Oberflächenrauheit bestimmen
Die Bestimmung der Oberflächenrauheit dient der quantitativen Charakterisierung der feinen, kurzwelligen Unregelmäßigkeiten technischer Oberflächen. Dabei wird die durch den jeweiligen Fertigungsprozess entstandene Oberflächenstruktur messtechnisch erfasst und anhand geeigneter Rauheitskenngrößen bewertet. Diese Oberflächenstrukturen beeinflussen die Funktion eines Bauteils, beispielsweise in Bezug auf Reibung, Verschleiß, Schmierstoffspeicherung, Dichtwirkung, Kontaktverhalten und Lebensdauer.
Um die Rauheit zu messen, werden taktile und optische Messverfahren eingesetzt. Beim Tastschnittverfahren wird die Oberfläche mit einer feinen Tastspitze entlang einer definierten Messstrecke erfasst. Aus dem gemessenen Profil werden das Rauheitsprofil und die entsprechenden Rauheitskenngrößen bestimmt. Dazu gehören beispielsweise der arithmetische Mittenrauwert Ra sowie Kenngrößen zur Rautiefe wie Rz.
Soll gezielt die Rautiefe gemessen werden, können damit insbesondere ausgeprägte Profilspitzen und -täler sowie Veränderungen der Oberflächenstruktur beurteilt werden. Optische Messverfahren ermöglichen zusätzlich eine berührungslose und flächenhafte Erfassung und eignen sich insbesondere für empfindliche, kleine oder komplex strukturierte Oberflächen.
Die Rauheit zu messen, ist ein wichtiges Instrument der Qualitätssicherung und Fertigungsüberwachung. Die ermittelten Rauheitskennwerte können mit Zeichnungsvorgaben, Spezifikationen und Normanforderungen verglichen werden. So lassen sich Fertigungsabweichungen frühzeitig erkennen. Darüber hinaus unterstützt die Rauheitsmessung die funktionsgerechte Auslegung technischer Oberflächen. Insbesondere bei Gleit-, Dicht-, Lager- und Kontaktflächen können so geeignete Rauheitskenngrößen ausgewählt und Fertigungsprozesse gezielt auf die funktionellen Anforderungen abgestimmt werden.
Als Auftragslabor führen bestimmen wir die Oberflächenrauheit nach den aktuellen Normen als Dienstleistung.
Eine Oberflächenmikrostruktur lässt sich in kurzwellige und langwellige Anteile zerlegen. Die Summe der kurzwelligen Anteile bezeichnet man als Rauheit, die Summe der langwelligen Anteile als Welligkeit. Beide Eigenschaften wirken sich auf die funktionalen Eigenschaften einer Oberfläche bezüglich Reibung, Verschleiß, Dichtverhalten uvm. aus, jedoch auf unterschiedliche Art und Weise. Neben den weit verbreiteten einfachen Rauheitswerten Ra und Rz stellt die neue Norm ISO 21920-2:2021 eine umfangreiche Auswahl an Kenngrößen zur Verfügung, mit denen sich Oberflächenstrukturen passgenau und quantitativ beschreiben lassen.
- Taktiles Rauheitsmessgerät
- Konfokalmikroskop
- Konfokales Laser Scanning Mikroskop
- Versch. Weißlichtinterferometer (WLI)
- Rasterkraftmikroskop (AFM)
Rauheitsmessung und -analyse
Der arithmetische Mittelwert des Rauheitsprofils Ra (alt: Mittenrauwert) berechnet sich als Mittelwert aus den Beträgen aller Profilwerte des Rauheitsprofil. Leider stellt der Ra keine brauchbare Kenngröße dar und liefert keine Aussagen über die Ausprägungen der Oberflächenstrukturen. Er wurde in den 1930er Jahren eingeführt, weil er messbar war, nicht weil er aussagekräftig ist.
Die maximale Höhe des Rauheitsprofils Rz (alt: mittlere Rautiefe) berechnet sich als arithmetischer Mittelwert von i.d.R. fünf Einzelrautiefen in aufeinanderfolgender Abschnittslänge der Auswertelänge (früher: Messstrecke). Der Rz beträgt ca. das 3-10-Fache wie Ra, wobei es keine allgemeingültige Umrechnung oder gar eine Korrelation zwischen Rz und Ra gibt.
