Oberflächenrauheit, kurz Rauheit, bezeichnet die Unebenheit einer Oberfläche. In der Zerspanungsindustrie gilt dies als grundlegendes Wissen, wird aber dennoch oft vernachlässigt. Gerade wir Zerspanungsmechaniker, die sich eher auf Parameter, Zahnprofile und Strukturen konzentrieren, schenken ihr oft zu wenig Beachtung. Fragen Sie sich: Wie sieht eine gedrehte Oberfläche mit Ra 1.6 aus? Haben Sie ein konkretes Bild davon vor Augen?
Was ist Oberflächenrauheit?
Die Oberflächenrauheit beschreibt die Unebenheit einer Oberfläche. Sie wird quantifiziert durch die Abweichung der Richtung des Normalenvektors einer realen Oberfläche von seiner idealen Form. Je größer die Abweichung, desto rau ist die Oberfläche; je kleiner die Abweichung, desto glatt. Rauheit wird im Allgemeinen als die hochfrequente, kurzwellige Komponente einer gemessenen Oberfläche betrachtet. In der Praxis ist es jedoch oft notwendig, sowohl Amplitude als auch Frequenz zu verstehen, um sicherzustellen, dass eine Oberfläche für einen bestimmten Zweck geeignet ist. Die Oberflächenrauheit ist ein Indikator für die Oberflächenstruktur eines bearbeiteten Bauteils und repräsentiert den Mittelwert der mikroskopischen Abweichungen und Unebenheiten auf der Oberfläche des bearbeiteten Bauteils.
Indikatoren für die Oberflächenrauheit
Die Oberflächenrauheit spielt eine entscheidende Rolle für die Wechselwirkung eines Objekts mit seiner Umgebung. Hohe Rauheitswerte sind in der Regel unerwünscht, ihre Kontrolle während der Fertigung kann jedoch schwierig und kostspielig sein. Konstrukteure und Verfahrenstechniker müssen daher häufig einen Kompromiss zwischen den Fertigungskosten eines Bauteils und dessen Anwendungsleistung finden.
Die häufigsten Indikatoren für Oberflächenrauheit sind folgende:
Ra
Ra ist der arithmetische Mittelwert der Abweichungen der Oberflächenhöhe von der Mittellinie, gemessen über eine bestimmte Strecke. Die Mittellinie ist der „mittlere Mittelpunkt“ zwischen den Gipfeln und Tälern des Profils. Ra ist die mittlere Höhe aller Gipfel oberhalb dieser Linie.
Rz
Rz ist die durchschnittliche maximale Höhe der Oberflächenunregelmäßigkeiten. Sie ist der Mittelwert der vertikalen Abstände zwischen dem höchsten Gipfel und dem tiefsten Tal über eine gegebene Länge.
Rp
Rp ist die Höhe des höchsten Peaks von der Mittellinie innerhalb einer festgelegten Abtastlänge.
Rv
Rv ist die Tiefe des tiefsten Tals von der Mittellinie innerhalb einer festgelegten Abtastlänge.
Legen
Die Maserung ist die primäre Richtung der Oberflächenstruktur und gibt die Richtung an, in der die meisten Oberflächenunregelmäßigkeiten liegen.
Das folgende Diagramm veranschaulicht diese Indikatoren über eine Beispiellänge einer Teileoberfläche.
Ra ist der am häufigsten verwendete Indikator zur Bestimmung der Oberflächenrauheit bei der CNC-Bearbeitung und wird in µm (Mikrometern) gemessen. Je niedriger der Ra-Wert, desto geringer die Abweichungen in den Oberflächenunebenheiten und desto glatter die Oberfläche. Mit steigendem Ra-Wert wird die Oberfläche rauer und weist eine ausgeprägtere Textur auf.
Warum ist die Oberflächenrauheit wichtig?
Die Oberflächenrauheit ist ein entscheidender Faktor bei CNC-Bearbeitungsprojekten. Sie beeinflusst nicht nur Funktionalität und Ästhetik, sondern auch Bearbeitungskosten, Arbeitsaufwand und Zeitaufwand. Einige Auswirkungen der Oberflächenrauheit auf CNC-bearbeitete Teile umfasst:
Kontakt
Reibung ist für den Kontakt zwischen Oberflächen unerlässlich und nimmt mit zunehmender Oberflächenrauheit zu. Bei Bauteilen, die einen statischen Kontakt erfordern, wie z. B. Baugruppen und zu handhabende Teile, ist eine ausreichende Oberflächenrauheit notwendig, um Haftung zu gewährleisten und ein Verrutschen zu minimieren.
