Oberflächenrauheit in der CNC-Bearbeitung: Hauptindikatoren und Unterschiedliche Rauheitsgrade

Was ist die Oberflächenrauheit der CNC-Bearbeitung

Die Oberflächenrauheit der CNC-Bearbeitung wird anhand der Unvollkommenheiten oder Textur einer Oberfläche eines maschinell bearbeiteten Teils bestimmt. Denken Sie dabei an die Beulen und Rillen, die Sie unter einem Mikroskop sehen würden -es geht umwirklich winzige Details, die mit dem bloßen Augen nicht zu sehen sind. Selbst nach Nachbehandlungsverfahren wie dem Perlenstrahlen, der Politur oder der Anwendung anderer Oberflächenveredlungen verbleiben diese zu einem gewissen Grad. Diese Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche resultieren aus der CNC-Bearbeitung, einem subtraktiven Fertigungsverfahren in dem das Material mit Schneidwerkzeugen aus dem Werkstück entfernt wird. Diese Schnitte hinterlassen oft für das bloße Auge unsichtbare Unregelmäßigkeiten.

Die Oberflächenrauigkeit ist entscheidend für die Bestimmung der Leistung CNC-gefertigter Teile, da die direkt Schlüsselparameter wie den Reibungskoeefizienten, den Lärmpegel, Verschleiß und Abnutzung, Hitzeentwicklung und Haftfähigkeit beeinflussen. Falls Sie sich schon einmal gewundert haben, wieso manche Bauteile so gut ineinander passen, während andere das nicht tun – dann liegt es in der Regel an der Rauhigkeit und den Toleranzen.  Diese Faktoren sind entscheidend für die Auswahl der am bestne geeigneten Oberflächenrauigkeit bei bestimmten Anwendungen, was sie zu einem der Dreh- und Angelpunkt der Überlegungen von Ingenieuren und Herstellern macht. 

Oberflächenrauheit ist dabei nicht immer unerwünscht. Es geht nämlich nicht immer darum die Dinge möglichst glatt zu gestalten. Bei manchen CNC-gefertigten Teilen sind spezifische Rauigkeitsstufen ein erforderlicher Teil der Herstellungsrichtlinien. So verlässt man sich zum Beispiel bei bestimmten maschinell gefertigten Teilen auf eine höhere Rauheit um die Haftung oder die Leistung unter bestimmten Bedinungen zu verringern. Die Hersteller müssen ggf. sogar die Unregelmäßigkeiten verfeinern um dem beabsichtigten Anwendungszweck eines maschinell gefertigten Teils gerecht zu werden, was die Wichtigkeit der sorgfältigten Abwägung und Festlegung der Oberflächenrauheitstufen im Produktionsprozess hervorhebt.

Übliche Oberflächenrauheitsstufen in der CNC-Bearbeitung

Lassen Sie und die Sache in reale Anwendungsgebiete einteilen. Die folgende Tabelle umreisst die üblichen Rauheitsstufen in der CNC-Bearbeitung, die dafür am häufigsten empfohlenen Anwendungen sowie den Einfluss auf die Maschinenlaufzeit und die Kosten.

Wie die Nachbearbeitung die Oberflächenrauheit von maschinell gefertigten Teilen beeinflusst

Nachbearbeitungsverfahren wie Perlenstrahlen, Elektropolitur, Anodisierung, Beschichtung sowie Pulverbeschichtungen können die Oberflächenrauheit und die allgemeinen Maße des Baueteils beeinflussen.  Die Nachbearbeitungsverfahren beeinflussen zudem das oberflächenfinish des hergestellten Bauteils. Für ein mattes oder körniges Finish wird das Perlenstrahlen bevorzugt, während ein glänzend glatte Finish durch Dampfglätten und Elektropolitur erreicht werden kann. Die Auswahl des richtigen Verfahrens stellt sicher, dass die Bauteile den Indutre- und Leistungsanforderungen entsprechen.

Wie wird die Oberflächenrauheit gemessen?

