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Oberflächenrauheit messen

Wenn man davon spricht, eine Oberfläche zu messen, dann misst man in den meisten Fällen die Oberflächenrauheit.

Auf dieser Seite bekommen Sie einen Überblick über die Qualitätssicherung von Oberflächen.
Sie können auch direkt auf eines der Kapitel klicken:

Was ist Oberflächenrauheit?

Unregelmäßigkeiten an einer Oberfläche, die durch Höhenunterschiede verursacht werden, werden als Rauheit bezeichnet. Diese sogenannten Gestaltabweichungen entstehen durch die Einwirkung einer Werkzeugschneide auf der Oberfläche. Sie werden in Grob- und Feingestalt eingeteilt. Zur Grobgestalt gehören Form- und Lageabweichungen, zur Feingestalt zählen Welligkeit und Rauheit:

  • Form: Abweichungen in langen Perioden bzw. nicht-zyklische Abweichungen
    Mögliche Ursachen: Fehler in der Führung der Werkzeugmaschine, falsche Einspannung des Werkstücks, ungleichmäßiger Verschleiß.
  • Welligkeit: Oberflächenstruktur mit längeren Intervallen der Unregelmäßigkeiten.
    Mögliche Ursachen: Schwingungen der Werkzeugmaschine, Werkstück, Werkzeuge im Fertigungsprozess
  • Rauheit: Unregelmäßigkeiten mit kurzen Intervallen
    Mögliche Ursachen: Schnittwerkzeugmarkierungen, Körnung der Schleifscheibe.

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Jedes Fertigungsverfahren wirkt sich auf die Oberflächengüte aus und verursacht damit Oberflächenrauheit. Um trotzdem die Qualität der gefertigten Bauteile sicher zu stellen, wird die Güte einer Oberfläche über den sogenannten Rauheitswert definiert. Die tatsächliche Rauheit des Bauteiles wird durch die Messung des Oberflächenprofils mit einem Rauheitsmessgerät ermittelt.
Zu beachten ist dabei, dass mit dem jeweiligen Fertigungsverfahren jeweils nur bestimmte Rauheitswerte erreicht werden können. Diese müssen deshalb fertigungsspezifisch definiert werden. Das bedeutet, Rauheitswerte werden in Abhängigkeit vom Fertigungsverfahren definiert. Angegeben wird entsprechend der arithmetische Mittenrauhwert Ra in µm je Fertigungsverfahren.

Zu den Einflussfaktoren auf die Oberflächengüte zählen:

  • Bearbeitung:
    • Schnittbedingungen (Schnitttiefe oder Schnittgeschwindigkeit)
    • Werkzeuge (Spanwinkel, Neigungswinkel, Einstellwinkel)
    • Bearbeitungsart (Drehen, Schleifen, Fräsen)
  • Werkstoff (Textur)
    • Stabilität des Werkstücks
    • Kühlschmiermittel
    • Zerspanungseigenschaften des Werkstoffs

Anwendungen

Oberflächeneigenschaften können mechanisches ebenso wie elektrisches oder chemisches Verhalten des Werkstücks beeinflussen. Die Rauheit von Oberflächen definiert in hohem Maße deren Güte. Oberflächen hinsichtlich ihrer Rauheit zu charakterisieren ist technisch wichtig, denn die Prüfung der Rauheit bietet Möglichkeiten zur Optimierung. Viele Industrien können entsprechend von der Prüfung der Oberflächen mit Rauheitsmessgeräten profitieren, zum Beispiel:

  • Medizintechnik:
    Durch das Einhalten einer spezifischen Oberflächenrauheit wächst beispielsweise ein Zahnimplantat schnell am Kiefer an. Dasselbe gilt auch bei Endoprothesen. Weil eine Prothese im direkten Kontakt zum umliegenden Gewebe steht, kommt ihrer Oberflächenbeschaffenheit eine besondere Bedeutung zu. Deshalb versuchen Hersteller von Implantaten ihre Produkte durch entsprechende Oberflächenbehandlungen möglichst optimal auf den jeweiligen Einsatzzweck vorzubereiten.
  • Automobilindustrie:
    Eine geringe Oberflächenrauheit bei Antriebssträngen reduziert die Reibung, wodurch der durch Friktion hervorgerufenen Energieverlust möglichst geringgehalten werden kann. Mit den hohen Anforderungen nach Effizienz wachsen auch die Anforderungen an die Oberflächen der Lagerzapfen an Kurbelwellen. Bei den Start-Stopp-Systemen, die automatisch den Motor abschalten und wieder einschalten, werden die Oberflächen der Zapfen beispielsweise besonders hoch beansprucht. Eine geringe Oberflächenrauheit reduziert hier den Verschleiß. Bei Elektromotoren spielt die Oberflächenrauheit auch für die Geräuschreduzierung eine Rolle. Hier wird eine größtmögliche Ebenheit der Oberflächen gefordert, weshalb die Qualität der Oberfläche durch das Messen der Rauheit sichergestellt sein muss.
  • Elektronik und Halbleiter:
    Microchips sollen immer kleiner, schneller und Leistungsfähiger werden, diese Herausforderung erfordert die Einhaltung geometrischer Toleranzen auf den einzelnen Bauteilen, wie Koplanarität, Abstand, Warpage und Volumen sowie Rauheitsparameter welche eine extrem hohe Auflösung im Nanobereich erfordern und daher meist mit optischen Oberflächenmessystemen gemessen werden.

