Stiftmaterialien werden leichter, steifer und härter

Sep 01, 2023

Durchsuchen Sie den Katalog aller Koordinatenmessgeräte (KMG) oder Werkzeugnadeln und Sie werden eine Reihe verfügbarer Materialien sehen, aus denen Sie wählen können. Natürlich sind die alten Standbys – Rubinkugeln, Hartmetallschäfte und Edelstahlbasen – immer noch da. Aber heute finden Sie Siliziumnitrid, Zirkonoxid, Stahl, Diamant, Kohlefaser, Keramik, Titan und mehr. Dies führt zu vielen Fragen zum besten Material für den Job. In diesem Artikel untersuchen wir Materialien und ihre Vor- und Nachteile.

Als Reaktion auf die sich entwickelnden Märkte werden KMG- und Werkzeugmaschinen-Eintastnadeln immer leichter, steifer und verschleißfester.

Heutzutage gibt es bei der Wahl der Taster für ein KMG oder einen Werkzeugmaschinenmesstaster eine Fülle von Materialoptionen.

Wenn Sie sich nicht sicher sind, welche Wahl für Ihre spezielle Anwendung am besten geeignet ist, wenden Sie sich an den Stifthersteller.

Die ersten KMGs verwendeten einen manuell positionierten Stift aus gehärtetem Stahl. Damals beschränkten sich die Stiftkonstruktionen auf eine auf einen Stahlschaft aufgelötete Stahlkugel, einen halben Stahlzylinder und einen Stahlkegel, der in ein Loch gedrückt werden sollte, um seinen Mittelpunkt schnell zu lokalisieren. Der Bediener hielt den Stift auf eine Oberfläche, gegen eine Kante oder drückte ihn in ein Loch und trat dann auf einen Fußschalter, um seine Position aufzuzeichnen.

Die Tastsysteme verbesserten sich rasch, ebenso wie die Taster. Frühe taktil schaltende Messtaster verwendeten einen Kugelstift, der dem heutigen ähnelt. Die Kugeln waren aus Stahl und die Wellen hatten kein Gewinde. Anstelle eines Gewindes hielt eine Stellschraube die Welle an Ort und Stelle. Der heute bekannte dreiteilige Tastereinsatz, bestehend aus einer Kugel, einem Schaft und einer Gewindebasis, kam in den 1980er Jahren mit der Verbreitung taktiler Tastköpfe auf KMGs und Werkzeugmaschinen auf den Markt.

Für die meisten KMG- und Werkzeugmaschinenanwendungen ist Rubin nach wie vor das Kugelmaterial der Wahl. Rubinkugeln sind relativ preiswert und verschleißfest. Aufgrund seiner Eigensteifigkeit wird Wolframkarbid am häufigsten für Stiftschäfte oder -stiele verwendet. Edelstahl ist das am häufigsten verwendete Material für Gewindebasen.

Was ist also mit all den neuen Materialien?

Mit der Weiterentwicklung von Mess- und Antastsystemen haben sich auch ihre Anforderungen an den Tastereinsatz weiterentwickelt. Bei vielen heutigen Messsystemen sind die Länge und das Gewicht des Tasters begrenzt. Diese Grenzen erfordern gewichtssparende Materialien, die dennoch eine ausreichende Steifigkeit bieten. Bestimmte KMGs sind für den Einsatz in der Fabrikhalle konzipiert. Diese erfordern Werkzeuge, die gegen Temperaturschwankungen beständig sind. Handbetriebene KMG-„Arme“ sind in heutigen Fertigungs- und Inspektionsbereichen weit verbreitet. Diese handbetriebenen KMGs benötigen robuste Stifte aus Materialien, die dem manuellen Gebrauch standhalten.

Werkzeugmaschinentastnadeln hingegen enthalten eine sogenannte „mechanische Sicherung“. Die meisten Taststifte für Werkzeugmaschinen sind so konstruiert, dass sie im Falle einer Kollision brechen, um Schäden an der Maschine oder dem Tastkopf zu vermeiden.

Wenn medizinische und elektronische Teile kleiner werden, schrumpfen auch die Stifte. Vor nicht allzu langer Zeit galten Taster mit Kugeln kleiner als 1,5 mm als Exoten. Sie galten als zerbrechlich und schwer zu kalibrieren. Heute sind sie alltäglich. Um dieses expandierende Feld zu bedienen, wurden kürzlich Taster mit Kugeln mit einem Durchmesser von 0,2 mm (0,008 Zoll) eingeführt. Um das ins rechte Licht zu rücken: Eine 0,2-mm-Kugel ist kleiner als der Punkt am Ende dieses Satzes.

