Oberflächenrauheit verstehen: Einheiten, Tabellen und Messverfahren

Was ist Oberflächenrauheit?

Oberflächenrauheit, oft kurz „Rauheit“ genannt, ist ein Bestandteil der Oberflächentextur. Sie wird durch die Abweichungen in Richtung des Normalenvektors einer realen Oberfläche von ihrer idealen Form quantifiziert.

Sind diese Abweichungen groß, ist die Oberfläche rau; sind sie klein, ist sie glatt. In der Oberflächenmesstechnik wird Rauheit typischerweise als die hochfrequente, kurzwellige Komponente einer gemessenen Oberfläche betrachtet.

In der Praxis ist es jedoch oft notwendig, sowohl Amplitude als auch Frequenz zu kennen, um sicherzustellen, dass eine Oberfläche für ihren Zweck geeignet ist.

Rauheit spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung, wie ein reales Objekt mit seiner Umgebung interagiert. In der Tribologie verschleißen raue Oberflächen meist schneller und haben höhere Reibungskoeffizienten als glatte.

Rauheit ist oft ein guter Prädiktor für die Leistung eines mechanischen Bauteils, da Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche Keimbildungsstellen für Risse oder Korrosion bilden können.

Andererseits kann Rauheit die Haftung fördern. Generell liefern eher skalenübergreifende Deskriptoren wie die Oberflächenfraktalität aussagekräftigere Vorhersagen mechanischer Interaktionen an Oberflächen, einschließlich Kontaktsteifigkeit und statischer Reibung.

Obwohl ein hoher Rauheitswert oft unerwünscht ist, kann er in der Fertigung schwer und teuer zu kontrollieren sein.

Beispielsweise ist es schwierig und teuer, die Oberflächenrauheit von Teilen aus Fused Deposition Modeling (FDM) zu kontrollieren. Die Verringerung der Rauheit erhöht meist die Fertigungskosten. Dies führt oft zu einem Kompromiss zwischen Herstellungskosten und Leistung in der Anwendung.

Rauheit kann durch manuellen Vergleich mit einem „Oberflächenrauheitsvergleichsmuster“ gemessen werden, aber allgemeiner wird ein Oberflächenprofil mit einem Profilometer erfasst. Dies können Kontaktverfahren (typischerweise Diamanttaststift) oder optische Verfahren sein.

Kontrollierte Rauheit kann jedoch oft erwünscht sein. Beispielsweise kann eine Hochglanzoberfläche für das Auge zu spiegelnd und für den Finger zu rutschig sein (ein Touchpad ist ein gutes Beispiel), weshalb eine kontrollierte Rauheit erforderlich ist. Dies ist ein Fall, in dem sowohl Amplitude als auch Frequenz sehr wichtig sind.

Oberflächenrauheitseinheit

Die Rauheit nach arithmetischem Mittel (Ra) ist der anerkannte Standard und kann in englischen (Microinches) oder metrischen (Mikrometer) Einheiten gemessen werden. Oberflächenbeschaffenheiten werden mit Mittelwert- oder Profiliergeräten gemessen. Mittelwertgeräte können keine Welligkeit messen und zeigen Oberflächenkennwerte typischerweise auf einem Messgerät an.

Wie misst man Oberflächenrauheit?

Oberflächenrauheit ist eine Berechnung der relativen Glätte eines Oberflächenprofils. Dabei wird ein numerischer Parameter – Ra – verwendet. Das Ra-Oberflächenkennwert-Diagramm zeigt den arithmetischen Mittelwert der Oberflächenhöhen. Die Höhen wurden über eine Oberfläche gemessen.

Wie bereits erwähnt, gibt es drei grundlegende Komponenten einer Oberfläche: Rauheit, Welligkeit und Lay (Richtung der Bearbeitungsspuren). Daher beeinflussen verschiedene Faktoren die Eigenschaften der Oberflächengeometrie.

Ebenso gibt es mehrere Messsysteme für Oberflächenrauheit. Diese Systeme umfassen:

• Direkte Messmethoden
• Berührungslose Methoden
• Vergleichsmethoden
• In-Prozess-Methoden

Die direkten Messmethoden messen die Oberflächenrauheit mit einem Taststift. Dabei wird der Stift senkrecht zur Oberfläche geführt. Der Zerspaner nutzt dann ein registriertes Profil zur Bestimmung der Rauheitsparameter.

Berührungslose Methoden nutzen Licht oder Schall. Optische Geräte wie Weißlicht- und Konfokalmikroskope ersetzen den Taststift. Diese Instrumente nutzen unterschiedliche Messprinzipien. Die physischen Taster können durch optische Sensoren oder Mikroskope ersetzt werden.

Zunächst sendet das Gerät einen Ultraschallimpuls zur Oberfläche. Dann werden die Schallwellen verändert und zum Gerät zurückreflektiert. Anhand der reflektierten Wellen können die Rauheitsparameter bestimmt werden.

Vergleichstechniken hingegen verwenden Oberflächenrauheitsmuster. Diese werden von der Ausrüstung oder dem Prozess erzeugt. Der Hersteller vergleicht taktil und visuell die Ergebnisse mit einer Oberfläche bekannter Rauheitsparameter.

Ein Beispiel für In-Prozess-Techniken ist die Induktivität. Diese Methode bewertet die Oberflächenrauheit bei magnetischen Materialien. Der Induktivitätsaufnehmer nutzt elektromagnetische Energie, um den Abstand zur Oberfläche zu messen. Der ermittelte Parameterwert ermöglicht Rückschlüsse auf vergleichende Rauheitsparameter.

Oberflächenrauheitstabelle

Es gibt große Variationen bei Finish- und Kantenbedingungen. Nachfolgend sind einige gängige Fertigungsverfahren und ihre entsprechenden Ra-Oberflächenkennwerte aufgeführt.

Verschiedene Methoden zur Messung der Oberflächenrauheit

Es gibt verschiedene Methoden und Geräte zur Messung der Oberflächenrauheit. Diese fallen in drei Kategorien:

• Profiliertechniken. Hierbei wird die Oberfläche mit einem hochauflösenden Taster vermessen. Man kann sich das wie eine Phonographennadel vorstellen, was die Empfindlichkeit betrifft. Ein typischer CNC-Taster ist möglicherweise nicht so effektiv.
• Flächentechniken. Diese messen einen endlichen Bereich der Oberfläche. Die Messung liefert einen statistischen Mittelwert von Spitzen und Tälern. Beispiele sind Ultraschallstreuung, optische Streuung, Kapazitätssonden u. a. Flächentechniken lassen sich leichter automatisieren und ausführen.
• Mikroskopietechniken. Diese qualitativen Verfahren basieren auf Kontrastmessungen. Die Ergebnisse liefern relevante Informationen über Spitzen und Täler auf Oberflächen.