Messwiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit

Was bedeutet Messwiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit (GR&R)?

Das allgemein als GR&R bekannte Verfahren zur Messwiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit ist eine statistische Methode, die im Rahmen der statistischen Prozessteuerung (SPC) verwendet wird, um die Präzision und vorhandene Abweichung in einem Messgerät und die nachfolgende Wirksamkeit des als Messwerkzeug verwendeten Instruments zu messen. Wie der Name schon sagt, setzt sich das GR&R-Verfahren aus zwei Komponenten zusammen: zum einen aus der Wiederholbarkeit (die Fähigkeit des Messinstruments, konstante Ergebnisse (Präzision) bei wiederholten Prüfungen des gleichen Typs zu liefern) und zum anderen aus der Reproduzierbarkeit (die Fähigkeit des Messinstruments, wiederholte Ergebnisse zu liefern, unabhängig davon, welcher Bediener die Prüfung durchführt (bedienerbedingte Abweichungen)).

Bei Rockwell-Härteprüfungen kann eine GR&R-Untersuchung ein zweckdienliches Mittel zur Bestimmung der Genauigkeit des Prüfgeräts und der Größenordnung sein, in der sich die Abweichung des Prüfgeräts auf den Gesamtprozess auswirkt. Bei Rockwell-Verfahren ist eine GR&R-Auswertung jedoch nicht ohne Komplikationen durchzuführen. Nachdem diese jedoch einmal verstanden und berücksichtigt wurden, liefert eine GR&R-Bewertung nützliche Prozessdaten. Während die Leistungsfähigkeit vieler Arten von Messgeräten, wie Messschrauben oder Messschieber, relativ einfach und ohne Abweichungen der Prüflinge hinsichtlich der GR&R-Leistung überprüft werden kann (mithilfe eines Messblocks mit bekannten Maßen, an dem wiederholte Messungen durchgeführt und die Wiederholbarkeit berechnet werden kann), ist die GR&R-Auswertung an einem Rockwell-Prüfgerät mit inhärenten Schwierigkeiten verbunden. Da eine Rockwell-Prüfung nie an der gleichen Stelle erfolgt, ist das primäre Hindernis die Abweichung, die an den Prüfstücken selbst auftritt. Infolgedessen kommt es zu einer Abweichung, da kein Material eine einheitliche Härte aufweist. Dieses Phänomen wird bei der Durchführung von GR&R-Berechnungen durch die Einführung von Prozesstoleranzen in die mathematische Analyse berücksichtigt.

Zweck

Anhand der Durchführung einer Untersuchung der Messwiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit (GR&R) soll festgestellt werden, wie sehr die Prozesstoleranz durch die Abweichung in einem Härteprüfinstrument (auch als Geräteabweichung oder Wiederholbarkeit bezeichnet) und aufgrund unterschiedlicher Bediener (auch als Benutzereinfluss oder Reproduzierbarkeit bezeichnet) aufgehoben wird. Wenn die Kombination dieser Quellen (Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit oder R&R) einen erheblichen Teil der Prozesstoleranz ausmacht, kann ein Bediener nicht sicher sein, ob er tatsächlich die Härte eines Bauteils misst oder einfach zufällige Zahlen mit dem Rockwell-Prüfgerät erzeugt. Damit eine statistische Prozesssteuerung (SPC) effektiv ist, muss die kombinierte Abweichung unter 10 Prozent der Prozesstoleranz (< 10 % GR&R) sein. Rockwell-Härteprüfmachinen mit einem GR&R-Wert zwischen 10 % und 30 % können für einen Übergangszeitraum akzeptabel sein, während Maschinen mit einem GR&R-Wert von mehr als 30 % nicht für die SPC verwendet werden sollten.

Warum sollte eine GR&R-Auswertung durchgeführt werden?