Maximale Höhe der Rauheit Rz
Die Rauheitswerte Ra, Rz und Rt gehören zu den Senkrechtkenngrößen. Der arithmetische Mittelwert der Rauheit Ra (alt: Mittenrauwert) berechnet sich aus den Beträgen aller Profilwerte des Rauheitsprofil. Der Ra stellt keine brauchbare Kenngröße da und liefert keine Aussagen über die Ausprägung der Oberflächenstrukturen. Hier ist der quadratische Mittelwert der Rauheit Rq zu bevorzugen.
Die maximale Höhe der Rauheit Rz (alt: mittlere Rautiefe) berechnet sich als Mittelwert von i.d.R. fünf Einzelrautiefen aufeinanderfolgender Einzelmessstrecken in der Auswertelänge (alt: Messstrecke). Der Rz ist ca. 3-10fach so groß wie Ra, wobei es keine allgemeingütige Umrechnung gibt.
Von der maximalen Höhe der Rauheit Rz zu unterscheiden ist die Gesamthöhe der Rauheit Rt (alt: Rautiefe), welche als Abstand zwischen höchster Spitze und tiefstem Tals der Auswertelänge (alt: Messstrecke) berechnet wird.
Die 2D-Linien-Rauheit sind die kurzwelligen Unregelmäßigkeiten einer Oberfläche, die durch linienhafte Messungen ermittelt werden. Zur Bestimmung wird eine taktile oder optische Messung durchgeführt und anschließend die kurzwelligen Anteile in Form des Rauheitsprofils herausgefiltert. Aus diesem werden die Rauheitswerte nach der ISO 21920-2 berechnet.
Neben den bekannten Rauheitswerten
- maximale Höhe der Rauheit Rz,
- arithmetischer Mittelwert Rauheit Ra,
- Gesamthöhe der Rauheit Rt und
- Relativer Materialanteil (Traganteil) Rmr
stellen die Normen eine umfangreiche Auswahl an Kennwerten zur Verfügung. Damit lassen sich präzise die funktionsbestimmenden Merkmale einer Oberfläche durch quantitative Größen beschreiben. Gerne beraten wir Sie diesbezüglich.
Der relative Materialanteil Rmr (ISO 21920-2:2021) charakterisiert den Traganteil einer Oberfläche und zeigt, welcher Anteil einer Oberfläche bei einer definierten Schnitthöhe tatsächlich aus Material besteht. Gerade bei Dichtungen, Gleitlagern oder Führungen ist die klassische Rauheitsangabe nicht aussagekräftig genug. Entscheidend ist nicht nur die Höhe der Rauheitsspitzen, sondern auch die tragende Fläche. Der Kennwert Rmr ermöglicht eine deutlich präzisere Beurteilung von Oberflächen und ist von zentraler Bedeutung für die Dichtheit, Schmierfähigkeit, Verschleißfestigkeit und Lebensdauer von Bauteilen.
Der relative Materialanteil der Rauheit Rmr (p, dc) ist nach der neuen ISO 21920-2:2021 der summierte Anteil der im Material verlaufenden Strecke relativ zur Auswertelänge le. Dieser verläuft in einer Schnitthöhe dc zum Bezugsniveau cp , also wird dieser wie folgt berechnet.
Relativer Materialanteil Rmr nach ISO 21920-2:2021
Die nachstehende Zeichnungsangabe fordert für die Oberflächenbeschaffenheit einen relativen Materialanteil im Bereich von 50–80% in einer Schnitthöhe von dc = -0,5 µm mit einem Bezugsmaterialanteil von p = 5%. Für die Schnitthöhe ist ein fester Wert zu wählen. In der Praxis findet man oftmals die Angabe der Schnitthöhe relativ zur maximalen Rauheitshöhe Rz, d. h. eine relative Schnitthöhe von dc = Rz/4. Diese Angabe beruht jedoch auf einer weit verbreiteten Fehlinterpretation und führt zu kuriosen Ergebnissen. Wir erläutern dies gerne in unserem Seminar „Rauheit und Rauheitsmessung”.
Oberflächensymbol für relativen Materialanteil
Die 2D-Linien-Welligkeit sind die langwelligen Unregelmäßigkeiten der Struktur einer Oberfläche, die durch linienhafte Messungen ermittelt werden. Zur Bestimmung wird eine taktile oder optische Messung durchgeführt und anschließend die langwelligen Anteile in Form des Welligkeitsprofils herausgefiltert. Aus diesem werden die normkonformen Kenngrößen für die Welligkeit nach der ISO 21920-2 berechnet.