Diese Veränderungen haben zur Einführung neuer Materialien geführt, um diesen sich entwickelnden Anforderungen gerecht zu werden. Hier finden Sie eine Übersicht über die Materialien, aus denen die Hauptkomponenten eines Stifts bestehen: 1) die Kugel, 2) der Schaft und 3) die Gewindebasis.

DER BALL

Kugeln aus synthetischem Rubin sind der Industriestandard. Rubin ist nach Diamant die zweitgrößte Härte und weist daher eine überlegene Verschleißfestigkeit auf. Ruby hat einen relativ niedrigen Reibungskoeffizienten, was es zu einer guten Wahl für Anwendungen macht, bei denen kontinuierliche Kontaktmessungen oder „Scannen“ erforderlich sind. Beim Scannen von unbehandeltem Aluminium kommt es allerdings dazu, dass sich Aluminium auf der Oberfläche der Kugel ansammelt und diese somit für eine weitere Verwendung unbrauchbar macht. Darüber hinaus können abrasive Oberflächen eine flache Stelle auf einer Rubinkugel abnutzen. Für diese Anwendungen empfehlen wir Siliziumnitridkugeln.

Siliziumnitrid ist eine sehr harte Industriekeramik, die vor allem für Kugellager verwendet wird. Zusätzlich zu ihrer sphärischen Präzision sind Siliziumnitridkugeln hochglanzpoliert. Der Nachteil besteht darin, dass sie schwer zu bearbeiten sind und daher teurer als Rubinkugeln für den Einsatz in Tastern. Kugeltaster aus Siliziumnitrid eignen sich gut für Produktionsanwendungen mit wiederholten Messungen, insbesondere bei unbehandeltem Aluminium. Sie funktionieren auch sehr gut auf abrasiven Oberflächen, wie sie beispielsweise durch erosive Bearbeitung (EDM) entstehen. In den meisten Anwendungen überdauern Siliziumnitridkugeln die Lebensdauer von Rubinkugeln. Sie sind eine gute Wahl für fast jedes Material, außer Gusseisen.

Bei der Untersuchung von Gusseisen ist Zirkonoxid das Kugelmaterial der Wahl. Zirkonoxid ist eine harte, hochglanzpolierte Keramik. Aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften ist Zirkonoxid für den Einsatz auf Gusseisen besser geeignet als Rubin und Siliziumnitrid.

Manchmal muss ein Stift elektrisch leitend sein. In diesem Fall wird eine Kugel aus Hartmetall oder gehärtetem Stahl benötigt. Stahlkugeln sind häufig in einem größeren Durchmesserbereich als Hartmetallkugeln erhältlich und kosten in der Regel weniger. Deshalb sind gehärtete Stahlkugeln oft die beste Wahl, wenn der gesamte Stift elektrischen Strom leiten muss.

Keramikkugeln (Aluminiumoxid) sind bei Kugeldurchmessern über acht Millimeter beliebt. Keramik ist leichter als Stahl oder Hartmetall. Es ist hochglanzpoliert und verschleißfest. Keramikkugeln mit einem Durchmesser von mehr als acht Millimetern sind günstiger als gleichwertige Rubinkugeln. Allerdings werden Keramikkugeln oft mit einem geringeren Grad an Sphärizität hergestellt als Rubinkugeln. Eine typische 10-mm-Keramikkugel wird auf einen Sphärizitätsgrad von 25 geschliffen, während eine typische Rubinkugel einen Sphärizitätsgrad von 10 aufweist. Die Rubinkugel kostet jedoch mehr. Bei diesen Kugeln mit großem Durchmesser besteht ein Kompromiss zwischen Preis und Präzision.

Diamantkugeln erschienen vor etwa zehn Jahren. Die ersten Angebote waren in ihrer Größe begrenzt und die Preise atemberaubend. Diamant ist natürlich die härteste bekannte Substanz. Ähnlich wie Rubin werden im Labor gezüchtete Diamanten zur Herstellung von Diamantkugeln verwendet. Beim Einsatz in einem Kontaktmessgerät wie einem KMG verschleißt eine Diamantkugel nicht. Die Größe der Diamantkugeln hat etwas zugenommen, aber ihre Preise sind im Vergleich zu Rubin oder Siliziumnitrid immer noch hoch.

DER STAMM

Wolframkarbid ist das am häufigsten verwendete Material für Stiftschäfte. Hartmetall lässt sich relativ leicht bearbeiten und weist eine hervorragende Steifigkeit auf. Es kann auf sehr kleine Durchmesser geschliffen werden. Allerdings ist es schwer, eine Eigenschaft, die häufig im Widerspruch zu Hochleistungstasternsystemen steht, die auf das Gewicht des Tasters reagieren. Dennoch bleibt Hartmetall das Material der Wahl für die meisten heute hergestellten Tastereinsätze. Bei der Verwendung von Kugeln zwischen 0,2 mm und 1,5 mm Durchmesser kommt nur Hartmetall in Frage.