Jedes CNC-gefertigte Teil verlässt die Fertigungslinie mit einem spezifischen Ra-Wert und weiteren spezifischen Faktoren. Diese werden mit fortschrittlichen Methoden gemessen, die keinen Spielraum für Fehler lassen. Einige der am häufigsten eingesetzten Verfahren sind:

• Kontaktprofilometer: Es nutzt einen Diamantstift der auf der Oberfläcche des Werkstücks entlang führt und Abweichungen im Äußeren des Bauteil aufzeichnet. 
• Berührungslose Profilometer: Verwendet verschiedene Techniken, um die Oberflächenrauheit ohne physischen Kontakt mit dem bearbeiteten Bauteil zu messen. Gängige dabei verwendete Techniken sind Holographie, Lasertriangulation, kofokale Mikroskopie und optische Profilometrie.
• Rasterkraftmikroskopie (AFM): Ein hochentwickeltes Verfahren, das sich ideal zur Messung der Oberflächenrauheit glatter Oberflächen eignet. Es verwendet Sonden um die Oberfläche von maschinell bearbeiteten Teilen genau zu erfassen und bietet Genauigkeit auf der Nanometerebene.
• 3D-Scannen: Erstellt Oberflächentopographiekarten und ist eines der fortschrittlichsten Oberflächenrauheitsmessverfahren.

Indikatoren für die Oberflächenrauheit in der CNC-Bearbeitung

Rauheitsindikatoren helfen bei der Bestimmung der Eignung von Teilen für spezifische Anwendungen anhand ihrer Funktionalität und ästhetischen Anforderungen. Es folgt eine Übersicht über die wichtigsten Indikatoren für Oberflächenrauigkeit.

Ra (Roughness, average – mittlere Rauheit)

Ra berechnet scih als arithmetisches Mittel aus der absoluten Ablenkung bzw. Abweichung des Oberflächenprofils von der Mittellinie über die Bewertungslänge. Im Wesentlichen mittelt es die Höhenunterschiede zwischen Gipfeln und Tälern, wobei es die Vorzeichen ignoriert um einen einheitlichen Rauigkeitswert zu liefern.

• Rp (Maximale Profilspitzenhöhe): Die Höhe des höchsten Gipfels von der Mittellinie aus gesehen. 
• Rv (Maximale Profiltaltiefe): Die Tiefe des tiefsten Tals von der Mittellinie aus gesehen.
• L: Bewertungslänge

Bedeutung: Ra ist der am häufigsten angewendete Paramter, der einen allgemeinen Hinweis auf die Oberflächenstruktur liefert, ohne dabei übermäßig durch extreme einzelne Gipfel oder Täler beeinflusst zu werden.

Anwendungen: Geeignet für Allzweckteile, bei denen eine mäßige Glätte akzeptabel ist. 

Rz (Mittlere Maximalhöhe)

Rz ist der Mittelwert der maximalen Rauhtiefe (Tal zu Gipfel) in fünf gleichlangen Probenahmebereichen.

• Vom höchsten Gipfel zum tiefsten Tal
• Vom zweithöchsten Gipfel zum zweittiefsten Tal
• usw. bis zum fünftgrößten Abstand

Bedeutung: Bietet eine detaillierte Abbildung der Oberflächentextur durch den Fokus auf extreme Variationen im Profil.

Anwendungen: Entscheidend bei abdichtenden Flächen oder Anwendungen, bei denen Gipfel und Täler die Leistung beeinflussen.

Rt (Gesamtrauheit)

Rt ist der totale vertkale Abstand zwischen dem höchsten Gipfel und dem tiefsten Tal.

Bedeutung: Nützlich für die allgemeine Qualitätskontrolle, um dabei sicherzustellen, dass keine extremen Abweichungen vorliegen.

RMS (Effektivwert der quadratischen Rauheit)

RMS ist der quadratische Mittelwert der Höhenabweichungen von der Mittellinie.

Bedeutung: Legt ein höheres Gewicht auf die größeren Abweichungen, wodurch es sehr gut für feinmechanische und optische Anwendungen ist.

Vergleich der Anwendung der Indikatoren

Da Ra und Rz die am häufigsten eingesetzten Indikatoren darstellen, befasst sich der folgende Abschnitt des Artikel mit der Beschreibung dieser Messsysteme.

N – Rauheitsgradzahlen (DIN ISO 1302)

Wenn man über Ra spricht, ist es wichtig auch die DIN ISO 1302 und N (Rauheitsgradzahlen) zu erwähnen. Es handelt sich um ein standardisiertes System zur Klassifizierung der Oberflächenrauheit in Konstruktion und Fertigung. Diese Rauheitsgrade, die von N1 (feinste) bis N12 (raueste) reichen, entsprechen maximalen Ra Werten und werden in der Regel in technischen Zeichnungen eingesetzt, wenn die Anforderungen an die Oberflächengüte festgelegt werden sollen.