Bedeutung der Welligkeit:
Die Welligkeit einer Oberfläche ist beispielsweise entscheidend für die Höhe der lokalen Kontaktpressung und die Dichtheit. Somit hat die Welligkeit einen großen Einfluss auf die Tragfähigkeit, das Einlaufverhalten, die Reibung und den Verschleiß. Darüber hinaus bestimmt sie neben der Rauheit die Dichtfunktion bei dichtenden Tribosystemen.
Die 3D-Flächen-Rauheit sind die kurzwelligen Unregelmäßigkeiten einer Oberfläche, die durch flächenhafte Messungen ermittelt werden. Als Messgeräte werden z.B. konfokale Mikroskope und Weißlichtinterferometer eingesetzt, bei denen ein feiner Lichtstrahl die Oberfläche berührungslos abtastet. Aus diesen Messungen werden die kurzwelligen Anteile als Flächenrauheit herausgefiltert und anschließend die 3D-Kennwerte nach der ISO 25178 zur Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften berechnet. Durch die dreidimensionale und damit vollständige Erfassung der Oberflächenstrukturen können auch Merkmale wie Poren, Partikel, Riefen statistisch bewertet werden.
Bedeutung der Rauheit:
Die Flächen-Rauheit 3D und die daraus berechneten Rauheitskennwerte dienen dazu das funktionale Verhalten einer Oberfläche bzgl. Reibung, Verschleiß, Dichtheit, Einlaufverhalten und Tragfähigkeit vollständig zu charakterisieren.
Die 3D-Flächen-Welligkeit sind die langwelligen Unregelmäßigkeiten einer Oberfläche, die durch flächenhafte Messungen ermittelt werden. Als Messgeräte werden z.B. konfokale Mikroskope und Weißlichtinterferometer eingesetzt, bei denen ein feiner Lichtstrahl die Oberfläche berührungslos abtastet. Aus diesen Messungen werden die langwelligen Anteile als Flächenwelligkeit herausgefiltert und anschließend die 3D-Kennwerte nach der ISO 25178 zur Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften berechnet. Durch die dreidimensionale und damit vollständige Erfassung der Oberflächenstrukturen können auch Merkmale wie Poren, Partikel, Riefen statistisch bewertet werden.
Bedeutung der Welligkeit
Die Welligkeit einer Oberfläche ist beispielsweise entscheidend für die Höhe der lokalen Kontaktpressung und die Dichtheit. Somit hat die Welligkeit einen großen Einfluss auf die Tragfähigkeit, das Einlaufverhalten, die Reibung und den Verschleiß. Darüber hinaus bestimmt sie neben der Rauheit die Dichtfunktion bei dichtenden Tribosystemen.
Messgeräte im STZ
- Konfokalmikroskop
- Konfokales Laser Scanning Mikroskop
- Weißlichtinterferometer (WLI)
- Optisches Ebenheitsmessgerät
Das Rückhaltevolumen bzw. Talvolumen der Riefen einer Oberfläche dient als Reservoir für den Schmierstoff bei Tribosystemen und wird oft als Schmiertaschen bezeichnet. Das Rückhaltevolumen lässt sich entweder über Oberflächenparameter 2D/3D aus den ISO Normen oder durch Strukturanalyse charakterisieren.
Bei Oberflächen, die lackiert oder in geschmierten Lagern eingesetzt werden, spielt das Schmierstoff-Rückhaltevolumen eine wichtige Rolle. Ist dieses nicht passend kann dies zu einer mangelhaften Lackierung oder zum Funktionsversagen von Tribosystemen führen. Dafür gibt es spezielle Kennwerte, die das (Öl)rückhaltevolumen einer Oberfläche beschreiben. Durch entsprechende Art und Größe der Schmiertaschen soll eine ausreichende Schmierstoffversorgung im Schmierspalt gewährleistet werden, so dass immer ein Schmierfilm zur Oberflächentrennung vorhanden ist.
Mit der Strukturanalyse werden die geometrischen Merkmale (Motive) einer Oberfläche bewertet, die nicht mit den Oberflächenkennwerten beschreibbar sind. Dies sind zum Beispiel Partikel, Poren, Riefen, Schlagstellen und Texturen. Mit der Oberflächenstrukturanalyse können diese Merkmale (Motive) hinsichtlich Größe, Tiefe, Fläche, Volumen, Orientierung, Gleichmäßigkeit uvm. statistisch ausgewertet werden.
Die Strukturanalyse wird beispielsweise für die Bewertung von Poren und Fehlstellen an der Oberfläche eingesetzt, die zu Undichtigkeiten von Durchflächen führen können. Eine weitere Möglichkeit sind die Bewertung von Furchen bzw. Riefen deren Größe und Orientierung entscheidende Merkmale für den Schmierfilmaufbau von Tribosystemen sind.
