Oberflächenbeschaffenheit verstehen: Einheiten, Symbole und wichtige Tabellen

Was ist Oberflächenbeschaffenheit?

Oberflächenbeschaffenheit, auch Oberflächentextur oder Oberflächentopografie genannt, ist die Beschaffenheit einer Oberfläche, definiert durch die drei Merkmale Lay (Richtung der Bearbeitungsspuren), Oberflächenrauheit und Welligkeit. Sie umfasst die kleinen, lokalen Abweichungen einer Oberfläche von der perfekt flachen Idealform (einer wahren Ebene).

Oberflächentextur ist einer der wichtigen Faktoren, die Reibung und Übertragungslagenbildung beim Gleiten steuern. Große Anstrengungen wurden unternommen, um den Einfluss der Oberflächentextur auf Reibung und Verschleiß unter Gleitbedingungen zu untersuchen.

Oberflächentexturen können isotrop oder anisotrop sein. Manchmal können Stick-Slip-Reibungsphänomene beim Gleiten beobachtet werden, abhängig von der Oberflächentextur.

Jeder Fertigungsprozess erzeugt eine Oberflächentextur. Der Prozess wird meist optimiert, um sicherzustellen, dass die resultierende Textur nutzbar ist. Falls notwendig, wird ein zusätzlicher Prozess hinzugefügt, um die ursprüngliche Textur zu modifizieren.

Dieser nachgelagerte Prozess kann Schleifen (abrasives Schneiden), Polieren, Läppen, Strahlen, Honen, Erodieren (EDM), Fräsen, Lithografie, industrielles Ätzen/chemisches Fräsen, Lasertexturieren oder andere Verfahren sein.

Definition der Oberflächenbeschaffenheit

Oberflächenbeschaffenheit, auch Oberflächentextur oder Oberflächentopografie genannt, ist die Beschaffenheit einer Oberfläche, definiert durch die drei Merkmale Lay, Oberflächenrauheit und Welligkeit. Sie umfasst die kleinen, lokalen Abweichungen einer Oberfläche von der perfekt flachen Idealform (einer wahren Ebene).

Oberflächenbeschaffenheit ist ein Maß für die Gesamtextur einer Oberfläche, charakterisiert durch Lay, Oberflächenrauheit und Welligkeit. Wenn alle drei Merkmale einbezogen sind, wird oft der Begriff Oberflächentextur verwendet, um Verwechslungen zu vermeiden, da Zerspaner oft Oberflächenrauheit als Oberflächenbeschaffenheit bezeichnen. Ein weiterer analoger Begriff ist Oberflächentopologie.

Dieses Diagramm veranschaulicht die Beziehung zwischen Welligkeit, Lay und Rauheit:

Lay (Richtung der Bearbeitungsspuren)

Lay beschreibt das dominierende Muster auf einer Oberfläche und die Orientierung dieses Musters. Lay wird generell durch den Fertigungsprozess erzeugt und kann parallel, senkrecht, kreisförmig, kreuzgeschliffen, radial, mehrrichtungsabhängig oder isotrop (richtungsunabhängig) sein. Wir besprechen die Symbole und Interpretation von Lay im Symbol-Abschnitt unten.

Welligkeit

Welligkeit bezeichnet die am weitesten auseinanderliegenden Oberflächenabweichungen. Diese periodischen Unvollkommenheiten sind größer als die Rauheits-Abtastlänge, aber klein, kurz und regelmäßig genug, dass sie nicht als Formabweichungen (Ebenheit) betrachtet werden.

Häufige Ursachen für Welligkeit sind Verzug durch Erhitzen und Abkühlen sowie Bearbeitungsfehler durch Rattern oder Durchbiegung.

Welligkeit wird über eine Auswertelänge gemessen, und für diese Länge wird ein Welligkeitsprofil erstellt. Das Welligkeitsprofil enthält keine Unregelmäßigkeiten aufgrund von Rauheit, Ebenheit oder Formabweichungen.