Verbindung zwischen Ra, Rz und N

• Ra – N: Wie bereits oben aufgeführt, stehen die N1 bis N12 – Werte in direkter Verbindung zu spezifischen Ra – Werten.
• Ra-Rz: nicht direkt konvertierbar da sie unterschiedliche Oberflächencharakteristiken messen. Dennoch:
  • Eine statistische Analyse erlaubt es uns eine mögliche Reichweite von Rz – Werten für jeden Ra – Wert zu bestimmen.
  • Für jeden Ra-Wert gibt es sozusagen eine Reihe möglicher Rz – Werte, und umgekehrt.
  • Mit zunehmender Oberflächenrauheit wird der Bereich der Rz-Werte dabei weniger genau.

Die folgende Tabelle veranschaulicht dies:

• Eine Oberfläche mit einem Ra von 3,2 µm  kann eine  Rz – Rauheit zwischen 11,5 und 34,7 µm aufweisen.
• Eine Oberfläche mit einem Ra von 50 µm kann eine  Rz – Rauheit zwischen 156,2 272,6 µm aufweisen.

Oberlächenrauheitsgrade

In der folgenden Tabelle werden die N1 bis N12 – Werte, ihre entsprechenden Ra – Werte, sowie die dazu gehörenden Rz – Bereiche aufgeführt. Für zusätzliche Bequemlichkeit können Sie auch unser Online – Tool für die Umrechnung der Oberflächenrauheit verwenden.

Erreichbare und Nicht-Erreichbare Rauheitsgrade in der CNC-Bearbeitung

Die folgende Tabelle zeigt einen Überblick darüber welche Fertigungsmethoden eingesetzt werden können um die geünschten Rauheitsgrade zu erreichen, wobei die am häufigsten durch CNC – Bearbeitung erreichbaren Oberflächenqualitäten in blau hervorgehoben werden.

Wie Wählen Sie die Am Besten Geeignete Oberflächenrauheit in der CNC-Bearbeitung aus

Die Auswahl der am besten geeigneten Oberflächenrauheit in der CNC-Bearbeitung ist entscheidend für die optimale Leistung, Kosteneffizienz und Eignung für den beabsichtigten Einsatz. Für die bestmögliche Wahl müssen verschiedene Faktoren sorgfältig abgewogen werden, die von der Funktionalität des Teils bis hin zu seinen Materialeigenschaften und der Komplexität des Entwurfs reichen. Im Folgenden sind die wichtigsten Abwägungen aufgeführt, die Sie bei Ihrer Entscheidungsfindung berücksichtigen sollten:

• Funktionalität und Zweck
  • Ziehen sie die spezifische Funktion des CNC-gefertigten Teils in Betracht, da die die Oberflächenrauheit einen direkten Einfluss auf die Leistung des Teils nimmt.
  • Für Bauteile wie Pneumatikzylinderstangen und optische Bauteile sind glatte Oberflächen entscheidend (z.B. mit 0,4 µm Ra).
  • Die empfohlenen Ra – Werte für verschiedene Anwendungen finden Sie in der Vergleichstabelle.
• Kosten und Vorlaufzeiten
  • Glattere Oberflächen erfordern eine längere Bearbeitungszeit und erhöhen die Produktionskosten.
  • Bei unkritischen Komponenten kann eine Oberflächenrauheit von 3,2 µm Ra sowohl Zeit als auch Geld sparen helfen.
• Ästhetik
  • Für den Verbraucher sichtbare Produkte profitieren von glatten und glänzenden Oberflächen, die eine höhere Qualität vermitteln.
  • Verborgene Teile, wie z.B. Bauteile eines Aufhängungssystes, erfordern ggf. keine ästhetischen Oberflächen, wodurch die Gesamtanforderungen des Produkts gesenkt werden.
• Materialeigenschaften
  • Die erreichbare Oberflächenrauheit hängt vom Material ab.
  • Bei Aluminium können Ra – Werte zwischen 0,1 µm und 1 µm erreicht werden, während bei Stahl engere Grenzwerte eingesetzt werden können.
• Teilgeometrie
  • Komplexe Entwürfe mit komplizierten Geometrien erfordern mehr Zeit und fortschrittliche Ausrüstung um niedrigere Ra – Werte zu erreichen.
  • Bei engeren Budgets und kürzeren Fristen sollten Sie gröbere Oberflächen in Betracht ziehen um die Kosten und Realisierbarkeit auszubalancieren.

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Das Verständnis der Oberflächenrauheit ist der Schlüssel um sicherzustellen, dass Teile auch wie gewünscht funktionieren. Ganz egal, ob sie an Präzisionszahnrädern für die Luft- und Raumfahrt arbeiten oder an haltbaren Motorabdeckungen für Fahrzeuge, die passende Rauheit schlägt sich direkt in der Qualität und Funktionalität nieder. Mit diesem Wissen können sie informierte Entscheidungen treffen, und Ihr nächstes Projekt optimieren.

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