Die Oberflächenrauheit bei der CNC-Bearbeitung im Blick

Ob Präzisionszahnräder für die Luft- und Raumfahrt oder haltbare Motorabdeckungen für Fahrzeuge: Die jeweilige Rauheit der Oberfläche schlägt sich direkt in Qualität und Funktionalität von Bauteilen nieder. Das gute Verständnis der Oberflächenrauheit ist entscheidend, damit die Teile später wie gewünscht funktionieren. Ein effizienter Weg zur Beschaffung von möglichst idealen Bauteilen ist die Online-Bestellung über eine Fertigungsplattform wie Xometry. Einkäufer und Entwickler erhalten damit Zugriff auf riesige Fertigungskapazitäten bei über 2000 geprüften CNC-Fertigern alleine in Europa. KI-Technologie in Kombination mit persönlicher Kundenbetreuung ermöglicht die sofortige Preisberechnung und Betreuung bis zur lückenlosen Auftrags- und Sendungsverfolgung.
Bestimmt wird die Oberflächenrauheit in der CNC-Bearbeitung anhand von Unvollkommenheiten oder der Textur einer Oberfläche bei maschinell bearbeiteten Teilen. Es handelt sich um winzige Beulen und Rillen, die nur unter einem Mikroskop sichtbar werden. Ursache dieser unregelmässigen Oberfläche ist das CNC-Verfahren, bei dem Material mit Schneidwerkzeugen aus dem Werkstück entfernt wird. Selbst Nachbehandlungen wie Perlenstrahlen, Politur oder andere Oberflächenveredelungen lassen die Unebenheiten nicht vollständig verschwinden (Bild 1).
Die Oberflächenrauheit ist entscheidend für die spätere Leistung CNC-gefertigter Teile. Sie beeinflusst unmittelbar Parameter wie Reibungskoeffizienten, Lärmpegel, Verschleiss und Abnutzung, Hitzeentwicklung oder Haftfähigkeit. Ob Bauteile perfekt oder eben gar nicht ineinanderpassen, liegt sehr häufig an deren Rauigkeit und den entsprechenden Toleranzen. Bei der Auswahl der am besten geeigneten Oberflächenrauigkeit für ihre Anwendungen sollten Ingenieure und Hersteller daher besonders auf die entsprechenden Parameter achten.
Dabei kann eine gewisse Oberflächenrauheit durchaus unproblematisch sein. Schliesslich müssen Teile nicht immer möglichst glatt gestaltet werden. Bei manchen CNC-gefertigten Teilen sind spezifische Rauigkeitsstufen sogar gefordert. Hier nutzt man die höhere Rauheit, um Haftung oder Leistung unter spezifischen Bedingungen zu minimieren.
Tabelle 1 listet die üblichen Rauheitsstufen in der CNC-Bearbeitung auf, nennt die dafür am häufigsten empfohlenen Anwendungen sowie den Einfluss auf Maschinenlaufzeit und Kosten.

Nachbearbeitung und Messverfahren
Nachbearbeitungsverfahren wie Perlenstrahlen, Elektropolitur, Anodisierung, Beschichtung und Pulverbeschichtungen können die Oberflächenrauheit und die allgemeinen Masse des Bauteils beeinflussen. Die Verfahren wirken sich zudem auf das Oberflächenfinish aus. Für ein mattes oder körniges Finish wird das Perlenstrahlen bevorzugt, während man ein glänzend glattes Finish durch Dampfglätten und Elektropolitur erreicht. Die Auswahl des richtigen Verfahrens stellt sicher, dass die Bauteile den Industrie- und Leistungsanforderungen entsprechen.
Jedes CNC-gefertigte Teil verlässt die Fertigung mit einem spezifischen Ra-Wert und weiteren spezifischen Faktoren. Man misst sie mit fortschrittlichen Methoden, die keinen Spielraum für Fehler lassen. Zu den häufigsten Messverfahren gehören:

Kontaktprofilometer
Ein Diamantstift fährt auf der Oberfläche des Werkstücks entlang und zeichnet Abweichungen an der Aussenhülle auf.

Berührungslose Profilometer
Hier kommen unterschiedliche Technologien zum Einsatz, um die Oberflächenrauheit ohne physischen Kontakt mit dem Bauteil zu messen.
Gängig sind Holographie, Lasertriangulation, konfokale Mikroskopie und optische Profilometrie.

Rasterkraftmikroskopie (AFM)
Dabei handelt es sich um ein hochentwickeltes Verfahren, ideal zur Messung der Oberflächenrauheit glatter Oberflächen. Sonden erfassen exakt die Oberfläche von maschinell bearbeiteten Teilen; Genauigkeit auf Nanometerebene.

3D-Scannen
Das Verfahren erstellt Oberflächentopographiekarten und gilt als besonders fortschrittlich zur Messung der Oberflächenrauheit (Bild 2).

