Von Anfang bis Ende:Die Grundlagen der Oberflächenmessung

Wenn ein Ingenieur eine Spezifikation für die Oberflächenbeschaffenheit in einen Druck aufnimmt, besteht die Absicht normalerweise nicht nur darin, das Teil gut aussehen zu lassen. Die Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst, wie ein Teil passt, sich abnutzt, Licht reflektiert, Wärme überträgt, Schmiermittel verteilt und Beschichtungen annimmt. Die Oberflächenbeschaffenheit sollte von der Funktion des Teils bestimmt werden:Sie möchten eine Oberfläche, die die technischen Anforderungen der Anwendung erfüllt, ohne Zeit und Mühe für eine hochwertigere Oberflächenbeschaffenheit als notwendig zu verschwenden. (Tatsächlich funktionieren viele Anwendungen besser mit einer gewissen Menge an „Textur“, und ein zu feines Finish kann ebenso schlecht wie ein zu grobes Finish sein.)

Vor dreißig Jahren, als die meisten Maßtoleranzen in Tausendstel Zoll gemessen wurden, war der Unterschied von einigen Millionsteln in der Oberflächenbeschaffenheit oft irrelevant. Da Toleranzen von „Zehnteln“ oder sogar Zehnmillionsteln heute alltäglich sind, machen Schwankungen in der Oberflächenbeschaffenheit einen beträchtlichen Prozentsatz des gesamten Fehlerbudgets aus.

Beachten Sie das folgende Beispiel:

Die maximale Rautiefe auf einer Oberfläche ist normalerweise vier- oder fünfmal größer als die durchschnittliche Oberflächenbeschaffenheit, gemessen nach der Ra-Methode. Ein Teil mit einem Ra-Wert von 16 μ“ hat daher wahrscheinlich eine Rauhtiefe von 64 μ“ oder mehr. Wenn Sie versuchen, eine Maßspezifikation von 0,0001 Zoll einzuhalten, stellt die Oberflächengüte von 16 μ Zoll mehr als die Hälfte der zulässigen Toleranz dar.

Die Oberflächenbeschaffenheit – auch als Profil bekannt – setzt sich aus zwei Komponenten zusammen:Welligkeit und Rauheit. Welligkeit oder Schwankungen bei längeren Wellenlängen werden durch makroartige Einflüsse wie verschlissene Spindellager oder Vibrationen von anderen Geräten in der Werkstatt verursacht. Rauheit – das kurzwellige Muster von Werkzeugspuren durch Schleifen, Fräsen oder andere Bearbeitungsverfahren – wird durch den Zustand und die Qualität der Werkzeuge beeinflusst. Beide können durch die Wahl des Bedieners hinsichtlich Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe beeinflusst werden.

Obwohl Kratzpads für Fingernägel eine brauchbare Anleitung für die Endbearbeitung darstellen können, können sie die modernen Anforderungen an Dokumentation und Rückverfolgbarkeit nicht erfüllen. Daher die zunehmende Bedeutung von Oberflächengütelehren. Es gibt zwei Grundvarianten:Skid-Typ oder Mittelwertbildungssysteme; und skidless oder profilierende Systeme. Kufenlehren haben eine schwenkbare Sondenanordnung, wobei die Sonde neben einer relativ breiten Kufe läuft, die auch das Werkstück berührt. Die Kufe neigt dazu, Welligkeiten herauszufiltern, sodass die Sonde nur kurzwellige Schwankungen misst. Eine Gleitlehre hat eine Skalen- oder LCD-Anzeige, um die Messung als einen einzelnen numerischen Wert anzuzeigen.

Skidless-Messgeräte verfügen über eine glatte, flache Innenfläche als Referenz, sodass die Sonde sowohl auf Welligkeit als auch auf Rauheit reagieren kann. Um eine getrennte Analyse von lang- und kurzwelligen Schwankungen zu ermöglichen, erzeugen Profilierungsmessgeräte normalerweise eher ein Diagramm (auf Papier oder auf einem Computerbildschirm) als ein einzelnes numerisches Ergebnis.

Jede Anwendung reagiert anders auf unterschiedliche Kombinationen von Rauheit und Welligkeit, und die Industrie hat darauf reagiert, indem sie mehr als 100 verschiedene Formeln erstellt hat, mit denen Oberflächengüteparameter aus denselben Messdaten berechnet werden können. Viele davon sind sehr anwendungsspezifisch, und die meisten Geschäfte können ihre Messungen auf etwa ein halbes Dutzend Parameter beschränken. In fast allen Fällen werden Messungen in Mikrozoll- oder Mikrometereinheiten angegeben. Ra ist der am häufigsten verwendete Parameter, da er einen arithmetischen Durchschnitt von Oberflächenunregelmäßigkeiten liefert, gemessen von einer Mittellinie, die irgendwo zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Punkt auf einer bestimmten Grenzlänge liegt. Eine etwas ausgefeiltere Variante, Rq, verwendet eine Berechnung des quadratischen Mittelwerts, um die geometrische durchschnittliche Rauheit zu ermitteln – einen gemittelten Durchschnitt, wenn Sie so wollen.

Beide neigen jedoch dazu, den Einfluss von Oberflächenanomalien wie Graten oder Kratzern zu minimieren. Wenn solche Faktoren für die Anwendung kritisch sind, berechnen Rmax, Ry, Rt und Rtm alle die Rauheit als Funktion der maximalen Rautiefe. Ebenfalls nützlich ist Rz – der „Zehn-Punkte-Höhe“-Parameter –, der den Durchschnitt der zehn maximalen Gipfel-zu-Tal-Unterschiede innerhalb des Abtastbereichs berechnet.

Wenn die Oberflächenbeschaffenheit auf einer Zeichnung angegeben, aber nicht anders angegeben ist, ist es üblich, Ra anzunehmen. Aber kein einzelner Parameter ist für alle Arten von Teilen am besten geeignet, und viele Anwendungen werden am besten durch die Verwendung von zwei oder mehr Parametern bedient:Beispielsweise kann Ra (durchschnittliche Rauheit) in Kombination mit Rmax (maximale Rauheit) eine gute allgemeine Vorstellung von den Teilen liefern Leistung, und warnen Sie die QA vor potenziell schädlichen Oberflächenanomalien.

Die Oberflächenveredelung ist nicht nur eine Herausforderung, sondern auch eine Chance. Wenn Sie die Oberflächenbeschaffenheit gut kontrollieren können, können Sie in einigen Fällen die Genauigkeit in anderen Bereichen sicher reduzieren.

Zuvor im Quality Magazine vorgestellt.