Oberflächenrauhigkeit: Ra Standard, Messmethoden

Die Oberflächenrauheit (Ra) ist das Maß für die mikroskopischen Erhebungen und Vertiefungen in den Oberflächen von Werkstoffen in Mikrometern und beschreibt mikroskopische Unregelmäßigkeiten auf Materialoberflächen. Die Oberflächenrauheit spielt eine wichtige Rolle für die Funktionsfähigkeit, so führt beispielsweise eine unzureichende Oberflächenrauheit zu frühzeitigen Ausfällen und einer verminderten Tragfähigkeit der Rillen von Lagerringen. In diesem Artikel werden die Grundlagen der Oberflächenrauhigkeit, die Messverfahren und die Auswahl der richtigen Methode erläutert. 

Was ist eine Oberflächenbehandlung?

Die Oberflächenbeschaffenheit setzt sich aus drei verschiedenen Elementen zusammen - Rauheit, Schliff und Welligkeit. Es ist jedoch nicht ungewöhnlich, dass der Begriff "Oberflächenbeschaffenheit" nur für die Oberflächenrauhigkeit verwendet wird. Die Rauheit ist der am häufigsten spezifizierte Aspekt der Oberflächenbeschaffenheit.

Legen

Der Begriff "Schicht" bezeichnet das vorherrschende Muster auf einer Oberfläche und die Ausrichtung dieses Musters. Das Muster wird im Allgemeinen durch den Herstellungsprozess erzeugt und kann parallel, senkrecht, kreisförmig, kreuzschraffiert, radial, multidirektional oder isotrop (ungerichtet) sein. 

Lay bezieht sich auf das primäre Muster auf einer Oberfläche und die Ausrichtung dieses Musters. Es handelt sich in der Regel um ein Nebenprodukt des Herstellungsprozesses. Die verschiedenen Arten des Schnittes können parallel, senkrecht, kreisförmig, kreuzschraffiert, radial, multidirektional oder isotrop (ohne Vorzugsrichtung) sein. 

Welligkeit

Die Welligkeit bezieht sich auf die Oberflächenvariationen, die am weitesten auseinanderliegen. Verallgemeinernd kann man sagen, dass periodische Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche größer sind als die Stichprobenlänge, die für die Messung der Rauheit verwendet wird. Dennoch sind sie weniger klein, kürzer und geregelter, als dass sie nicht zu den Ebenheitsfehlern zählen. Es ist üblich, dass Oberflächenwelligkeit aufgrund von Verwerfungen bei der Erwärmung und Abkühlung oder aufgrund von Bearbeitungsfehlern auftritt, wobei diese Fehler eine Folge von Rattern oder Durchbiegung sind. 

Die Bewertungslänge wird zur Messung der Welligkeit verwendet, und es wird ein Welligkeitsprofil in dieser Länge erstellt. Das Welligkeitsprofil enthält keine Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche aufgrund von Rauheit, Ebenheit oder Formabweichungen. Der Abstand zwischen den Spitzen der Wellen wird als Welligkeitsabstand (Wsm) bezeichnet, während die Wellenhöhe durch Parameter wie die durchschnittliche Welligkeit (Wa) oder die Gesamtwelligkeit (Wt) bestimmt wird. Welligkeitsspezifikationen sind weniger üblich als Rauheitsspezifikationen, aber für Lagerlaufringe oder Dichtungsflächen sind sie sehr wichtig. 

Oberflächenrauhigkeit

Die Oberflächenrauhigkeit wird als eng beieinander liegende Erhebungen und Vertiefungen auf einer Oberfläche bezeichnet und ist das Ergebnis der Materialbeschaffenheit und des Produktionsprozesses.

Kriterien für die Bewertung der Oberflächenrauhigkeit

Länge der Probenahme

Die Probenahmelänge ist eine bestimmte Bezugslänge, die zur Bewertung der Oberflächenrauheit verwendet wird. Sie sollte auf der Grundlage der tatsächlichen Formations- und Texturmerkmale der Oberfläche gewählt werden. Die gewählte Länge muss die Rauheitsmerkmale der Oberfläche genau wiedergeben. Bei der Messung sollte die Abtastlänge der allgemeinen Konturrichtung der Oberfläche folgen. Der Zweck der Definition und Auswahl einer Abtastlänge besteht darin, den Einfluss von Welligkeit und Formfehlern auf die Ergebnisse der Rauheitsmessung zu minimieren.

Bewertung Länge

Die Auswertungslänge ist die Gesamtlänge, die für die Bewertung der Oberflächenrauheit verwendet wird. Sie besteht aus einer oder mehreren Abtastlängen. Da die Oberflächenrauheit in verschiedenen Bereichen eines Teils variieren kann, kann eine einzige Abtastlänge die Rauheitscharakteristik nicht vollständig wiedergeben. Um eine genauere Beurteilung zu erhalten, werden mehrere Abtastlängen genommen. Normalerweise umfasst die Auswertungslänge 5 Abtastlängen.