Bewegung
Reibung ist zwar für statischen Kontakt unerlässlich, wirkt sich jedoch nachteilig auf bewegliche, vibrierende oder lasttragende Bauteile aus, da sie die Bewegung behindert, den Energieverbrauch erhöht, Wärme erzeugt und den Verschleiß beschleunigt. Um die Reibung zu minimieren und die Verschleißfestigkeit zu verbessern, muss die Oberflächenrauheit reduziert werden. Umgekehrt erzeugt Rauheit Rillen, die die Schmierstoffhaftung verbessern, was in Bewegungssystemen von entscheidender Bedeutung ist.
Beschichtungshaftung
Die Oberflächenrauheit beeinflusst die Eignung einer Oberfläche für Beschichtungen wie Anodisierung oder Pulverbeschichtung. Mikrostrukturen auf relativ rauen Oberflächen können Beschichtungssubstanzen einschließen und so die Absorption und Haftung der Beschichtung verbessern.
Ästhetik
Die Oberflächenrauheit beeinflusst direkt die ästhetische Qualität eines Bauteils. Glänzende, spiegelnde, körnige oder matte Oberflächen hängen davon ab, wie die Oberflächenrauheit mit dem Licht interagiert. Beispielsweise führt eine geringere Oberflächenrauheit zu einer besseren Lichtreflexion und einem glänzenderen Finish, da weniger Unebenheiten das Licht streuen.
Kosten
Die Erzielung einer bestimmten Oberflächenrauheit beeinflusst die Teilekosten. Beispielsweise erfordert das Erreichen einer geringen Oberflächenrauheit unter anderem langsame Bearbeitungsgeschwindigkeiten und mehrere Bearbeitungsdurchgänge. Diese sorgfältige Werkzeugführung minimiert Oberflächenunebenheiten, erhöht aber Bearbeitungszeit, Aufwand und Kosten.
Darüber hinaus beeinflusst die Oberflächenrauheit die elektrische Leitfähigkeit, die Dichtigkeit, die Hygiene und die optischen Eigenschaften. Obwohl mikroskopisch klein, spielt die Oberflächenstruktur in verschiedenen Anwendungen eine entscheidende Rolle. Oberflächenrauheit an sich ist weder gut noch schlecht; die ideale Rauheit hängt von der jeweiligen Anwendung des Bauteils ab.
Basisfaktoren für die Oberflächenrauheit
Sampling-Länge
Die Messlänge L ist eine festgelegte Referenzlinienlänge zur Bestimmung der Oberflächenrauheit. Sie sollte anhand der tatsächlichen Form- und Texturmerkmale der Bauteiloberfläche gewählt werden, um deren spezifische Rauheitsmerkmale widerzuspiegeln. Bei der Messung der Messlänge muss diese mit der Gesamtrichtung des tatsächlichen Oberflächenprofils übereinstimmen. Die Festlegung und Auswahl einer geeigneten Messlänge dient dazu, den Einfluss von Oberflächenwelligkeit und Formfehlern auf die Rauheitsmessergebnisse zu begrenzen und zu reduzieren. Gängige Messlängen für Rauheitsmessgeräte sind in der Regel 0.25 mm, 0.8 mm und 2.5 mm.
Bewertungslänge
Die Auswertungslänge ist die Gesamtlänge, die zur Profilbestimmung erforderlich ist, und kann aus einer oder mehreren Messlängen bestehen. Da die Oberflächenrauheit an verschiedenen Stellen eines Bauteils nicht perfekt gleichmäßig sein muss, gibt eine einzelne Messlänge die Rauheitseigenschaften einer Oberfläche oft nicht ausreichend wieder. Daher müssen zur Auswertung mehrere Messlängen über die Oberfläche erfasst werden. Die Auswertungslänge umfasst in der Regel 1 bis 5 Messlängen (L). Beispiel: Bei einer Messlänge von 0.8 mm und einer Auswertungslänge von 5L beträgt die Gesamtauswertungslänge 5 * 0.8 = 4 mm.
Bezugslinie
Die Referenzlinie ist die mittlere Profillinie, die zur Bestimmung der Oberflächenrauheitsparameter verwendet wird. Es gibt zwei Arten von Referenzlinien:
- Mittellinie des Profils nach der Methode der kleinsten Quadrate: Innerhalb der Abtastlänge ist es die Linie, bei der die Summe der Quadrate der Profilabweichungen von der Linie minimiert wird und die die geometrische Form des Profils aufweist.
- Arithmetische Mittellinie des Profils: Innerhalb der Abtastlänge sind die Flächen des Profils oberhalb und unterhalb dieser Linie gleich.