Indikatoren für die Oberflächenrauheit in der CNC-Bearbeitung
Mithilfe von Rauheitsindikatoren lässt sich erkennen, ob Teile für spezifische Anwendungen anhand ihrer Funktionalität und ästhetischen An forderungen geeignet sind. Es folgt eine Übersicht der wichtigsten Indikatoren für Oberflächenrauigkeit:

Ra (Roughness, average – mittlere Rauheit)
Ra berechnet sich als arithmetisches Mittel aus der absoluten Ablenkung beziehungsweise 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 (Bild 3).

• 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 Parameter, der einen allgemeinen Hinweis auf die Oberflächenstruktur liefert, ohne dabei übermässig durch extreme einzelne Gipfel oder Täler beeinflusst zu werden. Anwendungen: dieser Indikator eignet sich 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 (Bild 4).

• Vom höchsten Gipfel zum tiefsten Tal
• Vom zweithöchsten Gipfel zum zweittiefsten Tal
• Und so weiter bis zum fünftgrössten Abstand

Bedeutung: Der Parameter bietet eine detaillierte Abbildung der Oberflächentextur durch den Fokus auf extreme Variationen im Profil.
Anwendungen: Rz ist entscheidend bei abdichtenden Flächen oder Anwendungen, bei denen Gipfel und Täler die Leistung beeinflussen.

Rt (Gesamtrauheit)
Rt ist der totale vertikale Abstand zwischen dem höchsten Gipfel und dem tiefsten Tal.
Bedeutung: Dieser Parameter ist 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: Dieser Parameter legt ein höheres Gewicht auf die grösseren Abweichungen, wodurch er sich sehr gut für feinmechanische und optische Anwendungen eignet.
Ra und Rz sind die am häufigsten eingesetzten Indikatoren. Der folgende Abschnitt geht auf diese Messsysteme ein.
Im Zusammenhang mit Ra sind auch die DIN ISO 1302 und N (Rauheitsgradzahlen) wichtig. Dabei handelt es sich um ein standardisiertes System zur Klassifizierung der Oberflächenrauheit in Konstruktion und Fertigung. Die Rauheitsgrade, die von N1 (am Feinsten) bis N12 (am Rauesten) reichen, entsprechen maximalen Ra-Werten und werden in der Regel in technischen Zeichnungen verwendet, um die Anforderungen an eine Oberflächengüte festzulegen.

Verbindung zwischen Ra, Rz und N

• Ra-N: Wie bereits aufgeführt, stehen die N-Werte in direkter Verbindung zu spezifischen Ra-Werten.
• Ra-Rz: nicht direkt konvertierbar, da sie unterschiedliche Oberflächencharakteristiken messen. Dennoch gilt:
• Eine statistische Analyse erlaubt es, 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 ge-nau.
• 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 und 272,6 µm aufweisen.

In Tabelle 2 werden die N-Werte, ihre entsprechenden Ra-Werte, sowie die dazu gehörenden Rz-Bereiche aufgeführt. Möglich ist auch die Verwendung eines Online-Tools für die Umrechnung der Oberflächenrauheit (https://xometry.pro/de/tools/ra-rz-oberflaechenrauigkeit-umrechnung/).
Tabelle 3 gibt einen Überblick, welche Fertigungsmethoden eingesetzt werden können, um die gewünschten Rauheitsgrade zu erreichen.
Die am häufigsten durch CNC – Bearbeitung erreichbaren Oberflächenqualitäten sind blau hervorgehoben.

So erhält man die am besten geeignete Oberflächenrauheit
Für die bestmögliche Wahl müssen verschiedene Faktoren sorgfältig abgewogen werden. Das reicht von der Funktionalität des Teils bis hin zu seinen Materialeigenschaften und der Komplexität des Entwurfs. Folgende Abwägungen sollten vor einer Entscheidung unbedingt getroffen werden:

Funktionalität und Zweck

• Die spezifische Funktion des CNC-gefertigten Teils ist wichtig, da dessen Oberflächenrauheit einen direkten Einfluss auf die Leistung nimmt.
• Für Bauteile wie Pneumatikzylinderstangen und optische Bauteile sind glatte Oberflächen entscheidend (beispielsweise mit 0,4 µm Ra).
• Die empfohlenen Ra-Werte für verschiedene Anwendungen zählt die Vergleichstabelle auf.

Kosten und Vorlaufzeiten

• Glattere Oberflächen erfordern eine längere Bearbeitungszeit und erhöhen die Produktionskosten.
• Bei unkritischen Komponenten kann eine Oberflächenrauheit von 3,2 µm Ra Zeit und Geld sparen.

Ästhetik

• Für den Verbraucher sichtbare Produkte profitieren von glatten und glänzenden Oberflächen. Diese vermitteln eine höhere Qualität.
• Verborgene Teile, etwa die Bauteile eines Aufhängungssystems, erfordern womöglich keine ästhetischen Oberflächen. Dies senkt die Gesamtanforderungen an das Produkt.

Materialeigenschaften

• Die erreichbare Oberflächenrauheit hängt vom Material ab.
• Bei Aluminium sind Ra-Werte zwischen 0,1 und 1 µm möglich, 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 gröbere Oberflächen in Betracht gezogen werden.

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