Referenzlinie

Die Bezugslinie ist die Basislinie, die zur Bestimmung der Oberflächenrauheitsparameter verwendet wird. Es gibt zwei Arten:

• Kleinste-Quadrate-Mittelwertlinie: Geometrische Konturlinie, die die Summe der quadratischen Abweichungen aller Punkte innerhalb der Stichprobenlänge minimiert. Sie bietet eine ideale mathematische Darstellung des Oberflächenprofils.
• Linie des arithmetischen Mittels: Diese Linie gewährleistet, dass die Flächen des Profils oberhalb und unterhalb der Linie innerhalb der Stichprobenlänge gleich sind.

Die Linie des kleinsten quadratischen Mittelwerts ist die ideale Referenzlinie, aber in der Praxis schwer anzuwenden. Daher wird stattdessen häufig das arithmetische Mittel verwendet. Eine gerade Linie mit ähnlicher Lage wird bei der Messung oft als Näherung verwendet.

Terminologie der Oberflächenrauhigkeit

Ra - Der numerische Durchschnitt aller Spitzen und Täler über die gesamte Auswertungslänge. Er wird auch als Center Line Average (CLA) bezeichnet.

Rz - Der Durchschnitt der aufeinanderfolgenden höchsten Spitzen und tiefsten Täler. Der vertikale Abstand zwischen dem höchsten Gipfel und dem tiefsten Tal, der Abstand zwischen dem zweithöchsten Gipfel und dem zweittiefsten Tal usw. Dies wird in der Regel für die fünf größten Abweichungen durchgeführt, und dann wird ein Durchschnitt berechnet. Auf diese Weise können Fehler vermieden werden, da Ra relativ unempfindlich gegenüber einigen Extremen ist.

Rmax - Der vertikale Abstand zwischen dem höchsten Gipfel und dem tiefsten Tal, berechnet innerhalb der Stichprobenlänge.

Rp - Der berechnete Abstand zwischen der höchsten Spitze des Profils und der mittleren Linie innerhalb der Auswertungslänge.

Rv - Der berechnete Abstand zwischen dem tiefsten Tal des Profils und der mittleren Linie innerhalb der Auswertungslänge.

Umrechnungstabelle für Oberflächenrauhigkeit

Die nachstehende Tabelle zeigt die Umrechnung zwischen Industriestandardeinheiten für die Messung der Oberflächenrauheit. Das Wissen um die Umrechnung einer alternativen Industriestandard-Einheit - z. B. der Oberflächenrauheit Ra in metrischen und imperialen Maßeinheiten - in die ISO-Norm könnte für die von Ihnen gewünschte Oberflächengüte sehr hilfreich sein. 

Ra(um)	Ra(μin)	RMS(μin)	Rz(μm)	Skala N (ISO 1302)
0.025	1	1.1	0.3	N1
0.05	2	2.2	0.5	N2
0.1	4	4.4	0.4	N3
0.2	8	8.8	0.8	N4
0.4	16	17.6	1.6	N5
0.8	32	32.5	3.2	N6
1.6	63	64.3	6.3	N7
3.2	125	137.5	12.5	N8
6.3	250	275	5	N9
12.5	500	550	50	N10
25	1000	1100	100	N11
50	2000	2200	200	N12

Messung der Oberflächenrauhigkeit

Es gibt verschiedene Methoden zur Messung der Oberflächenrauheit, die im Allgemeinen in 4 Arten unterteilt werden können: Kontaktmessung, berührungslose Messung, Vergleich mit bekannten Proben und prozessbegleitende Methoden.

Kontakt-Stift-Profilometer

Die berührende Messung ist die am häufigsten verwendete Methode. Dieser Diamanttaster bewegt sich auf und ab, wenn er auf Spitzen und Täler trifft. Die Verschiebung wird in digitale Werte umgewandelt und auf dem Bildschirm des Profilometers angezeigt. Mit dieser Methode werden oft bis zu 20 mm gemessen. Profilometer sollten nicht für weiche oder leicht verformbare Oberflächen verwendet werden, da der Kontakt die Oberflächenstruktur verändern kann.

Berührungslose Methoden

Bei der berührungslosen Messung wird die Oberflächenrauheit mit direktem Kontakt optisch oder mit Licht gemessen, z. B. mit der konfokalen Laserscanning-Mikroskopie und der Lasertriangulation. Ein Strahl wird auf die Oberfläche projiziert, um die Beugung und die reflektierten Signale zu messen. Diese Methoden sind ideal für weiche Materialien und komplexe Geometrien, da sie die Oberfläche nicht berühren. Die Genauigkeit wird jedoch leicht durch das Reflexionsvermögen und die Farbe der Oberfläche beeinträchtigt. 

