Oberflächenrauheit verstehen: Schlüsselfaktoren & bewährte Verbesserungstechniken

Im vorherigen Artikel haben wir Oberflächenbeschaffenheit besprochen; die Oberflächenrauheit als eine ihrer Eigenschaften dient zur Qualitätsbewertung von Maschinen und mechanischen Teilen. Hier stellen wir Faktoren, die die Oberflächenrauheit beeinflussen, und Methoden zu deren Verbesserung vor.

Was ist Oberflächenrauheit?

Oberflächenrauheit (oft kurz Rauheit) ist definiert als die höhere Frequenz realer Oberflächen relativ zu den Tälern, quantifiziert durch Abweichungen in Richtung des Normalenvektors einer realen Oberfläche von ihrer Idealform. Große Abweichungen → raue Oberfläche; kleine → glatte Oberfläche. Ein wichtiger Index zur Beurteilung, ob ein bearbeitetes Teil qualifiziert ist. Einfluss auf Verschleißfestigkeit, Qualität, Bewegungsgenauigkeit, Lebensdauer. Im CNC-Bearbeitungsprozess ist angemessene Oberflächenrauheit essenziell.

Faktoren, die die Oberflächenrauheit beeinflussen

1. Schneiden (Zerspanen)

Beim Schneiden mit einem Werkzeug bleibt eine residuale Schneidfläche mit mikrogeometrischem Fehler auf der Oberfläche. Vorschub, Haupt-/Nebenschneidenwinkel, Schneideneckenradius beeinflussen die Größe der Residualfläche. Vorschub & Winkel im Prozess anpassen → Verformung & Schneidbereich reduzieren. Schmierstoff & Werkzeuge materialgerecht wählen → plastische Verformung reduzieren, Aufbauschneide & Schuppbildung hemmen. Größerer Spanwinkel → weniger plastische Verformung → geringere Rauheit.

2. Schleifen

Schleifen dient der Feinbearbeitung. Hohe Härte der Schleifkörner, hohe Geschwindigkeit → hohe Formgenauigkeit & Oberflächengüte. Prozessbedingt Temperaturen von 1000–1500 °C → vertiefte plastische Verformung, negativer Spanwinkel der Schleifkörner dünn. Beim Schleifen werden die meisten Partien extrudiert. Bei plastischer Verformung entsteht an der Seite der Schleifkörner plastischer Wärmefluss → kleine Rauheitsspuren; hohe Temperatur vertieft Rauheit weiter.

3. Schnittparameter

• Vorschub (Feed rate): Verringerung → Höhe der Residualfläche kleiner → günstiger für niedrigeren Ra-Wert.
• Schnittgeschwindigkeit (Cutting speed): Bei Kunststoffen: V < 5 m/min oder V > 100 m/min → keine Aufbauschneide → niedrigerer Ra. Bei V = 20–25 m/min, T ≈ 300 °C: max. Reibungskoeffizient Span/Vorderfläche, max. Aufbauschneidenhöhe → Ra steigt.

Wie man die Oberflächenrauheit verbessert

Bei der Bearbeitung mechanischer Teile können folgende Methoden die Oberflächenrauheit verbessern:

1. Schnittbedingungen: Oberflächenbearbeitungszugabe angemessen reduzieren. Kunststoffe mit hoher Schnittgeschwindigkeit; Vorschub reduzieren; hocheffizientes Kühlschmiermittel; kinematische Genauigkeit der Maschine verbessern, Prozesssystemsteifigkeit erhöhen; ultraschallunterstütztes Schneiden etc.
2. Werkzeuggeometrie wählen: Haupt-/Nebenschneidenwinkel verringern, Schneideneckenradius vergrößern, ggf. Polierkante anschleifen. Schnitt leichter, Rauheit reduziert. Werkzeugstoff mit geringer Affinität zum Werkstück; Sauerstoff-/Nitrierbehandlung am Werkzeug; Verschleiß an Nebenschneide begrenzen; feinkörniges Hartmetall als Werkzeug wählen etc.
3. Maschinenschwingungen beherrschen: Reibung & Extrusion Werkzeug-Werkstück reduzieren, Schneide schärfen, Kühlschmierstoff zugeben, geeignete Werkstoffe wärmebehandeln (gute Zähigkeit).
4. Vernünftige Bearbeitungstechnologie wählen: Bei Präzisionsteilen: Technologie entscheidend. Unvernünftiger Prozess → Qualitäts- & Effizienzverlust. Viele Präzisionsteile benötigen Schlichten nach Schruppen.
5. Rohstoffauswahl differenzieren: Maschinenteile aus verschiedenen Rohstoffen. Je nach Dichte: Werkzeug- & Maschinenwahl direkt mit Rauheit verknüpft. Karbidverteilung in Legierungselementen fein & gleichmäßig; Freischneidstahl sollte S, Pb etc. enthalten; Werkstück anlassen → Härte erhöhen, Plastizität verringern; Graphitkorngröße in Gusseisen reduzieren.