Oberflächengüte: Ra, Rz und Rmr spezifizieren und messen

Fehler bei der Oberflächengüte in der CNC-Bearbeitung sind häufiger ein Spezifikations- oder Messproblem als ein Zerspanungsproblem. Ein Zerspaner, der am Profilometer Ra 0.8 um erreicht, kann die Prüfung dennoch nicht bestehen, wenn Cutoff-Länge, Messstrecke oder Messrichtung nicht stimmen. Dieser Leitfaden zeigt, wie Ra, Rz und Rmr korrekt spezifiziert, gemessen und verifiziert werden, damit Teile die Prüfung beim ersten Anlauf bestehen.

Kurzreferenz zur Fehlersuche bei der Oberflächengüte

Ra, Rz, Rmr: Was jeder Parameter tatsächlich misst

Ra mittelt alles, während Rz den schlimmsten Einzelfehler erfasst – zwei Oberflächen mit identischem Ra 0.8 um können je nachdem, welcher Parameter tatsächlich kontrolliert wurde, lecken oder dicht schließen.

Ra (arithmetischer Mittenrauwert) ist die mittlere absolute Abweichung von der Profilmittellinie über die Messstrecke. Es ist der am häufigsten spezifizierte Parameter, weil er einfach zu messen ist und von praktisch allen Instrumenten unterstützt wird. Allerdings mittelt Ra alles – eine Oberfläche mit tiefen isolierten Kratzern und eine Oberfläche mit gleichmäßig flachen Spitzen können identische Ra-Werte erzeugen und sich dennoch unter Last oder bei Dichtungen völlig unterschiedlich verhalten.

Rz (maximale Profilhöhe) ist in ISO 4287 als Rp + Rv definiert: maximale Spitzenhöhe plus maximale Taltiefe innerhalb einer einzelnen Einzelmessstrecke. Rz reagiert auf isolierte Defekte, die Ra verdeckt. Für Dichtflächen ist Rz wichtiger als Ra, denn ein einzelnes tiefes Tal kann einen Leckpfad bilden, auch wenn die durchschnittliche Rauheit im Toleranzbereich liegt. Hinweis: Ältere Zeichnungen nach DIN 4768 definieren Rz anders – als Mittelwert von fünf Spitze-Tal-Höhen über die Messstrecke –, was für dieselbe Oberfläche einen niedrigeren Wert ergibt als Rz nach ISO 4287.

Rmr (Materialanteil / Abbott-Firestone-Kurve) beschreibt, welcher Prozentsatz der Oberfläche oberhalb einer bestimmten Tiefe liegt. Bei einer Schnitttiefe von 10% von Rz gibt der Materialanteil an, wie viel der Oberfläche nach dem Einlaufen Last tragen wird. Eine Lagerfläche mit Rmr(c) = 80% bei 10% Tiefe verfügt über weit mehr tragende Fläche als eine mit Rmr(c) = 40%, selbst wenn beide denselben Ra aufweisen.

Oberflächengüte auf technischen Zeichnungen angeben (ISO 1302)

ISO 1302 ist die Norm zur Angabe der Oberflächenbeschaffenheit auf technischen Zeichnungen, und unvollständige Angaben sind vorgelagert die Ursache für die meisten Lieferanten-Kunden-Streitigkeiten bei der späteren Prüfung. ISO 1302 definiert das Standardsymbol zur Kennzeichnung der Oberflächenbeschaffenheit. Falsche oder unvollständige Angaben führen zu Streitigkeiten zwischen Zerspanung und Prüfung.

Das Grundsymbol ist ein Haken mit Erweiterungen für jeden Parameter. Die vollständige Angabe umfasst:

1. Obere Grenze – die maximal zulässige Rauheit (z.B. Ra 1.6 um)
2. Untere Grenze – die minimale Rauheit, falls angegeben (z.B. Ra 0.4 um Minimum für Lagereinlauf)
3. Fertigungsverfahren – oberhalb des Symbols angegeben, wenn ein bestimmtes Verfahren erforderlich ist (z.B. "geschliffen", "gedreht", "geläppt")
4. Rillenrichtung – das Symbol für die vorherrschende Musterrichtung: = parallel zur Projektionsebene, senkrecht, X gekreuzt, M mehrdirektional, C kreisförmig, R radial
5. Bearbeitungszugabe – abzutragendes Material in Millimetern
6. Messstrecke und Cutoff – anzugeben, wenn die Vorgabe nach ISO 4288 nicht angemessen ist

Häufige Spezifikationsfehler:

• Ra ohne Angabe der Messstrecke – die Vorgabe nach ISO 4288 kann nicht der Annahme des Prüfers entsprechen
• Weglassen der Rillenrichtung bei Dichtflächen, bei denen der Leckpfad vom Kratzmuster relativ zur Dichtung abhängt
• Angabe nur einer oberen Grenze, wenn funktionell sowohl obere als auch untere Grenze nötig sind (überpolierte Lagerflächen überspringen die Einlaufphase)
• Verwendung von N-Klassen-Angaben (N6, N7) ohne den zugehörigen Ra-Wert – mehrdeutig zwischen älteren und aktuellen Normausgaben

Eine reine Ra-Angabe ohne untere Grenze ist der häufigste Zeichnungsfehler bei Gleit- und Lagerflächen – sie lässt spiegelpolierte Oberflächen zu, die kein Öl halten und unter Erstbelastung versagen, weil die für den Einlauf nötigen Mikrospitzen entfernt wurden.