Methoden zum Vergleich

Die Hersteller können die Rauheitsparameter bewerten, indem sie die Oberfläche mit dem Muster mit taktilen und visuellen Sinnen vergleichen.

In-Process-Methoden

prozessbegleitende Methoden wie die Induktivität, die die Oberflächenrauheit mit Hilfe von magnetischen Materialien und elektromagnetischer Energie misst. Der gemessene Parameterwert kann dann helfen, vergleichbare Rauheitsparameter zu ermitteln. 

Wie wählt man die geeignete Oberflächenrauhigkeit?

Bei einigen Anwendungen spielt die Oberflächenrauheit keine große Rolle. In verschiedenen anderen Szenarien ist sie jedoch von großer Bedeutung. Bei kritischen Anwendungen kann sich die Oberflächenrauheit auf die Funktionalität, Leistung, Haltbarkeit und das Aussehen von Teilen auswirken. Sie wirkt sich auch auf die Bearbeitungszeit und die Kosten aus.

Die Anforderungen an die Oberflächenrauhigkeit bei der CNC-Bearbeitung variieren je nach Anwendung. Es gibt keine von Natur aus gute oder schlechte Oberflächenrauhigkeit, sondern es kommt darauf an, ob sie den spezifischen Anforderungen entspricht. Daher ist es von großer Bedeutung, die geeignete Oberflächenrauheit für die CNC-Bearbeitung Ihres Werkstücks zu bestimmen. Die folgenden Faktoren sollten bei der Auswahl berücksichtigt werden.

Funktionsweise und Zweck

Bei der Wahl der richtigen Oberflächenrauheit für die CNC-Bearbeitung ist der Verwendungszweck Ihres Teils die wichtigste Überlegung. Die Oberflächenrauheit kann sich auf die Eigenschaften Ihres Teils auswirken und darauf, wie es mit anderen Teilen und der Arbeitsumgebung interagiert. Sie kann den Reibungskoeffizienten, den Geräuschpegel, die Verschleißfestigkeit, das Absorptionsvermögen, die optischen Eigenschaften, die Tragfähigkeit, die Haltbarkeit, die elektrische Leitfähigkeit, die Schmierung und viele andere Funktionen und Eigenschaften beeinflussen. In der nachstehenden Tabelle sind die verschiedenen Funktionen von CNC-gefertigten Teilen, die Auswirkungen der Oberflächenrauhigkeit auf diese Funktionen und die entsprechenden empfohlenen Oberflächenrauhigkeitswerte aufgeführt.

Die nachstehende Tabelle zeigt die übliche Rauheit für verschiedene Fertigungsverfahren.

Prozess	Gemeinsame Ra(um)
Schleifen	0.2 - 1.6
Honen	0.1-0.8
Elektropolieren	0.1-0.8
Polieren	0.1-0.4
Läppen	0.05-0.4
Superfinish	0.025-0.2
Fräsen	0.8-6.3
Wenden	0.4-6.3
Bohren	1.6-6.3
EDM	1.6-3.2
Schmieden	3.2-12.5
Laserschneiden	0.8-6.3
Strangpressen	0.8-3.2

Kosten und Produktionszeit

Das Erreichen einer glatteren Oberflächenrauheit bei der CNC-Bearbeitung erfordert einen höheren Bearbeitungsaufwand. Um niedrige Rauheitswerte zu erreichen, sind niedrigere Maschinengeschwindigkeiten, feinere Vorschübe und flachere Schnitte erforderlich. Bei Ra-Werten von 0,4 und darunter kann zusätzliches Polieren erforderlich sein. Der präzise Fertigungsprozess und diese zusätzlichen Schritte erfordern mehr Zeit und Mühe, was wiederum die Produktionskosten in die Höhe treibt.

Über SogaWorks

SogaWorks ist eine All-in-One-Online-Plattform für kundenspezifische mechanische Teile, die über 1.000 erstklassige Fabriken verbindet, um Start-ups und große Unternehmen zu bedienen. Wir bieten flexible Fertigungslösungen für Rapid Prototyping, Kleinserien und Großserien mit Dienstleistungen wie CNC-Bearbeitung, 3D-Druck, Blechfertigung, Urethanguss und Spritzguss. Mit unserer KI-gesteuerten Angebotserstellung kann SogaWorks innerhalb von 5 Sekunden Angebote erstellen, die beste Kapazität ermitteln und jeden Schritt verfolgen. Dies verkürzt die Lieferzeiten und steigert die Produktqualität.