Eine vor einigen Jahren für die ASTM durchgeführte Untersuchung an 30 täglich im Gebrauch stehenden Prüfgeräten brachte die Erkenntnis, dass 90 % der untersuchten Geräte die autorisierte Überwachungskontrolle gemäß ASTM nicht bestanden, obwohl sie die indirekte Kontrolle unter Verwendung von Härtevergleichsplatten bestanden hatten. Es besteht kein Zweifel daran, dass diese Prüfgeräte die zulässige Toleranz größtenteils oder sogar vollständig aufgehoben haben. Dies erhöht deutlich die Fehlerberechnung, wenn sie zur Bestimmung der Messunsicherheit der Maschine verwendet wird. Durch die Durchführung einer GR&R-Auswertung können Sie eine Menge darüber erfahren, wie gut Ihr System die Rockwell-Härte ermittelt, und ob eine zusätzliche Verifizierung erforderlich ist. Bei nahezu allen heute verwendeten Prüfgeräten wurden deren Grundfunktionen (Kraft, Tiefenmessung, Zeitzyklus) seit ihrer Herstellung nicht mehr überprüft. Oftmals kann allein der Versandprozess Probleme mit diesen empfindlichen Instrumenten verursachen. Die ASTM fordert keine direkten Überprüfungen der Prüfkräfte und des Traversenweg-Messsystems nach dem Versand der Prüfgeräte an die Benutzer. Nicht ungewöhnlich ist die Verwendung von Prüfgeräten, die älter als 40 Jahre sind. Man kann davon ausgehen, dass seit 40 Jahren keine Kontrolle der Genauigkeiten, weder der maschinenintern angewendeten Prüfkräfte noch der Messgeräte für die Eindringtiefen, stattgefunden hat. Häufig werden Federn zur Aufbringung der Prüfkraft verwendet. Es ist bekannt, dass die Federkraft mit den Jahren abnimmt. Nach 40 Jahren kennt niemand die wirkliche Federkraft, weil zur Überwachung nur indirekte Kontrollen mit genormten Härtevergleichsplatten regelmäßig vorgeschrieben sind. Clevere Servicetechniker verbringen ganze Arbeitsleben damit, Prüfmaschinen so zu “justieren”, dass die Messungen der Vergleichsplatten gerade eben innerhalb der ASTM-Toleranzen liegen. Da die Maßeinheit für einen normalen Rockwell-Punkt gerade einmal 2 µm (also 0,002 mm) entspricht, ist sofort verständlich, dass eine derart genaue Messung auch ein ebenso präzises Messsystem und kontrolliertes Vorgehen erfordert. Eine nicht ordnungsgemäße Vorbereitung oder Ausführung einer Rockwell-Härteprüfung kann zu fehlerbehafteten Prüfdaten oder falschen Messwerten führen und kann damit dazu beitragen, dass ein hergestelltes und ausgeliefertes Produkt nicht den Standards entspricht. Dies kann schädliche und verheerende Auswirkungen auf das Verhalten und die Sicherheit der Produkte haben, in diese Materialien verwendet werden. Da also offenkundig ist, wie schnell Fehler in der Maschinenleistung zu einer schlechten Produktqualität führen kann, wird auch die immense Bedeutung einer Bewertung des Prüfmaschinenverhalten mittels einer Untersuchung von Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit klar.

Bedeutung der Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit Ihrer Prüfmaschine

Die meisten Benutzer können die Genauigkeit und Leistung ihrer Prüfmaschinen nicht quantifizieren. Die Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit einer Prüfmaschine wird häufig durch eine entsprechende Untersuchung bestimmt. Eine regelmäßige Ausführung dieser Untersuchung ermöglicht eine einfache Feststellung und Überwachung des Prüfgeräts. Bei einer typischen Untersuchung von Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit kann das kurz- und langfristige Verhalten der Prüfgeräte, einschließlich des Bedienereinflusses schnell bestimmt werden.

Bei einer vollständigen oder langen GR&R-Untersuchung werden 10 verschiedene Härtevergleichsplatten und drei Bediener, die 3 Prüfungen an jeder Härtevergleichsplatte durchführen, überprüft. Bei den insgesamt 90 Prüfungen stellt sich heraus, welcher Teil Ihrer Probentoleranz durch die Ungenauigkeit des Prüfgeräts aufgehoben wird. Bei einer kurzen oder Mini-GR&R-Untersuchung werden auf 10 unterschiedlichen Härtevergleichsplatten jeweils 3 Prüfungen von einem einzigen Bediener ausgeführt, sodass insgesamt 30 Prüfungen erfolgen. Vergleiche der zwei Methoden auf Rockwell-Prüfgeräten zeigen vernachlässigbar geringe Unterschiede im Endergebnis.

