Leitfaden zur Oberflächenrauheit und zu Ra-Werten bei der Bearbeitung

Die Oberflächenrauheit ist eines der wichtigsten Merkmale bearbeiteter Teile. Sie wirkt sich unmittelbar auf die Leistungsfähigkeit, die Reibung, den Verschleiß, die Dichtwirkung, das Erscheinungsbild und sogar auf die Herstellungskosten aus.

Einer der in technischen Zeichnungen am häufigsten angegebenen Rauheitsparameter ist die arithmetische Mittelsrauheit (Ra). Ra liefert einen wiederholbaren und standardisierten Anhaltspunkt für die durchschnittliche Oberflächenstruktur. In manchen Fällen muss Ra jedoch mit anderen Rauheitsnormen wie Rz und Rpk kombiniert werden. Diese Kombination ist insbesondere bei der Betrachtung von Funktionsoberflächen wie medizinischen Implantaten, Lagerzapfen und Dichtflächen von Bedeutung.

Dieser Leitfaden befasst sich eingehend mit Oberflächenrauheit und Ra-Werten. Er erläutert, was Ra-Werte bedeuten, wie sie gemessen werden und wie die Rauheit in technischen Zeichnungen korrekt angegeben wird.

Was ist Oberflächenrauheit?

Die Oberflächenrauheit beschreibt die mikroskopischen Unregelmäßigkeiten, die nach der Bearbeitung auf einer Oberfläche zurückbleiben. Diese Unregelmäßigkeiten entstehen durch die Bewegung des Schneidwerkzeugs, die Werkzeuggeometrie, die Materialeigenschaften sowie Bearbeitungsparameter wie Vorschub und Schnittgeschwindigkeit. Die Oberflächenrauheit ist Teil der Beschreibung der Oberflächenstruktur. Zur Oberflächenstruktur gehört die Rauheit, bei der es sich um feine Bearbeitungsspuren mit einer Tiefe von 0,1–100 µm handelt. Weitere Bestandteile der Oberflächenstruktur sind Welligkeit, Lage und Formfehler, die im Rahmen standardisierter messtechnischer Normen wie der ASME B46.1 „Surface Texture Specification“ umfassend definiert und geregelt sind. ^[1].

Die Oberflächenrauheit ist ein numerischer Maßstab für die Oberflächenstruktur und unterscheidet sich von anderen Unregelmäßigkeiten wie „matt und silbern“ oder „glatt und glänzend“. Rauheit lässt sich nicht nur fühlen oder sehen, sondern auch messen. Oberflächenrauheit kann gezielt durch Fertigungsverfahren erzeugt werden oder durch verschiedene Faktoren entstehen. Zu diesen Faktoren zählen die physikalischen Eigenschaften des Materials sowie Vibrationen der Schneidwerkzeuge. Die Oberflächenrauheit wird im Bereich der Oberflächenmesstechnik untersucht.

Warum ist die Oberflächenrauheit wichtig?

Es ist unmöglich, eine perfekte Oberfläche zu erzielen. Allerdings gibt es verschiedene Perfektionsgrade, die für einen effektiven Fertigungsbetrieb angestrebt werden können. Die Quantifizierung der Oberflächenrauheit ist für kommerzielle Produkte relevant, die eine strenge Kostenkontrolle erfordern und auf kurze Durchlaufzeiten ausgelegt sind. In der technischen Fertigung werden akzeptable Abweichungsgrenzen für verschiedene Produktgruppen festgelegt. Die Messung der Oberflächenrauheit unterstützt die Qualitätskontrolle. Darüber hinaus können Ingenieure das Rahmenwerk der Einrichtungsrauheit nutzen, um ästhetische Vorgaben zu erfüllen. Dies hilft dabei, Produkte in verschiedene Qualitätsstufen einzuteilen, die jeweils unterschiedliche Preise haben.

Wie wird die Oberflächenrauheit gemessen?

Die Oberflächenrauheit ist ein Durchschnittswert. Dabei werden Abweichungen der auf der Oberfläche des Werkstücks beobachteten Erhebungen, Vertiefungen und Unregelmäßigkeiten im Vergleich zu einem idealen Bezugspunkt quantifiziert. Der am häufigsten verwendete Begriff bei der Messung der Oberflächenrauheit ist die arithmetische Rauheit (Ra). Allerdings sind auch andere Parameter wie Rz, Rt, Rq und Rmax gebräuchlich.

