Maschinelle Bearbeitung und deren Oberflächenrauheiten
Die richtige Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst maßgeblich die Funktionalität, Lebensdauer und Herstellkosten von Bauteilen. In diesem Blog erfahren Sie alles, was Sie wissen müssen – von den Grundlagen der Oberflächenrauheit über Messmethoden und internationale Standards bis hin zu praktischen Beispielen, wie die Rauheit in Zeichnungen angegeben wird und welche Bearbeitungsverfahren die gewünschte Qualität liefern. Tauchen Sie ein in die Welt der Präzision und finden Sie heraus, warum selbst Mikrometer den Unterschied ausmachen können!
Was ist Oberflächenrauheit?
Die Oberflächenrauheit bzw. Rauigkeit von Oberflächen beschreibt die mikroskopischen Unebenheiten und Texturen auf der Oberfläche eines Materials, die durch Bearbeitungsprozesse entstehen. Diese Unebenheiten sind oft zu klein, um mit bloßem Auge wahrgenommen zu werden, haben aber einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen, chemischen und optischen Eigenschaften eines Bauteils.
Die Rauheit wird typischerweise durch das Profil der Oberfläche gemessen, wobei die Abweichungen von einer idealen glatten Fläche in Form von Spitzen und Tälern erfasst werden. Diese Abweichungen werden in Mikrometern (µm) gemessen und anhand verschiedener Kennwerte beschrieben. In industriellen Anwendungen ist die Oberflächenrauheit ein nicht unerheblicher Aspekt, da sie Faktoren wie Reibung, Haftung, Verschleißverhalten, Schmierfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit beeinflusst. Eine optimale Rauheit kann dazu beitragen, die Lebensdauer von Bauteilen zu verlängern, die Effizienz von Maschinen zu erhöhen oder die Funktionalität von Dichtungen, Lagerungen und anderen Komponenten zu verbessern.
Welche Arten von Oberflächenrauheit gibt es?
Die Oberflächenrauheit wird durch verschiedene Parameter beschrieben, die dabei helfen, die Beschaffenheit einer Oberfläche zu charakterisieren. Jeder dieser Parameter bietet unterschiedliche Informationen über die Mikrostruktur und die Qualität einer Oberfläche. Im Folgenden werden einige der wichtigsten Parameter erklärt:
- Rauheit Ra (arithmetischer Mittenrauwert): Ra ist der am häufigsten verwendete Parameter zur Beschreibung der Oberflächenrauheit. Es misst den durchschnittlichen Abstand der Rauheitsprofile von der Mittellinie einer Oberfläche. Ra gibt einen einfachen Durchschnittswert der Höhe und Tiefe der Oberflächenabweichungen und liefert eine allgemeine Einschätzung der Rauheit.
- Rauheit Ry (maximale Rautiefe): Ry bezieht sich auf die höchste einzelne Spitze und das tiefste Tal innerhalb eines bestimmten Messabschnitts. Es beschreibt also den größten vertikalen Abstand auf der Oberfläche.
- Rauheit Rz (Zehn-Punkt-Höhenwert): Rz beschreibt die Differenz zwischen den fünf höchsten Spitzen und den fünf tiefsten Tälern in einem Messabschnitt. Im Gegensatz zu Ra, das einen Durchschnittswert liefert, fokussiert sich Rz auf extreme Höhen und Tiefen und bietet eine genauere Aussage über die maximale Rauheit einer Oberfläche.
- Rauheit Rt (Gesamthöhe des Profils): Rt beschreibt den Abstand zwischen der höchsten und der tiefsten Abweichung einer Oberfläche über die gesamte Länge des gemessenen Profils. Es liefert einen Gesamtwert der Rauheit, indem es die extremen Spitzen und Täler über das gesamte Messfeld hinweg berücksichtigt.
Die genaue Berechnung dieser Parameter kann recht komplex sein und erfordert spezielle Messgeräte sowie mathematische Methoden. Sollten Sie sich für eine detaillierte Berechnung der Oberflächenrauheiten interessieren, finden Sie weitere Informationen in unserem Blog-Beitrag über die Messung und Ermittlung von Oberflächenbeschaffenheit und Rauheitskurve.
