten ist in vielen Produktionen ein etabliertes Verfahren. Die inzwischen erreichte, qualitative Güte legt nahe, die bei der Prüfung erfassten Messdaten für weitere Auswertungen zu nutzen.

 

In vielen Produktionsprozessen sind die Anforderungen an die Taktzeiten und Oberflächenbeschaffenheit der Bauteile so hoch, dass etablierte Messverfahren für die Härtemessung keine Anwendung finden. Entweder sind die Messmöglichkeiten so aufwändig, dass die Integration in Produktionsprozesse nicht rentabel ist oder die Messzeiten zu groß sind.

Dies hat die Weiterentwicklung von Wirbelstromprüfgeräten für die zerstörungsfreie Härteprüfung gefördert und zu einem etablierten und genormten Verfahren heranreifen lassen. Wirbelstrombasierte Härteprüfsysteme haben den entscheidenden Vorteil, dass sie nicht punktuell auf der Oberfläche messen, wie beispielsweise Härtemessgeräte nach dem Vickers- oder Brinell-Verfahren, sondern eine Messung über den gesamten Prüfkörper mitteln.

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Mit der Härtemessung erfasst und verarbeitet der Anwender größtenteils sehr viele Messwerte, anhand derer er die Konformität des Bauteils mit den Anforderungen ermittelt.

Härteprüfung mit Wirbelstrom mittels Regressionsanalyse

Vickers Verfahren

Korrelation einer definierten Härtemessung nach Vickers mit Messwerten des Wirbelstromprüfgerätes MAGNATEST

Zusätzlich kann durch die Variation der Frequenzen entschieden werden, ob oberflächennah geprüft oder der Prüfkörper tiefer untersucht werden soll. Durch die Verfahrenseinstellungen werden außer der Grundfrequenz der Wirbelstromantwort auch Oberwellenanalysen ausgewertet, die zusätzliche Informationen über die Härte bzw. Legierung liefern.

Daten in der wirbelstrombasierten Härteprüfung

In der Regel werden bei einer Prüfung mehrere Frequenzen mit verschiedenen Parametereinstellungen kontrolliert. Es entsteht ein multidimensionaler Parameterraum, über den neben der Gut- bzw. Schlecht-Teil-Entscheidung eine Trendanalyse mit einem SPC (Statistische Prozesskontrolle) System generiert werden kann. Diese Informationen lassen den Anwender frühzeitig erkennen, ob der Prozess sich verändert. Im Bedarfsfall können Parameter im Fertigungsprozess schnell angepasst und Ausschuss verhindert werden.

Bezug der Wirbelstromprüfung zur physikalischen Härtemessung

Der Nachteil einer Härteprüfung mit Wirbelstromprüfsystemen ist der fehlende Bezug auf einen physikalischen oder genormten Wert. Durch die Wirbelstromprüfsysteme werden damit keine vergleichbaren Messwerten wie beispielsweise in HC ausgegeben. Unter Prozessingenieuren ist die Darstellung der Prozessqualität in einer vergleichbaren Einheit inzwischen verbreitet. Auch die Spezifikationsgrenzen für die Bauteilhärte werden üblicherweise mit einer Bezugsgröße angeben.

In vielen Produktionen wird daher neben der Serienprüfung prozessbegleitend eine Messung mit einem etablierten Härtemessverfahren durchgeführt, um stichprobenartig eine Bezugsgröße mit einer vergleichbaren Einheit zu erfassen.

Regressionsanalysen erlauben es, Wirbelstromprüfgeräte zu kalibrieren, indem Messwerte der Wirbelstromprüfsysteme mit einer definierten Härtemessung korreliert werden.

Die Regressionsanalyse ordnet verschiedene Probenkörper unterschiedlichen Härtewerte zu. Hierzu muss das Material und die Dimensionen der Probenkörper den Bauteilen entsprechen, für die die Regressionsanalyse angewendet wird.

Für die Regressionsanalyse wird jeder Probenkörper mit dem Wirbelstromprüfsystem mit einem seriennahen Setup gemessen und eine Korrelation der Wirbelstrommesswerte mit den Härteeigenschaften der Prüfkörper in einem Diagramm erfasst. Die Referenz-Härtewerte der Vergleichskörper werden mit einem sich auf genormte Härtegrößen beziehenden Verfahren erfasst.

Aus dieser so erzeugten Regressionskurve kann eine mathematische Beschreibung abgeleitet werden, die auf die Prüfung in der Serienproduktion angewendet wird. Mit dieser Methode liefert ein Wirbelstromprüfgerät die Funktionalität eines Messgerätes.

Härteprüfung mit Wirbelstrom mittels Regressionsanalyse_1

Um vorhandene Drifteffekte der Prüfgeräte vorzubeugen, empfiehlt es sich, diese Regressionsanalyse in der Produktion durch eine prozessbegleitende Stichprobenanalyse mit einem zusätzlichen Härtemessgerät abzusichern. Dazu wird beispielsweise in jeder Produktionsschicht und im Rahmen einer jährlichen Rekalibrierung die Regressionsbeziehung des Prüfsystems verifiziert. In der Produktion der Automobilbranche setzen FOERSTER Kunden diese Methodik in Kombination mit dem MAGNATEST® D bereits ein. In seinem Feedback beschreibt ein Kunde begeistert, dass die Prüfmethodik der produktionsbegleitenden Verifikation per Vickersmessung überlegen sei. Letztere kommt sehr lokal zum Einsatz.

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