Theoretisch ist die Ausgleichsgerade die ideale Referenzlinie, in der Praxis jedoch schwer zu ermitteln. Daher wird üblicherweise die arithmetische Mittelgerade als Ersatz verwendet, und für die eigentliche Messung kann eine Gerade in annähernder Position herangezogen werden.
Messhub (Traversallänge)
Der Messweg bezeichnet die tatsächliche Strecke, die der Sensorstift über das Werkstück zurücklegt. Er berechnet sich üblicherweise aus der Auswertelänge plus zwei zusätzlichen Abtastlängen. Beispiel: Bei einer Auswertelänge von 5L und einer Abtastlänge L von 0.8 mm ergibt sich ein Messweg von 5L + 2L = 7L, also 7 * 0.8 = 5.6 mm. Dieses Verständnis ist entscheidend für die Berechnung des tatsächlichen Messwegs auf dem Werkstück und damit für die Bestimmung der minimalen Kontaktfläche, die für eine gültige Messung erforderlich ist.
Oberflächenrauheitsklassen bei der CNC-Bearbeitung
Die Oberflächenrauheit bearbeiteter Teile wird typischerweise durch die mittlere Rauheit (Ra) gemessen. Die Ra-Werte gefertigter Teile liegen im Allgemeinen zwischen 0.1 µm und 6.3 µm (glatt bis rau). Es ist jedoch zu beachten, dass die Oberflächenrauheit auch Werte außerhalb dieses Bereichs erreichen kann; beispielsweise können Siliziumwafer, die in der Halbleiterfertigung verwendet werden, mit einer Oberflächenrauheit von Ra 0.01 µm hergestellt werden.
Vergleich der Oberflächenrauheitsgrade
Die Oberflächenrauheit ist nicht zufällig; Hersteller ergreifen spezifische Prozessmaßnahmen, um bestimmte Ra-Werte zu erzielen. Zur Standardisierung bieten die meisten Hersteller vier Oberflächenrauheitsklassen an:
- 3.2 µm Ra
- 1.6 µm Ra
- 0.8 µm Ra
- 0.4 µm Ra
Diese Oberflächenrauheitsgrade weisen unterschiedliche Texturen, Eigenschaften, Vorteile, Einschränkungen und geeignete Anwendungsbereiche auf.
Ra 3.2
Ra 3.2 µm ist der Standard für CNC-bearbeitete Teile. Sofern vom Kunden nicht anders angegeben, verwenden Hersteller diesen Wert standardmäßig. Ra 3.2 µm zeichnet sich durch deutlich sichtbare Bearbeitungsspuren aus, die Oberfläche ist jedoch für die meisten Konsumteile ausreichend glatt. Dies ist die empfohlene maximale Rauheit für Teile, die Belastungen, Beanspruchungen oder Vibrationen ausgesetzt sind. Als Referenzwert verursacht Ra 3.2 µm keine zusätzlichen Kosten.
Anwendungen: Strukturelle Maschinenhalterungen, Motorhauben für Kraftfahrzeuge, allgemeine Werkzeugvorrichtungen und Maschinenchassis.
Ra 1.6
Eine Oberflächenrauheit von Ra 1.6 µm eignet sich für eng gefasste und beanspruchte Bauteile sowie für Oberflächen mit geringer Bewegung, leichten Vibrationen und niedrigen Belastungen. Diese Rauheitsklasse zeichnet sich durch feine, kaum sichtbare Schnittspuren aus. Sie wird durch hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten, geringe Vorschübe und flache Schnitttiefen erzielt. Diese Rauheitsklasse erhöht die Produktionskosten um ca. 2.5 %.
Anwendungen: Hydraulische Kolbenstangen, langsam laufende Getriebe, Präzisionsbefestigungselemente und Elektronikgehäuse.
Ra 0.8
Die Oberflächenrauheit Ra 0.8 µm gilt als hohe Güteklasse und erfordert spezielle Nachbearbeitungsprozesse. Sie eignet sich ideal für Bauteile mit hoher Spannungskonzentration und starken Belastungen sowie für vibrierende und bewegliche Komponenten. Aufgrund der notwendigen präzisen Kontrolle und Feinbearbeitung erhöht diese Güteklasse die Produktionskosten um 5 %.
Anwendungen: Präzisionszahnräder, Hydraulikventilkomponenten, Gehäuse für medizinische Geräte und Schmuckkomponenten.
Ra 0.4
Eine Oberflächenrauheit von Ra 0.4 µm gilt als sehr hochwertig und ist der höchste Standard für CNC-Bearbeitung, der von den meisten Herstellern angeboten wird. Sie weist keine sichtbaren Schnittspuren auf und wird typischerweise durch feine, streng kontrollierte Bearbeitung erreicht. PolierenDieser zusätzliche Aufwand kann die Produktionskosten um bis zu 15 % erhöhen. Er eignet sich für sich schnell bewegende oder vibrierende Passteile und Komponenten unter hoher Spannung und Belastung.