Messmethoden der Oberflächenrauheit
Die Messung der Oberflächenrauheit erfolgt durch unterschiedliche Messgeräte und Messverfahren. Zu den gängigsten Techniken gehören:
- Tastschnittverfahren: Hierbei fährt eine feine Tastspitze über die Oberfläche des Werkstücks und erfasst dabei die Höhen und Tiefen des Oberflächenprofils. Der Sensor zeichnet das Profil auf, aus dem dann verschiedene Rauheitsparameter wie Ra, Rz oder Rt abgeleitet werden können. Dieses Verfahren eignet sich für eine breite Palette an Oberflächen, bietet jedoch nur eine zweidimensionale Ansicht der Rauheit.
- Optische Rauheitsmessung: Optische Messgeräte erzeugen ein dreidimensionales Bild der Oberfläche. Diese Verfahren sind besonders nützlich für empfindliche oder weiche Materialien, die durch eine mechanische Tastspitze beschädigt werden könnten.
- Laser-Scanning: Laser-basierte Verfahren verwenden einen fokussierten Lichtstrahl, um die Oberfläche zu vermessen. Dies ermöglicht die berührungslose Messung von Oberflächenstrukturen mit hoher Geschwindigkeit und Präzision.
Internationale Standards für Oberflächenrauheit
Die Messung und Spezifikation der Oberflächenrauheit erfolgt nach international anerkannten Standards. Die Normenreihe ISO 25178, zum Beispiel, bezieht sich auf dreidimensionale Messungen der Oberflächentextur und gewinnt immer mehr an Bedeutung, da moderne Fertigungsverfahren oft komplexe Oberflächenstrukturen erzeugen. Internationale Standards sorgen dafür, dass die Messung und Spezifikation der Oberflächenrauheit weltweit konsistent und vergleichbar bleibt. Diese Normen bieten klare Definitionen und Messvorschriften, die von der Fertigungsindustrie verwendet werden, um sicherzustellen, dass Bauteile den funktionalen und qualitativen Anforderungen entsprechen.
Wie wird die Oberflächenrauheit auf der Zeichnung angegeben?
Oberflächenangaben in technischen Zeichnungen beschreiben die spezifische Beschaffenheit einer Oberfläche, einschließlich ihrer Rauheit, Welligkeit und Bearbeitungsmethoden. Ingenieure und Fertigungsspezialisten nutzen standardisierte Symbole, um präzise Anforderungen an die Oberflächenqualität zu kommunizieren. Durch die Angabe von Oberflächenrauwerten, Bearbeitungsverfahren und Faserrichtungen in den Zeichnungen wird die Grundlage für die Herstellung von Bauteilen gelegt. Diese Symbole und Werte folgen internationalen Standards, wie zum Beispiel der ISO 1302, die weltweit einheitliche Spezifikationen und Messmethoden sicherstellen. Nachfolgend werden einige grundlegende Rauheit-Symbole erläutert.
Das Oberflächenzeichen ist ein genormtes Symbol, das in technischen Zeichnungen verwendet wird, um Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit eines Werkstücks zu kommunizieren. Es wird verwendet, um Informationen zur Oberflächenrauheit, Bearbeitungsmethode, Faserrichtung, Welligkeit und anderen relevanten Aspekten der Oberfläche darzustellen.
a - Wert der Oberflächenrauheit Ra
b - Angaben zur Bearbeitungsmethode
c - Ausschnittswert, Bewertungslänge
d - Angaben zur Faserrichtung
e - Angaben zur Bearbeitungstoleranz
f - andere Parameter als Ra
g - Angaben zur Oberflächenwelligkeit
Bearbeitungsverfahren zur Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit
Verschiedene Verfahren, wie Drehen, Fräsen, Schleifen oder Polieren, erzeugen jeweils unterschiedliche Rauheiten, die die Funktionalität und Qualität der hergestellten Bauteile beeinflussen. Je nach Anwendungsbereich kann eine grobe oder besonders glatte Oberfläche erforderlich sein, um Reibung, Verschleiß oder Korrosionsanfälligkeit zu minimieren. In der nachfolgenden Tabelle werden Rauheiten von Oberflächen aufgelistet und es wird gezeigt, mit welchen Verfahren diese Rauheiten erzielt werden können.
