Referentiegids voor oppervlakte-ruwheid en Ra-waarden bij verspaning

Oppervlakteruwheid is een van de belangrijkste kenmerken van bewerkte onderdelen. Het heeft een directe invloed op de prestaties, wrijving, slijtage, afdichting, het uiterlijk en zelfs de productiekosten.

Een van de meest gebruikte ruwheidsparameters op technische tekeningen is de rekenkundige gemiddelde ruwheid (Ra). Ra biedt een herhaalbare en gestandaardiseerde indicatie van de gemiddelde oppervlaktestructuur. In sommige gevallen moet Ra echter worden gecombineerd met andere ruwheidsnormen, zoals Rz en Rpk. Deze combinatie is met name van belang bij functionele oppervlakken zoals medische implantaten, lagerassen en afdichtingsvlakken.

In deze handleiding wordt dieper ingegaan op oppervlakteruwheid en Ra-waarden. De handleiding legt uit wat Ra-waarden betekenen, hoe ze gemeten moeten worden en hoe ruwheid correct in technische tekeningen moet worden gespecificeerd.

Wat is oppervlakteruwheid?

Oppervlakteruwheid beschrijft de microscopische onregelmatigheden die na bewerking op een oppervlak achterblijven. Deze onregelmatigheden zijn het gevolg van de beweging van het snijgereedschap, de geometrie van het gereedschap, de materiaaleigenschappen en bewerkingsparameters zoals de voedingssnelheid en de snijsnelheid. Oppervlakteruwheid maakt deel uit van de beschrijving van de oppervlaktestructuur. De oppervlaktestructuur omvat ruwheid, dat wil zeggen fijne bewerkingssporen met een diepte van 0,1–100 µm. Andere componenten van de oppervlaktestructuur zijn golving, ligging en vormafwijking, die uitgebreid zijn gedefinieerd en gereguleerd binnen gestandaardiseerde meetkaders zoals de ASME B46.1-specificatie voor oppervlaktestructuur ^[1].

Oppervlakteruwheid is een numerieke schaal voor de textuur van een oppervlak, in tegenstelling tot andere onregelmatigheden zoals mat en zilver of glad en glanzend. Ruwheid is niet alleen voelbaar of zichtbaar; ze kan ook worden gemeten. Oppervlakteruwheid kan opzettelijk worden veroorzaakt door de productiesystemen of het gevolg zijn van verschillende factoren. Deze factoren omvatten de fysische eigenschappen van het materiaal en trillingen van snijgereedschappen. Oppervlakteruwheid wordt bestudeerd binnen het vakgebied van de oppervlaktemetrologie.

Waarom is oppervlakteruwheid belangrijk?

Het is onmogelijk om een perfect oppervlak te verkrijgen. Er zijn echter wel verschillende niveaus van perfectie die kunnen worden nagestreefd voor een efficiënte productie. Het kwantificeren van oppervlakteruwheid is van belang voor commerciële producten waarvoor een strikte kostenbeheersing vereist is en die zijn ontworpen voor korte cyclustijden. De technische productie stelt aanvaardbare afwijkingsgrenzen vast voor verschillende productgroepen. Het meten van de oppervlakteruwheid helpt bij de kwaliteitscontrole. Bovendien kunnen ingenieurs het raamwerk voor de instelruwheid gebruiken om aan esthetische specificaties te voldoen. Dit helpt bij het indelen van producten in verschillende kwaliteitsklassen, elk met een ander prijskaartje.

Hoe wordt de oppervlakteruwheid gemeten?

Oppervlakteruwheid is een gemiddelde waarde. Het gaat hierbij om het kwantificeren van afwijkingen in de pieken, dalen en onregelmatigheden die op het oppervlak van het onderdeel worden waargenomen, ten opzichte van een ideaal referentiepunt. De meest gebruikte term bij het meten van oppervlakteruwheid is de rekenkundige gemiddelde ruwheid (Ra). Ook andere parameters, zoals Rz, Rt, Rq en Rmax, komen echter veel voor.