R_z ist der Durchschnitt der aufeinanderfolgenden höchsten Spitzen und tiefsten Täler. Dies geschieht in der Regel für die fünf größten Abweichungen, woraus anschließend ein Durchschnittswert berechnet wird. R_p ist der berechnete Abstand zwischen dem höchsten Scheitelpunkt des Profils und der Mittelungslinie innerhalb der Auswertungslänge. R_v ist der berechnete Abstand zwischen dem tiefsten Talpunkt des Profils und der Mittellinie innerhalb der Auswertungslänge. R_max ist die größte aufeinanderfolgende Abweichung zwischen dem höchsten Gipfel und dem tiefsten Tal, berechnet innerhalb der Auswertungslänge.

Berechnung der Ra-Werte

Ra ist ein Mittelwert der Abweichung der Täler und Spitzen der Oberfläche von der Referenzlinie. Er lässt sich wie folgt ausdrücken:;

Ra = (|y₁| + |y₂| + |y₃| + … + |y_n|) / n

Wo y ist die Abweichung jedes Messpunkts von der Mittelwertlinie und n ist die Anzahl der Messpunkte. Ra wird in der Regel in Mikrometern (µm) angegeben.

Ingenieure fällen durch die Bestimmung der Ra-Werte kein absolutes Urteil über die Beschaffenheit der Oberflächenrauheit. Oberflächen können zwar dieselben Ra-Werte aufweisen, jedoch unterschiedliche Spitzen- und Talmuster. Solche Oberflächen können sich in Bezug auf Verschleiß, Reibung und Dichtungsanwendungen unterschiedlich verhalten.

Die Oberflächenrauheit kann mit berührenden oder berührungslosen Verfahren bestimmt werden.

Was ist das Kontaktverfahren zur Bestimmung der Oberflächenrauheit?

Die gängige Methode zur Bestimmung der Oberflächenrauheit ist der Einsatz eines Kontaktprofilometers.

Das Gerät verfügt über einen diamantbestückten Taster, der physischen Kontakt mit der Oberfläche herstellt. Der Taster bewegt sich über eine festgelegte Strecke über die Oberfläche und erfasst dabei das Oberflächenprofil. Trifft der Taster auf eine Erhebung, bewegt er sich nach oben, trifft er auf eine Vertiefung, bewegt er sich nach unten. Das Gerät verfügt über ein Aufnahmesystem, das diese Bewegungen erfasst und in elektrische Signale umwandelt. Das elektrische Signal wird verarbeitet, um ein Oberflächenprofil zu erstellen, das anschließend im Labor als Kurven ausgewertet wird. Das Kontaktprofilometer arbeitet mit einer Software, die die Rauheit von Oberflächenabweichungen mit längerer Wellenlänge unterscheidet. Die Software berechnet Parameter wie Ra und Rz und stellt die Ergebnisse als numerische Werte dar.

Oberfläche → Diamanttaster → Vertikale Tasterbewegung → Elektrisches Signal → Profil → Filterung → Rauheitsberechnung → Ra/Rz

Welche Verfahren gibt es zur berührungslosen Messung der Oberflächenrauheit?

Bei diesem Messverfahren wird Licht zur Erfassung mikroskopischer Oberflächenstrukturen genutzt. Im Gegensatz zu einem physischen Taster, der Erhebungen und Vertiefungen mechanisch abtastet, erfasst das berührungslose Verfahren die Wechselwirkung des Lichts mit der Oberfläche und erstellt so ein 2D-Profil. Diese Methode wird häufig eingesetzt, wenn Ingenieure Kratzer oder Verformungen an Bauteilen vermeiden müssen, wenn herkömmliche Methoden tiefe Strukturen nicht erreichen können und wenn der Kontakt-Taster eine empfindliche Beschichtung beschädigt. Optische berührungslose Systeme können 3D-Oberflächenkarten erstellen, die Ingenieuren die Untersuchung erleichtern. Ingenieure können erkennen, wo bestimmte Erhebungen und Vertiefungen, Bearbeitungsspuren und Kratzer auftreten. Zu den berührungslosen Oberflächenmessverfahren zählen unter anderem die Weißlichtinterferometrie (WLI), die konfokale Mikroskopie, das Laserscanning und die optische Profilometrie.

WLI nutzt Lichtwelleninterferenz zur Ermittlung extrem kleiner Höhenunterschiede auf Oberflächen und liefert so hochauflösende quantitative Oberflächentopografien sowie detaillierte 3D-Höhenkarten ohne physischen Kontakt, wie in den Materialanalyseberichten von Lucideon hervorgehoben wird. ^[2].

Beim Laserscanning wird ein gebündelter Laserstrahl auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet, und das reflektierte Licht wird mithilfe von Verfahren wie der Lasertriangulation gemessen. Je nach Oberflächenhöhe verschiebt sich die Position des reflektierten Laserstrahls, und diese Positionsänderungen werden in Höhenmesswerte umgewandelt. Der Laserstrahl wird über die Oberfläche des Werkstücks gescannt, wodurch ein Oberflächenprofil erstellt wird.