Verfahren

Aufgrund der zuvor erwähnten Abweichungen bei den Materialien, insbesondere bei den Produktionsteilen, müssen GR&R-Prüfungen auf genormten Härtevergleichsplatten durchgeführt werden, um den Einfluss der Materialabweichung weitestmöglich zu reduzieren. Härtevergleichsplatten werden so einheitlich wie möglich hergestellt, wodurch sie sich am besten für die Durchführung der GR&R-Prüfung eignen. Bei einer vollständigen oder langen GR&R-Untersuchung muss im ersten Durchgang jeder der drei Bediener nacheinander eine einzige Härteprüfung auf jeder der 10 Härtevergleichsplatten, beginnend mit Platte Nr. 1 bis Platte Nr. 10, durchführen. Um die zufällige, inhärente Uneinheitlichkeit einer Härtevergleichsplatte zu kompensieren, muss der Bediener sicherstellen, dass jede einzelne Gruppe der auf den Platten ausgeführten Eindrücke so nah wie möglich an der nächsten ausgeführt wird (gruppiert oder radial). Das Verfahren wird entsprechend wiederholt, bis 3 vollständige Durchgänge mit insgesamt 90 Prüfungen erfolgt sind, 9 auf jeder Härtevergleichsplatte.

Berechnung

Die GR&R-Berechnung für Rockwell-Prüfgeräte ist im Wesentlichen der Vergleich der Kombination aus geräte- und bedienerbedingten Abweichungen mit der Prozesstoleranz. Ist die Abweichung gering oder die Prozesstoleranz vergleichsweise breit, dann ist der GR&R-Prozentwert ebenfalls gering. Ist umgekehrt die Abweichung hoch oder die Prozesstoleranz vergleichsweise eng, dann ist der GR&R-Prozentwert hoch. Bei der Analyse werden die Ergebnisbereiche für jeden Bediener berechnet und anschließend der Durchschnittsbereich für jeden Bediener ermittelt. Außerdem wird auch der durchschnittliche Prüfwert für jeden Bediener ermittelt. Diese Daten werden zur Berechnung des vollständigen GR&R-Ergebnisses verwendet.

Toleranz

Der Prozesstoleranzaspekt der Berechnung ist relativ einfach: er ergibt sich direkt aus den technischen Spezifikationen für die Härte des Werkstücks (Beispiel: ein Werkstück, das eine Härte von 42 bis 48 HRC erfordert, hat eine Gesamttoleranz von 6 Punkten). Beachten Sie, dass die GR&R-Berechnung nur im Kontext der Prozesstoleranz relevant ist. Der Vergleich der geräte- und bedienerbedingten Abweichungen mit der Toleranz einer Härtevergleichsplatte ist nicht aussagekräftig, da er nichts über die Eignung der Maschine zum Messen echter Werkstücke aussagt. Die Härtevergleichsplatten-Toleranzen stellen die Genauigkeit der Maschine sicher, nicht ihre Wiederholbarkeit.

Abweichung

Die Berechnungen der Abweichung können etwas vage erscheinen, aber ihre einzige Aufgabe ist es, die Werte für den Durchschnittsbereich und der Bediener-Unterschiede in eine Näherung für Six Sigma (die sechsfache Standardabweichung für alle Daten) umzuwandeln. Six Sigma ist die statistische Beschreibung der Gesamtabweichung einer Maschine. Davon ausgehend, dass die Maschine eine normale Abweichung aufweist, besagt Six Sigma, dass über 99&337; aller auf einer vorgegebenen Platte (oder einem Satz von 10 Platten im Falle von GR&R) durchgeführten Prüfungen in diesen Bereich fallen. In gewissem Sinne ist es auch die Messunsicherheit der Maschine bei dieser Härtestufe, d. h. für einen bestimmten Messwert; der tatsächliche Härtewert kann bis zu plus oder minus drei Sigma entfernt liegen.

Ergebnis

Unter der Voraussetzung, dass gut ausgebildete Bediener und/oder automatische Maschinen eine vernachlässigbar kleine Bediener- bzw. Benutzerabweichung ergeben, ist es am einfachsten, wenn man die endgültige Berechnung des GR&R-Prozentwerts unter dem Kontext der reinen Maschinen- bzw. Geräteabweichung versteht. Diese Berechnung teilt einfach die sechs Sigma-Näherungen (durchschnittlicher Bereich für alle Prüfungen, multipliziert mit einer statistischen Konstante) durch die Prozesstoleranz und multipliziert den Wert dann mit 100. Ein GR&R-Prozentwert von 10% oder weniger erfordert dann, dass sechs Sigma (Gesamtabweichung einer Maschine) 10% oder weniger der Prozesstoleranz betragen. Die Graphik in Abbildung 2 zeigt typische GR&R-Ergebnisse verschiedener Typen von Rockwell-Prüfgeräten, einschließlich analogem und digitalem Totgewicht sowie geschlossenem Regelkreis. Wie erwartet zeigen die analogen Instrumente das schwächste GR&R-Ergebnis, während ein Prüfgerät mit geschlossenem Regelkreis und präzise geregelter Kraftanwendung die beste Leistung erbringt.