R_z is het gemiddelde van de opeenvolgende hoogste pieken en laagste dalen. Dit wordt meestal gedaan voor de vijf grootste afwijkingen, waarna het gemiddelde wordt berekend. R_p is de berekende afstand tussen de hoogste piek van het profiel en de gemiddelde lijn binnen de evaluatielengte. R_v is de berekende afstand tussen het diepste dal van het profiel en de gemiddelde lijn binnen de evaluatielengte. R_max is de grootste opeenvolgende afwijking tussen de hoogste piek en het laagste dal, berekend binnen de evaluatielengte.

Ra-waarden berekenen

Ra is het gemiddelde van de afwijking van de dalen en pieken van het oppervlak ten opzichte van de referentielijn. Dit kan als volgt worden uitgedrukt:;

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

Waar y is de afwijking van elk meetpunt ten opzichte van de gemiddelde lijn en n is het aantal meetpunten. Ra wordt doorgaans gemeten in micrometer (µm).

Ingenieurs vellen geen definitief oordeel over de aard van de oppervlakteruwheid op basis van de Ra-waarden. Oppervlakken kunnen dezelfde Ra-waarden hebben, maar toch verschillende piek- en dalpatronen vertonen. Dergelijke oppervlakken kunnen zich verschillend gedragen bij slijtage, wrijving en afdichtingstoepassingen.

De oppervlakteruwheid kan worden bepaald met behulp van contact- of contactloze methoden.

Wat houdt de contactmethode voor het bepalen van de oppervlakteruwheid in?

De gangbare methode voor het bepalen van de oppervlakteruwheid is het gebruik van een contactprofilometer.

Het instrument is voorzien van een diamantpuntige stylus die fysiek contact maakt met het oppervlak. De stylus beweegt over het oppervlak over een bepaalde afstand en registreert daarbij het oppervlakteprofiel. De stylus beweegt omhoog wanneer hij een piek raakt en omlaag wanneer hij een dal raakt. Het instrument beschikt over een opnamesysteem dat deze bewegingen detecteert en omzet in elektrische signalen. Het elektrische signaal wordt verwerkt tot een oppervlakteprofiel, dat vervolgens in het laboratorium als grafieken wordt geïnterpreteerd. De contactprofilometer maakt gebruik van software die ruwheid onderscheidt van oppervlaktevariaties met een langere golflengte. De software berekent parameters zoals Ra en Rz en geeft de resultaten weer in numerieke waarden.

Oppervlak → Diamantstift → Verticale beweging van de stift → Elektrisch signaal → Profiel → Filtering → Berekening van de ruwheid → Ra/Rz

Wat zijn de methoden voor contactloze meting van oppervlakteruwheid?

Bij deze meetmethode wordt gebruikgemaakt van licht om microscopische textuur te meten. In tegenstelling tot een fysieke stylus die mechanisch pieken en dalen volgt, registreert de contactloze methode de interactie van licht met het oppervlak, waardoor een 2D-profiel ontstaat. Deze methode wordt veel gebruikt wanneer ingenieurs krassen of vervorming van componenten moeten voorkomen, wanneer traditionele methoden geen toegang hebben tot diepe structuren en wanneer de contactstylus een delicate coating verstoort. Optische contactloze systemen kunnen 3D-oppervlaktekaarten genereren, wat het onderzoek door ingenieurs vergemakkelijkt. Ingenieurs kunnen zien waar specifieke pieken en dalen, bewerkingssporen en krassen voorkomen. Enkele van de contactloze methoden voor oppervlaktemeting zijn onder meer witlichtinterferometrie (WLI), confocale microscopie, laserscanning en optische profilometrie.

WLI maakt gebruik van interferentie van lichtgolven om uiterst kleine hoogteverschillen in oppervlakken te meten, waardoor kwantitatieve oppervlaktetopografie met hoge resolutie en gedetailleerde 3D-hoogtekaarten worden verkregen zonder fysiek contact, zoals benadrukt in de materiaalanalyserapporten van Lucideon ^[2].

Bij laserscanning wordt een gebundelde laserstraal op het oppervlak van het onderdeel geprojecteerd, waarna het gereflecteerde licht wordt gemeten met behulp van methoden zoals lasertriangulatie. Afhankelijk van de hoogte van het oppervlak verschuift de positie van de gereflecteerde laserstraal, en deze positieveranderingen worden omgezet in hoogtemetingen. De laserstraal wordt over het oppervlak van het onderdeel gescand, waardoor een oppervlakteprofiel wordt gegenereerd.