Wenn das Gewicht des Stifts ein Problem darstellt, empfehlen wir Kohlefaser. Kohlefaser ist leicht und steif. Es ist beständig gegen thermische Schwankungen, eine wünschenswerte Eigenschaft in der Werkstatt. Für sehr lange Stifte ist Kohlefaser in der Regel eine gute Wahl. Der Nachteil von Kohlefaser ist jedoch die Biegung, die sich bei langen, dünnen Schäften zeigt. In diesen Fällen empfehlen wir oft einen Keramikstiel als Alternative zu Kohlefaser, um das Gewicht niedrig und die Steifigkeit hoch zu halten.

Keramikschäfte werden häufig in Messtastersystemen für Werkzeugmaschinen verwendet. Ein Keramikstiel sorgt dafür, dass im Falle einer Kollision zuerst der Taststift bricht und so Schäden am Tastkopf oder an der Werkzeugmaschine vermieden werden. Keramik ist leicht, steif und spröde. Tastereinsätze mit Keramikschäften, die länger als 150 mm sind, brechen leicht. Kohlefaser ist die beste Option für einen leichten Vorbau mit einer Länge von mehr als 150 mm.

Stiele aus Edelstahl lassen sich leicht herstellen, neigen jedoch zur Durchbiegung. Bei Präzisionsmessungen ist eine Durchbiegung bzw. Biegung in der Regel nicht akzeptabel. Obwohl Edelstahlschäfte aus einem einzigen Stück Stahl gefertigt sind, empfehlen wir sie nicht, es sei denn, die Kosten des Stifts sind wichtiger als seine Leistung.

Einige Kunden benötigen nichtmagnetische Stifte. Sie erfordern einen Keramik- oder Kohlefaserschaft mit einer Gewindebasis aus harteloxiertem Aluminium. Aufgrund der Aluminiumbasis sind die Gewindegrößen jedoch begrenzt.

DIE GEWINDEBASIS

Edelstahl ist die beliebteste Wahl für Gewindebasen. Es ist kostengünstig und einfach zu bearbeiten – Eigenschaften, die zu niedrigeren Kosten beitragen. Allerdings ist Edelstahl schwerer als Aluminium oder Titan, was ihn für den Einsatz in gewichtsempfindlichen Sondensystemen ungeeignet macht.

Die Nachfrage nach Titan-Nadelbasen wächst. Da Titan teurer und schwieriger zu bearbeiten ist als Edelstahl, erhöht sich der Preis für den Tastereinsatz. Dennoch ist Titan eine ausgezeichnete Wahl für eine Gewindebasis. Es ist leicht, verschleißfest und thermisch stabil.

Aluminium ist leichter als Titan und Edelstahl. Es ist kostengünstig und leicht zu bearbeiten. Aber Aluminium ist weich und am stärksten von thermischen Schwankungen betroffen. Aufgrund seiner Weichheit sind Aluminiumbasen auf größere Gewindegrößen beschränkt. Aluminium ist eine gute Wahl, wenn das Stiftgewicht eine Rolle spielt und die Umgebungstemperatur relativ stabil ist.

ALLES ZUSAMMENFASSEN

Als Reaktion auf die sich entwickelnden Märkte werden KMG- und Werkzeugmaschinen-Eintastnadeln immer leichter, steifer und verschleißfester. Heutzutage gibt es bei der Wahl der Taster für ein KMG oder einen Werkzeugmaschinenmesstaster eine Fülle von Materialoptionen.

Wenn Sie sich nicht sicher sind, welche Wahl für Ihre spezielle Anwendung am besten geeignet ist, wenden Sie sich an den Stifthersteller. Sie wissen, welche Materialien am besten funktionieren und welche Materialien man vermeiden sollte. Bitten Sie um eine Empfehlung.

Schließlich ist das Feedback der Benutzer für Ihren Hersteller sehr hilfreich. Wenn ein bestimmter Stift gut funktioniert, geben Sie diese Informationen an ihn weiter. Wenn Sie übermäßigen Verschleiß oder andere Probleme mit dem Stift feststellen, teilen Sie dies auch Ihrem Hersteller mit.

Die physikalischen Eigenschaften von Materialien sind eine Sache. Erfahrungen im wirklichen Leben können etwas ganz anderes sein. Gemeinsam mit Ihnen kann Ihr Tastereinsatzhersteller dabei helfen, Ihre Messprozesse zu optimieren. Schließlich gibt es mittlerweile viele Möglichkeiten.

Mark Osterstockist Präsident von Q-Mark Manufacturing Inc. Für weitere Informationen rufen Sie (949) 457-1913 an, senden Sie eine E-Mail an [email protected] oder besuchen Sie www.cmms.com