Die reale Oberfläche bzw. abgewickelte Oberfläche ist die vergrößerte Oberfläche, welche durch Erhöhungen und Vertiefungen entsteht. Diese wird über das Grenzflächenverhältnis berechnet, welches ein Maß für die Komplexität der Oberfläche darstellt.
Die Komplexität der realen Oberfläche beeinflusst deren Benetzbarkeit und deren Größe spielt z.B. bei Klebeverbindungen eine wichtige Rolle.
Oberflächenspitzen sind die lokal höchsten Erhebungen einer technischen Oberfläche. Bei Kontakt zweier Bauteile stellen sie die ersten tatsächlichen Berührungspunkte dar. Ihre Eigenschaften werden heute häufig mithilfe einer dreidimensionalen optischen Oberflächenmessung erfasst. Dabei erfolgt eine detaillierte Auswertung der Anzahl der Oberflächenspitzen, des durchschnittlichen Spitzenradius und der Steilheit der Rauheitserhebungen. Mithilfe dieser Parameter kann das Kontaktverhalten zwischen Oberflächen realitätsnah beschrieben werden.
Die Anzahl der Oberflächenspitzen hat maßgeblichen Einfluss auf das Einlaufverhalten, den Reibwert und den Verschleiß von Bauteilen. Dies ist besonders relevant bei Kunststoffoberflächen sowie bei Oberflächen, die mit Elastomer-Dichtungen in Kontakt stehen. In diesen Anwendungen entscheidet die Ausprägung der Oberflächenspitzen darüber, ob eine definierte Dichtwirkung erzielt wird oder ob es zu erhöhtem Verschleiß, Leckage oder unerwünschter Reibung kommt. Daher ist die zulässige Anzahl und Art der Oberflächenspitzen häufig eine wichtige funktionale Angabe in technischen Zeichnungen.
Die Analyse von Riefen(Furchen) einer Oberfläche dient dazu deren Ausprägung, wie sie durch den Fertigungsprozess entstehen, präzise zu bestimmen und auszuwerten. Dazu werden hochauflösende optische Oberflächenmessungen durchgeführt und anschließend die Furchen (Riefen) bzgl. Richtung, Länge, Tiefe, Breite, Fläche und Dichte statistisch ausgewertet.
Furchen bzw. Riefen bestimmen in Form von Größe und Richtung das Dichtverhalten von tribologischen Systemen und bei geschmierten Systemen den Einfluss der Oberflächenstruktur auf den Schmierfilmaufbau. Bei Gleitlagern ist eine Hauptriefenrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung vorteilhaft zum Schmierfilmaufbau.
Die Ebenheit bzw. die Ebenheitsabweichung ist ein Maß für die Form einer Oberfläche. Sie gibt an, ob alle Punkte entlang dieser Oberfläche in derselben Ebene liegen. In der Auswertung von Form-Lage-Toleranzen wird die Ebenheit durch ein Parallelogramm symbolisiert. Die Toleranz für die Ebenheit stellt sicher, dass sich eine bestimmte Oberfläche innerhalb zweier imaginärer, perfekter und paralleler Ebenen befindet.
Warum ist Ebenheit wichtig?
Die Ebenheit ist entscheidend, wenn Teile zusammengefügt werden müssen, um eine dichte Verbindung herzustellen. Sie beeinflusst die Funktionalität und Leistung von Bauteilen, insbesondere in bewegten Tribosystemen, elektrischen Leiterplatten und Kamerachips.
Ebenheit prüfen
Klassischerweise wird die Ebenheit einer Oberfläche taktil mit einer 3D-Koordinatenmessmaschine gemessen. Dabei wird die Oberfläche im Einzelpunktbetrieb mit einem Messtaster taktil angetastet und daraus die Ebenheitsabweichung berechnet.
Bei höheren Genauigkeitsanforderungen an die Messung der Ebenheitsabweichung erfolgt die Vermessung der Oberfläche optisch. Dies ist sowohl mit konfokalen Mikroskopen als auch mit Weißlichtinterferometern möglich. Mit einem Weißlichtinterferometer lassen sich auch relativ große Einzelmessfelder realisieren und damit Genauigkeiten von bis zu 0,1 µm absolut über das gesamte Messfeld erreichen.
Laborausstattung
- 3D-Koordinatenmessmaschine
- Konfokalmikroskop
- Weißlichtinterferometer
- Optisches Ebenheitsmessgerät (WLI)
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