Welligkeitsabstand (Wsm) ist der Scheitel-zu-Scheitel-Abstand der Wellen, während die Wellenhöhe durch den mittleren Welligkeitswert (Wa) oder die Gesamtwelligkeit (Wt) definiert wird.

Welligkeitsanforderungen sind seltener als Rauheitsanforderungen, können aber für bestimmte Teile wie Lagerlaufbahnen oder Dichtflächen wichtig sein.

Oberflächenrauheit

Oberflächenrauheit, häufig kurz „Rauheit“ genannt, bezieht sich auf kleine Unregelmäßigkeiten in der Oberflächengeometrie. Rauheit ist der am häufigsten spezifizierte, gemessene und berechnete Aspekt der Oberflächenbeschaffenheit, und viele verwenden den Begriff „Oberflächenbeschaffenheit“, um nur Rauheit zu beschreiben.

Oberflächenbeschaffenheitssymbole

Das grundlegende Symbol für Oberflächenbeschaffenheit ist ein Häkchen, dessen Spitze auf der zu spezifizierenden Oberfläche ruht. Variationen dieses Symbols geben zusätzliche Anweisungen, wie in der untenstehenden Tabelle beschrieben.

Oberflächenbeschaffenheitseinheiten

Ra – Mittlere Rauheit

Ra ist auch als Arithmetisches Mittel (AA) oder Center Line Average (CLA) bekannt. Es ist die mittlere Rauheit im Bereich zwischen dem Rauheitsprofil und seiner Mittellinie. Grafisch ist Ra die Fläche zwischen dem Rauheitsprofil und seiner Mittellinie geteilt durch die Auswertelänge. Die Auswertelänge beträgt normalerweise fünf Abtastlängen, wobei jede Abtastlänge einer Grenzlänge entspricht.

Ra ist bei weitem der am häufigsten verwendete Oberflächenkennwert. Ein Grund für seine Verbreitung ist, dass der Betrag eines Signals leicht genommen und mit analogen Elektronik integriert werden kann, sodass Ra von Geräten ohne digitale Schaltungen gemessen werden konnte.

Ra ist zwar weit verbreitet, reicht aber nicht aus, um die Rauheit einer Oberfläche vollständig zu charakterisieren. Je nach Anwendung können Oberflächen mit demselben Ra sehr unterschiedlich performen. Hier sind 4 Oberflächen mit demselben Ra und ganz unterschiedlichen Formen.

Um diese Unterschiede zu unterscheiden, sind weitere Parameter nötig.

Rmax – Vertikaler Abstand von höchstem Gipfel zum tiefsten Tal

Rmax ist besonders empfindlich gegenüber Anomalien wie Kratzern und Graten, die bei Mittelwert-basierten Maßen wie Ra nicht offensichtlich sind.

Rz – In Europa, besonders Deutschland, bevorzugt

Rz wird in Europa und besonders in Deutschland oft Ra vorgezogen. Statt vom Mittelpunkt wie Ra zu messen, misst Rz den Mittelwert der 5 größten Gipfel-zu-Tal-Differenzen innerhalb von fünf Abtastlängen. Während Ra relativ unempfindlich gegenüber wenigen Extremen ist, ist Rz sehr empfindlich, da es genau diese Extremen misst.

Oberflächenbeschaffenheitstabelle

Wichtige Erkenntnisse

• Oberflächenbeschaffenheit besteht aus Welligkeit, Lay und Rauheit, aber auf technischen Zeichnungen wird oft nur Rauheit spezifiziert.
• Ra ist mittlere Rauheit und unterschätzt Höhenvariationen.
• Rz ist mittlere Rauhtiefe und approximiert die Größe der stärksten Höhenvariationen.
• Ra < Rz in den meisten Fällen. Grobe Umrechnung: 7,2 × Ra = Rz (nur Schätzung).
• Wichtig zu wissen, ob Rauheit in SI-Einheiten (Mikrometer) oder englischen Einheiten (Microinches) angegeben ist.
• Glattere Oberflächen sind teurer, da mehr Fertigungsprozesse nötig sind. Daher sollte die raueste akzeptable Oberfläche spezifiziert werden, um Kosten zu minimieren.