Wir bieten Rauheits- und Konturmessgeräte sowie kombinierte Rauheits-/Konturmessgeräte für unterschiedlichste Anforderungen an. Mit unserem Product Finder finden Sie einfach und schnell das richtige Oberflächenmessgerät für Ihren Bedarf.
Gerne vereinbaren wir mit Ihnen auch einen Beratungs- oder Demonstrationstermin.

Rauheit messen

Durch Rauheitsmessungen einer Oberfläche lässt sich ein Werkstück hinsichtlich Funktion, Beschaffenheit und Verschleißverhalten beurteilen. Um die Oberflächenbeschaffenheit eines Werkstücks zu prüfen, werden unterschiedliche Methoden zur Messung der Rauheit angewandt, die man grob in subjektive und objektive Messmethoden einteilen kann:

  • Zu den subjektiven Methoden zählt die visuelle und haptische Prüfung durch Abtasten und betrachten des Werkstücks. Die Sichtprüfung ist oft auch der erste Schritt vor Einsatz eines Rauheitsmessgeräts. Da die Sichtkontrolle hauptsächlich als Tätigkeit durch Menschen ausgeführt wird, unterliegt sie gerade deshalb gegenüber automatisierten Prüfungen einem schlechten Wirkungsgrad. Gründe dafür sind z. B. Konzentrationsschwankungen, Leistungsdruck, Ermüdung, Umwelteinflüsse etc.
  • Als objektive Messmethoden zum Messen von Oberflächenrauheit werden vorrangig taktile oder optische Messgeräte eingesetzt.
    Die Messmethoden ermöglichen, je nach Messsystem eine 2D bzw. eine 3D (Topographie) Auswertung. Messdaten können erfasst, gespeichert und analysiert werden und eignen sich für statistische Auswertungen.

Zur messtechnischen Erfassung und Beschreibung der Oberflächenrauheit wird das Tastschnittverfahren verwendet. Beim Tastschnittverfahren wird die Tastspitze mit konstanter Geschwindigkeit über die Oberfläche eines Werkstücks verfahren. Beim taktilen Messverfahren tastet der Sensor des Rauheitsmessgeräts die Oberfläche Punkt für Punkt ab. Mit Werten im Nano- und Micrometerbereich sind die Genauigkeiten der taktilen Messsysteme bei Rauheitsmessungen sehr hoch. Sie sind meist leicht zu bedienen und liefern zuverlässige Messwerte. Für weiche, nachgiebige Oberflächen sind sie allerdings eher nicht geeignet, da eine Beschädigung der Oberfläche bei taktilen Rauheitsmessgeräten nicht ausgeschlossen werden kann. Für diese werden deshalb vermehrt optische, dreidimensionale Messverfahren eingesetzt, die Oberflächen berührungslos und dadurch zerstörungsfrei messen.

Messverfahren für taktile Rauheitsmessgeräte

Das genaue Verfahren zum Messen der Oberflächenrauheit mit einem taktilen Oberflächenmessgerät ist in ISO 4288:1996 beschrieben. Für die Vorbereitung von Rauheitsmessungen empfehlen wir folgendes Vorgehen:

  1. Das Werkstück säubern und stabil positionieren.
  2. Das Messsystem muss kalibriert und der richtige Tastarm muss angebracht sein.
  3. Das Werkstück so einrichten, dass die Oberfläche rechtwinklig zur Achse der Tastnadel und die Rillenrichtung der Oberflächenstruktur rechtwinklig zur Messrichtung ausgerichtet sind.
  4. Wenn für die Messung der Rauheitskenngrößen der Profilfilter λc und die Messstrecke nicht vorgegeben sind, können Sie die Einstellungen gemäß der untenstehenden Tabelle wählen.
  5. Die erforderlichen Profilfilter (λc und λs für die Rauheit) einstellen. (Dies ist üblicherweise der Gaussfilter).
  6. Die erforderlichen Oberflächenparameter wählen.
  7. Messen und Messwerte ermitteln.
  8. Das Messergebnis mit den in der technischen Dokumentation angegebenen, zulässigen Zahlenwerten vergleichen.
Oberflächen messen: Tabelle zur Auswahl der Tastspitze und R-Parameter

Gemäß DIN EN ISO 4288 muss das Rauheitsprofil in 5 Einzelmessstrecken gemessen werden. Die meisten Rauheitskennwerte – wie zum Beispiel arithmetischer Mittenrauwert (Ra), gemittelte Rautiefe (Rz) oder maximale Rautiefe (Rmax) – werden über die Einzelmessstrecke berechnet. Kennwerte wie den Materialanteil (Rmr) oder Gesamthöhe des Rauheitsprofils (Rt) betrachtet man über das ganze Rauheitsprofil.