Hoe kies je de juiste oppervlakteruwheid?

Bij het kiezen van een oppervlakteafwerking moet je uitgaan van de functie van het onderdeel, niet van de laagst mogelijke ruwheidswaarde. Elk bewerkt oppervlak heeft een ander doel, dus de afwerking moet worden afgestemd op de toepassing, in plaats van overal op het onderdeel dezelfde eis te hanteren.

De oppervlakteruwheid afstemmen op de functionele eisen

Ingenieurs proberen de oppervlakteruwheid af te stemmen op de functie van het product tijdens het gebruik. Ze bepalen hoe het onderdeel na de bewerking zal worden gebruikt, voordat ze de oppervlakteafwerking kiezen. Als de oppervlakteafwerking niet voldoet aan de functionele eisen van het onderdeel, worden fijnere afwerkingen toegepast, met name op lagerzittingen, glijvlakken, precisiepassingen en afdichtingsvlakken. Als de oppervlakken geen invloed hebben op de montage, passen fabrikanten standaard bewerkte afwerkingen toe om de oppervlakteruwheid opnieuw te definiëren. Waarden voor oppervlakteruwheid worden alleen toegekend aan oppervlakken waaraan een functionele eis wordt gesteld.

Een evenwicht vinden tussen oppervlakteafwerking en productiekosten

Om lagere ruwheidswaarden te bereiken, passen fabrikanten aanvullende bewerkings- of afwerkingsprocessen toe. Deze bewerkingen omvatten polijsten, slijpen, honen en andere extra afwerkingsbewerkingen. Deze aanvullende productieprocessen en afwerkingsmethoden hebben invloed op de totale productiekosten. Ingenieurs wordt daarom aangeraden om fijnere afwerkingen alleen toe te passen wanneer deze een functioneel voordeel opleveren. In dergelijke gevallen kan men standaardbewerkingen toepassen.

Voorkomen van te gedetailleerde specificaties voor de oppervlakteafwerking

Een andere strategie om de juiste oppervlakteruwheid te kiezen, is te vermijden dat aan elk vlak van het onderdeel dezelfde oppervlakteafwerking wordt toegewezen. Het hanteren van strenge afwerkingsvereisten voor niet-functionele delen verlengt de bewerkingstijd en vergroot de inspectiewerkzaamheden. Fabrikanten moeten tijdens het ontwerp van het onderdeel elk oppervlak afzonderlijk beoordelen. Door fijne afwerkingen te beperken tot kritieke kenmerken wordt de productie vereenvoudigd, terwijl de vereiste kwaliteit van het onderdeel behouden blijft.

Conclusie

De oppervlakteafwerking geeft de kleine pieken en dalen weer die op een bewerkt onderdeel achterblijven. Ra (gemiddelde ruwheid) is het rekenkundig gemiddelde van de profielhoogtes — de meest voorkomende specificatie op technische tekeningen. Rz is de gemiddelde hoogte van piek tot dal over een bemonsteringslengte en is gevoeliger voor diepe krassen.

De eisen aan de oppervlakteafwerking verschillen per onderdeel. Een behuizing, as, afdichtingsvlak en optisch onderdeel hebben zelden dezelfde Ra-waarde, omdat elk oppervlak een andere functie vervult. Tijdens het ontwerp specificeren ingenieurs de ruwheid alleen voor de gebieden die van invloed zijn op de montage, beweging, afdichting, coating, inspectie en productkwaliteit.

Referentie

[1] American Society of Mechanical Engineers (ASME). (2019). B46.1-2019 Oppervlaktestructuur (oppervlakte-ruwheid, golving en ligging). ASME-normen. https://www.asme.org/getmedia/f22128e5-acad-429d-bc75-0ac4bdffdf44/b46-1-2019-11×17-poster.pdf

[2] Lucideon. (z.j.). Witlichtinterferometrie – WLI voor kwantitatieve oppervlaktetopografie. Lucideon-testen en karakterisering. https://www.lucideon.com/testing-characterisation/particulate-analysis/white-light-interferometry-wli