Anwendungen: Lagerflächen, Zylinderstangen, optische Komponenten und Präzisionsspritzgussformen.
Wie misst man die Oberflächenrauheit?
Die Messung der Oberflächenrauheit erfolgt mittels zweier Methoden: qualitativ und quantitativ. Bei der qualitativen Beurteilung wird die zu untersuchende Oberfläche mit Standardproben bekannter Rauheitsgrade verglichen. Die Bestimmung des Rauheitsgrades erfolgt visuell oder mikroskopisch. Die quantitative Beurteilung hingegen nutzt spezifische Messmethoden und entsprechende Instrumente, um den numerischen Wert der Oberflächenrauheit zu ermitteln.
Vergleichsmethode
Dieses Verfahren dient der Messung der Oberflächenrauheit vor Ort in Werkstätten und wird üblicherweise bei mittel- bis relativ rauen Oberflächen angewendet. Es ermittelt den Rauheitswert, indem die zu prüfende Oberfläche mit einer Rauheitsprobe verglichen wird, die mit einem spezifischen numerischen Wert markiert ist.
Stiftmethode
Die Oberflächenrauheit wird mit einem Diamanttaster mit einem Spitzenradius von ca. 2 Mikrometern gemessen, der langsam über die zu prüfende Oberfläche gleitet. Die vertikale Auslenkung des Diamanttasters wird mittels eines Längensensors in ein elektrisches Signal umgewandelt. Nach Verstärkung, Filterung und Berechnung wird der Wert der Oberflächenrauheit auf einem Display angezeigt; optional kann ein Schreiber verwendet werden, um das Oberflächenprofil des gemessenen Querschnitts aufzuzeichnen.
Ein Gerät, das lediglich Oberflächenrauheitswerte anzeigt, wird üblicherweise als Oberflächenrauheitsmessgerät bezeichnet, während ein Gerät, das gleichzeitig Oberflächenprofilkurven aufzeichnet, als Oberflächenrauheitsprofilometer bekannt ist. Beide Messgerätetypen sind mit elektronischen Rechenschaltungen oder Computern ausgestattet, die automatisch die arithmetische mittlere Abweichung des Profils (Ra), die Zehn-Punkt-Höhe mikroskopischer Unebenheiten (Rz), die maximale Profilhöhe (Ry) und verschiedene weitere Auswertungsparameter berechnen. Dieses Verfahren bietet eine hohe Messeffizienz und eignet sich zur Messung von Oberflächenrauheiten mit Ra-Werten im Bereich von 0.025 bis 6.3 Mikrometern.
Lichtschnitt
Bei diesem Verfahren wird ein Lichtstreifen, der durch einen Spalt entsteht, auf die zu prüfende Oberfläche projiziert. Die Oberflächenrauheit wird anhand der Profilkurve gemessen, die durch die Schnittlinie zwischen Lichtstreifen und Oberfläche gebildet wird. Das von einer Lichtquelle emittierte Licht durchläuft eine Kondensorlinse, einen Spalt und das Objektiv 1. Der Spalt wird unter einem Neigungswinkel von 45° auf die Oberfläche projiziert, wodurch ein Querschnittsprofil entsteht. Dieses Bild wird anschließend durch das Objektiv 2 vergrößert und auf ein Fadenkreuz projiziert. Der Wert „h“ wird zunächst mit einem Mikrometerokular und einer Ablesetrommel abgelesen, woraus der Wert „H“ berechnet wird.
Das Gerät, das diese Methode anwendet, ist als Lichtschnittmikroskop bekannt. Es eignet sich zur Messung der Oberflächenrauheit mit Rz- und Ry-Werten zwischen 0.8 und 100 Mikrometern. Allerdings erfordert es eine manuelle Punktauswahl und weist eine geringe Messeffizienz auf.
Interferometrie
Dieses Verfahren nutzt das Prinzip der Lichtwelleninterferenz (siehe optische Planplatten und Laser-Längenmesstechnik), um die Formabweichungen der zu prüfenden Oberfläche als Interferenzstreifen darzustellen. Ein hochauflösendes Mikroskop (bis zu 500-fach) wird verwendet, um die mikroskopischen Ausschnitte dieser Interferenzstreifen zu vergrößern und so die Oberflächenrauheit zu bestimmen.
Das Messgerät, das diese Methode anwendet, wird als Interferenzmikroskop bezeichnet. Diese Technik eignet sich zur Messung der Oberflächenrauheit mit Rz- und Ry-Werten im Bereich von 0.025 bis 0.8 Mikrometern.
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