Ratgeber
Die Beschaffenheit von Oberflächen spielt in vielen technischen Bereichen eine wichtige Rolle. So haftet beispielsweise Farbe auf einem rauen Untergrund besser als auf einem spiegelglatten. Andererseits bieten glatte Oberflächen gegenüber rauen weniger Reibungswiderstand bei sich berührenden Teilen einer mechanischen Konstruktion.
Gemessen wird Rauheit mit speziellen Instrumenten der Messtechnik, deren mechanisches Funktionsprinzip wir Ihnen in unserem Ratgeber genauer vorstellen.
Unter Rauheit, früher oft mit Rauigkeit oder Rauhigkeit bezeichnet, ist die Unebenheit einer Festkörperoberfläche zu verstehen. Je unebener die Oberfläche, desto rauer ist sie auch. Viele Objekte des täglichen Lebens besitzen gezielt raue Teile, Griffe von Handwerkszeug wie Schraubendreher und Zangen beispielsweise. Hier erzeugt die raue Oberfläche zusammen mit einer speziellen Kunststoffmischung einen hohen Reibungswiderstand, der als sogenannte Haftreibung die Griffkraft verstärkt.
Auf der anderen Seite ist zu große Oberflächenrauheit oft ein guter Indikator für die nachlassende Leistung eines mechanischen Bauteils. Durch Überbeanspruchung oder Umgebungseinflüsse können sich Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche bilden, die dann als Keimzellen für Risse oder Korrosion dienen.
Obwohl ein hoher Rauheitswert oft unerwünscht ist, lässt er sich in der Fertigung oft schwer unterdrücken. Ein Beispiel sind metallische Teile aus der Schmelzschichtung eines 3D-Druckers. Eine deutliche Verringerung der Unregelmäßigkeiten lässt sich nur durch aufwendiges Nachbearbeiten wie Drehen, Fräsen oder Honen und abschließendem Polieren erreichen.
Absolut kontraproduktiv sind Unregelmäßigkeiten immer dann, wenn Metalloberflächen möglichst verlustarm interagieren müssen, zum Beispiel in Verbrennungsmotoren. Kolben, Zylinder und gegebenenfalls auch Ventile sind zwar durch einen Schmierstofffilm voneinander getrennt, dennoch beeinflusst ihre Oberflächengüte die Leistung des Aggregats.
Ganzmetallventile für den Hochvakuumbereich repräsentieren sozusagen den Goldstandard für glatt poliertes Metall. Aufgrund von Temperaturen von 300 Grad Celsius und mehr sowie niedrigster Druckverhältnisse – zum Beispiel in Teilchenbeschleunigern oder in Produktionsanlagen für Solarzellen und LC-Displays – sind Ventile mit klassischen Polymerdichtungen in der Regel ungeeignet. Einen sicheren Abschluss des Vakuums gewähren hier Ventile, bei denen Metall direkt mit Metall in Berührung kommt.
Kontrollierte Rauigkeit ist in einigen Fällen allerdings auch erwünscht. So kann beispielsweise eine spiegelnde Oberfläche für das Auge zu glänzend und für den Finger zu rutschig sein, so dass eine kontrollierte Rauheit erforderlich ist.
Rauheit lässt sich sowohl berührungslos über optische Verfahren wie Laser-Abtastung als auch mechanisch messen. Mechanische Rauheitsmessgeräte mit dem sogenannten Tastschnittverfahren sind weit verbreitet und ermöglichen eine schnelle und einfache Überprüfung der Oberflächenrauheit von Werkstücken. Zu finden sind sie in der Metallverarbeitung, in Fertigung, Qualitätskontrolle und Inspektion, bevorzugt in der Automobil- und Luftfahrttechnik. In der Regel handelt sich bei diesen Präzisionsinstrumenten um akkubetriebene Geräte im Taschenformat für den mobilen Einsatz.
Beim Test identifiziert das Messgerät automatisch Erhöhungen und Vertiefungen einer Festkörperoberfläche als mikroskopisch kleine Berge und Täler. Es lässt sich horizontal, vertikal oder in einem beliebigen Winkel verwenden. Wichtig ist allerdings, dass Werkstück und Messgerät während des Messvorgangs keinerlei Bewegungen ausgesetzt sind, da schon geringe Erschütterungen das Ergebnis verfälschen. Die Abtastung erfolgt durch einen vertikal auslenkbaren Stift, an dessen Spitze ein nur wenige Mikrometer großer Diamant befestigt ist.