Einige Rockwell-Prüfgeräte verfügen über Funktionen, die zu einer hohen Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit des Messgeräts beitragen, und einige Hersteller sorgen dafür, dass jedes Prüfgerät einer GR&R-Auswertung unterzogen und nicht eher versendet wird, bis diese Prüfung mit einem GR&R-Ergebnis abgeschlossen wurde, das dem angegebenen Prozentsatz entspricht oder besser ist. Der Nachweis dieser Untersuchung erfolgt typischerweise anhand eines GR&R-Zertifikat, das mit jedem Prüfgerät ausgegeben wird. Zu den Faktoren, die zu einem besseren GR&R-Ergebnis beitragen, gehören:

Lastkontrolle mit geschlossenem Regelkreis: Der Kraftaufnehmer bietet die Möglichkeit einer Rückmeldung durch den Kraftaufnehmer und Eindringkörper (Abnutzung und Reibung in der Mechanik werden durch den Regelkreis kompensiert). Der geschlossene Regelkreis bietet die präziseste Form der Kraftaufbringung.
Anbringung des Eindringkörpers an der Lastzelle, so dass Fehler durch Reibung vermieden werden
Planung, so dass sich das Kraftmessgerät und die Tiefenmessskala direkt auf einer Linie mit dem Eindringkörper in einer einachsigen Anordnung befinden
Vermeidung von Stellschrauben (Quelle einer nicht behebbaren Abweichung)
Verwendung einer digitalen Anzeige anstelle einer analogen Ablesung und Erhöhung der Auflösung auf 0,01

Die Messwiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit ist ein nützlicher allgemeiner Messwert für die Leistung eines Rockwell-Prüfgeräts, aber kein Ersatz für die empfohlene regelmäßige Blockprüfung/indirekte Prüfung. Wichtig sind tägliche, indirekte Kontrollen der Prüfgeräte; die verwendeten Skalen sind mit genormten Härtevergleichsplatten zu kontrollieren. Es wird empfohlen, diese Kontrolle nach Möglichkeit bei jedem Skalenwechsel und zu jedem Schichtbeginn durchzuführen. Die Vergleichsplatten sollten annähernd dem Bereich des Probenwerkstoffs entsprechen und nur mit der kalibrierten Seite verwendet werden. Bei der Kontrolle sind fünf Messungen vorzunehmen, dabei müssen die Werte innerhalb der auf Vergleichsplatte und Zertifikat angegebenen Toleranz liegen. Bei einem negativen Kontrollbefund ist die Maschine bis zur Behebung der Fehlerursache außer Betrieb zu nehmen. Zwingend erforderlich zur Sicherstellung der Maschinenfunktion und Gewährleistung der Genauigkeitsanforderungen an eine Rockwell-Härteprüfung sind regelmäßige Wartungen und autorisierte Überwachungskontrollen. Gemäß ASTM werden jährliche Wartungen und Überwachungskontrollen für Rockwell-Härteprüfmaschinen empfohlen, wobei die Intervalle bei überdurchschnittlicher Beanspruchung zu verkürzen sind. Die Überwachungskontrolle muss von einer anerkannten Überwachungsinstitution durchgeführt werden, wobei der Überwachungskontrollbericht den Richtlinien des Rockwell-Prüfverfahrens gemäß ASTM E18 entsprechen muss.

Die Messwiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit (GR&R) ist fraglos ein praktisches und informatives Instrument zur Bewertung der Leistungsfähigkeit eines Rockwell-Härteprüfgeräts. Bei der Anwendung der Härteprüfungen als wichtige und nutzbringende Materialprüfverfahren für die Qualitätssicherung, Akzeptanz und Leistungsfähigkeit von Bauteilen sind wir für die Beurteilung einer Wärmebehandlung, einer Gefügestruktur oder einer Bauteilqualität auf entsprechende Daten angewiesen um beurteilen zu können, ob die Werkstoffe in den Dingen unseres täglichen Gebrauchs ihren Beitrag zu einer hoch entwickelten, effizienten und sicheren Welt leisten. Die richtigen Techniken, die Verfolgung bewährter Vorgehensweisen und die strikte Einhaltung der Normen erbringen zusammen mit einem hochleistungsfähigen Gerät eine genaue und Nutzen bringende Rockwell-Härteprüfung.