| Rautiefe Ra (μm) | Bearbeitungsverfahren |
|---|---|
| 0.025 | - fast spiegelglatte Oberfläche mit nur sehr geringen, mikroskopischen Unebenheiten -wird durch Verfahren wie Feinstschleifen, Läppen, Polieren oder Elektropolieren erreicht - für empfindliche Hochpräzisionsbauteile |
| 0.05 | - feine Oberfläche mit gleichmäßiger Struktur und kaum sichtbaren Rauheitsspitzen und Rauheitstälern - wird erzeugt durch präzise Nachbearbeitungsverfahren wie Feinstschleifen, Läppen, Polieren oder Superfinish-Verfahren - für Anwendungen mit hohen Präzisionsanforderungen |
| 0.1 | - sehr glatte Oberfläche, jedoch mit etwas mehr mikroskopischer Rauheit - erzeugt durch Feinschleifen, Schleifen, Läppen oder Polieren - optimal für Instrumente in der Feinmechanik und Optik |
| 0.2 | - feine, hochwertige Oberfläche - durch Schleifen, Feinschleifen, Läppen oder Honen - für Passungen, Dichtflächen und Lagerflächen |
| 0.4 | - hochwertige Oberfläche mit merkbaren, jedoch noch kleinen Mikrounebenheiten - durch Bearbeitungsverfahren wie Feindrehen, Fräsen, Schleifen und Honen - für Anwendungen mit moderaten Anforderungen an Oberflächenglätte |
| 0.8 | - relativ glatte Oberfläche mit deutlicheren Mikrounebenheiten - durch Drehen, Fräsen, Honen und Schleifen - für Maschinenteile, Lagerflächen und Gleitflächen, die reibungsarme Bewegungen ermöglichen müssen |
| 1.6 | - gute Oberflächenbeschaffenheit mit spürbaren Mikrounebenheiten - erzielt durch Verfahren wie Drehen, Fräsen, Schruppen oder Schleifen - für Gleitlager, Wellen und Komponenten, die unter moderaten, kontrollierten Bedingungen arbeiten |
| 3.2 | - relativ raue Oberfläche mit deutlich wahrnehmbaren Spitzen und Tälern - wird erzeugt durch Drehen, Fräsen oder Schruppen - für Bauteile und Verbindungen, die später weiterbearbeitet oder beschichtet werden sollen |
| 6.3 | - vergleichsweise grobe Oberfläche mit deutlich sichtbaren und fühlbaren Unebenheiten - entsteht durch Drehen, Fräsen, Gießen, Bohren usw. - für Bauteile, die hohen Belastungen unterliegen oder für die eine weitere Oberflächenbearbeitung geplant ist |
| 12.5 | - sehr grobe Oberfläche mit ausgeprägten Unebenheiten - entsteht durch Drehen, Fräsen, Schleifen oder Gießen - bei groben oder unkritischen Komponenten |
| 25 | - raue, minderwertige Oberfläche - entsteht beim Sägen, Grobdrehen, Fräsen usw. - für Bauteile und Komponenten vor der Feinbearbeitung |
| 50, 100 | - äußerst grobe Oberfläche - für Anwendungen, bei denen hohe Oberflächenrauhigkeiten tolerierbar oder gefordert sind |
Bedeutung der Oberflächenrauheit in industriellen Anwendungen
Die Oberflächenrauheit spielt eine wesentliche Rolle in industriellen Anwendungen, insbesondere wenn es um die Reduktion von Reibung und Verschleiß geht. Je nach Rauheitsprofil können Oberflächen entweder eine höhere Reibung verursachen oder den Schmierfilm besser halten und dadurch die Effizienz von Maschinenkomponenten verbessern. Um jedoch ein vollständiges Verständnis für die Zusammenhänge zwischen Oberflächenqualität und Reibungsverhalten zu gewinnen, ist es ebenso wichtig, die Konzepte der Reibung und des Reibungskoeffizienten zu verstehen. In diesem Zusammenhang wirkt sich die Oberflächenrauheit direkt auf den Reibungskoeffizienten aus, der maßgeblich für den Kontakt zwischen Bauteilen verantwortlich ist. Sie möchten mehr erfahren? Dann finden Sie in unserem Blog über die Grundlagen des Reibungskoeffizienten, seine Messmethoden und seine Anwendungen in der Technik weiterführende Informationen.