Wie wählt man die richtige Oberflächenrauheit aus?

Bei der Auswahl einer Oberflächenbeschaffenheit steht die Funktion des Bauteils im Vordergrund und nicht der niedrigstmögliche Rauheitswert. Jede bearbeitete Oberfläche erfüllt einen anderen Zweck, daher sollte die Oberflächenbeschaffenheit auf die jeweilige Anwendung abgestimmt sein, anstatt für das gesamte Bauteil dieselbe Anforderung festzulegen.

Anpassung der Oberflächenrauheit an die funktionalen Anforderungen

Ingenieure versuchen, die Oberflächenrauheit an die Funktion des Produkts im Einsatz anzupassen. Sie legen fest, wie das Bauteil nach der Bearbeitung verwendet wird, bevor sie die Oberflächenbeschaffenheit auswählen. Entspricht die Oberflächenbeschaffenheit nicht den funktionalen Anforderungen des Bauteils, werden feinere Oberflächenbeschaffenheiten angewendet, insbesondere an Lagersitzen, Gleitflächen, Präzisionspassungen und Dichtflächen. Wenn die Oberflächen keinen Einfluss auf die Montage haben, wenden die Hersteller standardmäßige Bearbeitungsoberflächen an, um die Oberflächenrauheit neu zu definieren. Oberflächenrauheitswerte werden nur Oberflächen zugewiesen, für die eine funktionale Anforderung besteht.

Abwägung zwischen Oberflächenqualität und Herstellungskosten

Um niedrigere Rauheitswerte zu erzielen, wenden Hersteller zusätzliche Bearbeitungs- oder Endbearbeitungsschritte an. Dazu gehören Polieren, Schleifen, Honen und andere zusätzliche Endbearbeitungsdurchgänge. Diese zusätzlichen Fertigungsprozesse und Endbearbeitungsverfahren wirken sich auf die Gesamtfertigungskosten aus. Ingenieuren wird daher empfohlen, feinere Oberflächen nur dann zu verwenden, wenn sie einen funktionalen Vorteil bieten. In solchen Fällen kann man sich auf die Standardbearbeitung beschränken.

Vermeidung einer zu detaillierten Spezifikation der Oberflächenbeschaffenheit

Eine weitere Strategie zur Auswahl der richtigen Oberflächenrauheit besteht darin, zu vermeiden, dass jeder Fläche des Bauteils dieselbe Oberflächengüte zugewiesen wird. Die Festlegung strenger Anforderungen an die Oberflächengüte in nicht funktionalen Bereichen erhöht die Bearbeitungszeit und den Prüfaufwand. Hersteller müssen bei der Konstruktion jedes Bauteils jede Oberfläche einzeln prüfen. Die Beschränkung feiner Oberflächen auf kritische Merkmale vereinfacht die Fertigung und gewährleistet gleichzeitig die erforderliche Bauteilqualität.

Schlussfolgerung

Die Oberflächenbeschaffenheit gibt die kleinen Erhebungen und Vertiefungen an, die auf einem bearbeiteten Werkstück zurückbleiben. Ra (mittlere Rauheit) ist der arithmetische Mittelwert der Profilhöhen – die häufigste Angabe in technischen Zeichnungen. Rz ist die durchschnittliche Höhe zwischen Erhebung und Vertiefung über eine Stichprobenlänge und reagiert empfindlicher auf tiefe Kratzer.

Die Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit variieren von Bauteil zu Bauteil. Ein Gehäuse, eine Welle, eine Dichtfläche und ein optisches Bauteil weisen selten denselben Ra-Wert auf, da jede Oberfläche eine andere Funktion erfüllt. Bei der Konstruktion legen Ingenieure die Rauheit nur für diejenigen Bereiche fest, die Einfluss auf die Montage, die Bewegung, die Abdichtung, die Beschichtung, die Prüfung und die Produktqualität haben.

Referenz

[1] American Society of Mechanical Engineers (ASME). (2019). B46.1-2019 Oberflächenstruktur (Oberflächenrauheit, Welligkeit und Lage). ASME-Normen. https://www.asme.org/getmedia/f22128e5-acad-429d-bc75-0ac4bdffdf44/b46-1-2019-11×17-poster.pdf

[2] Lucideon. (o. J.). Weißlichtinterferometrie – WLI zur quantitativen Oberflächentopographie. Lucideon – Prüfung und Charakterisierung. https://www.lucideon.com/testing-characterisation/particulate-analysis/white-light-interferometry-wli