Unsere Oberflächenmessgeräte sind durch ihre hohe Genauigkeit optimal für die steigenden Anforderungen in der Fertigung geeignet. ACCRETECH-Messgeräte punkten mit extrem zuverlässiger, nahezu wartungsfreier und langlebiger Technologie. Mit unserem Product Finder finden Sie einfach und schnell das richtige Oberflächenmessgerät für Ihren Bedarf.
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Definition Messstrecken

  • Einzelmessstrecke (lr): Die Länge der Einzelmessstrecke ist zahlenmäßig gleich der oberen Grenzwellenlänge (lr = λc , lw = λf ).
  • Messstrecke (ln): Die Messstrecke (ln) ist die Summe der Einzelmesstrecken (l). Sie enthält mindestens eine Einzelmessstrecke, normalerweise besteht sie jedoch aus fünf.
  • Taststrecke (lt): Die während des Messvorgangs vom Tastsystem zurückgelegte Strecke. Sie besteht aus der Messstrecke ln sowie Vor- und Nachlaufstrecke (Einschwingungs- und Beruhigungsstrecke des Filters), welcher einer ganzen oder ein halben Einzelmesstrecke entspricht. Bei sehr hochgenauen Messsystemen bis zu einem Drittel der Einzelmessstrecke.
Technische Zeichnung: Einzelmessstrecke und Gesamtmessstrecke

Kenngrößen der Oberflächenbeschaffenheit

Im Gegensatz etwa zu dimensionellen Messgrößen wie Längenmaßen ist die Messgröße Oberflächenrauheit nicht eindeutig definiert. Daher gibt es für die Beurteilung der Oberflächengüte unterschiedliche Rauheitsmesswerte, die in Konstruktionszeichnungen mittels Abkürzungen verwendet werden. Die wichtigsten Rauheitskenngrößen bzw. Rauheitsparameter nach der internationalen Norm DIN EN ISO 4287, die das klassische Tastschnittverfahren anwendet, sind:

  • Ra: Der international angewendete Rauheitsparameter ist definiert als arithmetischer Mittelwert der absoluten Werte der Profilabweichungen innerhalb der Bezugsstrecke.
  • Rmr(c): Der (prozentuale) Materialanteil des Profils wird bestimmt durch den Quotienten aus der Summe der Materiallängen der Profilelemente in der vorgegebenen Schnitthöhe c (in μm) und der Messstrecke ln.
  • RSm: Die mittlere Rillenbreite beschreibt den Mittelwert der Breite der Profilelemente Xs. Für die Auswertung sind horizontale und vertikale Zählschwellen festgelegt.
  • Rt: Die Abkürzung steht für „Gesamthöhe des Rauheitsprofils“ und meint die Summe aus der Höhe Zp der größten Profilspitze und der Tiefe Zv des größten Profiltals innerhalb der Messstrecke ln.
  • Rzi : Der Rauheitsparameter steht für die größte Höhe des Rauheitsprofils und meint die Summe aus der Höhe der größten Profilspitze und der Tiefe des größten Profiltals innerhalb einer Einzelmessstrecke lri.
  • Rz1max: Dies ist die maximale Rautiefe und somit der größte der fünf Rzi-Werte aus den fünf Einzelmessstrecken lri innerhalb der Messstrecke ln.
  • Rz: Die mittlere Rautiefe ist definiert durch den Mittelwert der fünf Rzi-Werte aus den fünf Einzelmessstrecken lri innerhalb der Messstrecke ln.
Oberflächen messen: Profil nach Taster und Gauß-Filter

Bei der Wahl des richtigen Parameters müssen viele Aspekte berücksichtigt werden, die man unter Umständen nicht alle im Kopf hat. Unser Poster für Oberflächenparameter im DIN A0 Format bietet eine praktische Übersicht für Ihren Messraum. Sie können das Poster kostenlos hier bestellen.

Einflussfaktoren auf Messergebnisse

Wenn Sie die Oberflächenrauheit messen, kann das Messergebnis von vielen Faktoren beeinflusst werden. Diese lassen sich kompakt in fünf M’s zusammenfassen:

  • Mitwelt (Umweltfaktoren in der Produktion): Beispielsweise können Temperaturschwankungen während der Rauheitsmessung das Ergebnis beeinflussen. Auch die Luftfeuchtigkeit kann Einfluss auf das Messergebnis haben.
  • Messstrategie, wie z. B. Auswahl der Messmethode und des Tasters
  • Mensch: Auch die Erfahrung des Messtechnikers wirkt sich auf das Messergebnis aus.
  • Messobjekt: Wie sauber ist die Oberfläche?
  • Messgerät: Je einfacher ein Rauheitsmessgerät zu bedienen ist, desto weniger fehleranfällig sind die Messungen. Zudem kann die Wahl des Rauheitsmessgeräts die Genauigkeit erhöhen, wie beispielsweise bei der SURFCCOM Serie mit ihrem Linearantrieb, der die Schwingungen extrem reduziert und eine hohe Positioniergenauigkeit ermöglicht.

Die einzelnen Einflussfaktoren auf Oberflächenmessungen werden genauer in unserem Ratgeber Oberflächenmessung beschrieben, den Sie kostenlos herunterladen können.