Die vom Rauheitsmessgerät berechneten Parameter bewegen sich in Bruchteilen von Millimetern, typische Skalen reichen von 0,005 bis 16 Mikrometer. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar besitzt einen Durchmesser von durchschnittlich 70 Mikrometer.
Üblicherweise erscheinen die Messergebnisse auf einem LC- oder LED-Display, und zwar wahlweise als Mikrometerwerte in Ziffern oder als grafisches Höhenprofil der Abtastung. Daten lassen speichern und zur weiteren Bearbeitung an einen PC überspielen, beispielsweise über eine USB-Schnittstelle.
Die Rauheitsmessung erfolgt linear, das heißt in einer geraden Linie von wenigen Millimetern Länge. Dabei wird der Diamant-Taster des mobilen Rauheitsmessgeräts durch einen elektromotorischen Antrieb im Gerät langsam entlang der Testoberfläche geführt.
Für ein einwandfreies Testergebnis muss das Messinstrument erschütterungsfrei auf dem Werkstück aufliegen oder über Verschraubungen fest mit einem Standfuß verbunden sein.
Notwendig ist zudem eine vorherige Kalibrierung und die Einstellung des Nullwerts anhand der Lage des Werkstücks.
Während der Messung erfasst das Instrument zahlreiche Parameter, hier die wichtigsten:
Ra – die arithmetische mittlere Abweichung
Rz – die maximale Höhe des Profils
Rt – die Gesamthöhe des Profils
RSm – die mittlere Breite der Profilelemente
RPc – die standardisierte Anzahl von Peaks
Die Werte der Oberflächenrauheit sind normalerweise in Ra angegeben, der durchschnittlichen absoluten Abweichung von einer Mittellinie der Oberfläche. Weitere Werte sind Rq, das ist der quadratische Mittelwert der Abweichung. Je nach Ihren spezifischen Anforderungen gibt es eine große Anzahl anderer Prüfskalen. Fortschrittliche Rauheitsmessgeräte können gleichzeitig mehrere Prüfskalen bieten.
Nach der Rauheitsmessung werden die Signale das analogen Abstastsystems mit einem digitalen Filter- und Parameterberechnungssystem verarbeitet. Kernelement ist ein digitalen Signalprozessor, der DSP-Chip. Das Ergebnis der Messung lässt sich anschließend auf dem LC- oder LED-Bildschirm ablesen, ausdrucken oder per Schnittstelle an einen PC übertragen.
Welche Kriterien gelten für eine normgerechte Rauheitsmessung?
Für die Rauhigkeitsprüfung an Werkstücken sind unterschiedliche Normen gültig, und zwar DIN 4762, DIN 4768, DIN 4771, DIN 4775 sowie DIN 4766-1.
Wie übermittelt der Taster die Rauheit an das Messsystem?
Die meisten mechanischen Rauhigkeitsmessgeräte arbeiten mit Induktion oder nutzen piezoelektrische Effekte. Im ersten Fall ragt der Taster mit seinem innenliegenden magnetischen Ende in eine von Strom durchflossene Spule. Bewegt sich die Diamantspitze, bewegt sich analog das Tasterende in der Spule und verändert damit deren Magnetfeld.
Eine umgekehrte Anordnung ist ebenso möglich: Das Tasterende besitzt eine Spule, die in einen permanentmagnetischen Ring ragt. Das Prinzip ähnelt einem Lautsprecher oder einem dynamischen Mikrofon, der Taster wirkt dabei wie eine schwingende Membran. Die Änderung wird als Höhendifferenz erfasst. Beim piezoelektrischen Verfahren reagiert eine Piezokristall auf die Tasterbewegungen. Da diese Kristalle bei Verformung ein messbares elektrischen Potenzial aufbauen, lässt sich daraus die Amplitude der Abtastung ermitteln.
In der Praxis bieten induktiv arbeitende Geräte in der Regel größere Messbereiche. Sie betragen für den Ra-Wert beispielsweise von 0,005 bis 16 Mikrometer, für den Rz-Wert 0,02 bis 200 Mikrometer.
Wie genau arbeiten mechanische Instrumente?
Die Messgenauigkeit liegt bei führenden Herstellern etwa in der Größenordnung von plusminus 10 Prozent.