Profilometer-Einrichtung: Cutoff, Messstrecke und Filter

Eine falsche Cutoff-Länge nach ISO 4288 verschiebt Ra-Messwerte um 20-50%, auch wenn die Oberfläche selbst unverändert ist, und ist damit die größte Einzelursache von Messstreitigkeiten zwischen Lieferant und Kunde. Eine falsche Profilometer-Einrichtung ist die häufigste Ursache für Messstreitigkeiten zwischen Lieferanten und Kunden. ISO 4288 definiert die Cutoff-Länge anhand des erwarteten Ra-Bereichs; ein Fehler an dieser Stelle verschiebt den Messwert um 20-50%.

Cutoff-Länge nach ISO 4288:

Die Messstrecke beträgt das 5x der Cutoff-Länge. Das liefert fünf Einzelmessstrecken für statistische Zuverlässigkeit. Das Messen mit weniger als fünf Cutoffs verringert die Aussagekraft und ist nicht konform mit ISO 4287.

Filterauswahl (ISO 16610): ISO 16610 ist die aktuelle Normenreihe für die Oberflächenprofilfilterung und ist der älteren 2RC-Filterung vorzuziehen, weil Gauß-Filter auf derselben Oberfläche Messwerte liefern, die 5-15% niedriger liegen als 2RC-Werte, wodurch eine versteckte Verzerrung entfällt. Der Gauß-Filter ist die aktuelle ISO-Norm und sollte verwendet werden, sofern die Zeichnung nichts anderes vorschreibt. Ältere Instrumente nutzen möglicherweise standardmäßig den 2RC-Filter, der auf derselben Oberfläche Messwerte liefert, die 5-15% höher als Gauß-Werte liegen. Verwenden Lieferant und Kunde unterschiedliche Filtertypen, weichen die Messwerte selbst bei identischen Einstellungen voneinander ab. Bestätigen Sie, welcher Filter aktiv ist, und dokumentieren Sie dies im Prüfbericht – diese eine Einstellung erklärt einen großen Teil der systematischen Abweichungen zwischen Laboren bei konformen Oberflächen. Die Profilometer-Hardware selbst (Taststiftradius, Messgeschwindigkeit, vertikale Auflösung) wird in ISO 3274 geregelt, der Spezifikation für Tastschnitt-Messgeräte, auf der die Messungen nach ISO 4287 beruhen.

Häufige Messfehler, die fälschlich zum Durchfallen der Prüfung führen

Das Messen senkrecht zur Rillenrichtung ist nach ISO 4288 vorgeschrieben, weil Messungen parallel zur Rillung Ra um 2-5× zu niedrig angeben – so entstehen Teile, die beim Lieferanten bestehen und beim Kunden durchfallen. Neben der Cutoff-Auswahl gibt es mehrere praktische Fehler, die dazu führen, dass Teile die Prüfung nicht bestehen, obwohl die tatsächliche Oberflächenanforderung erfüllt ist.

1. Messen entlang der Rillenrichtung. Ra senkrecht zu den Bearbeitungsspuren gemessen ergibt 2-5x höhere Werte als Ra parallel zur Rillung. ISO 4288 schreibt die senkrechte Messung zur Rillung als Standard vor, viele Anwender messen jedoch entlang der bequemeren Richtung, ohne dies zu prüfen.

2. Verschlissene oder verschmutzte Taststiftspitze. Ein Standard-Diamantstift hat einen Spitzenradius von 2 um oder 5 um. Eine beschädigte oder verschmutzte Spitze kann feine Oberflächenmerkmale nicht erfassen und liefert künstlich niedrige Messwerte. Der Zustand der Spitze ist monatlich an einem Referenznormal zu prüfen.

3. Wärmeausdehnung während der Messung. Wird ein Teil aus einer kalten Halle in einen warmen Messraum gebracht, verändert die Wärmeausdehnung das Oberflächenprofil während des Messvorgangs. Vor einer Messung mit +/-0.001mm Genauigkeit ist eine thermische Stabilisierung von 30-60 Minuten einzuhalten.

4. Zu kurze Messstrecke. Eine Messung über weniger als fünf Cutoff-Längen verstößt gegen ISO 4287 und verringert die Messzuverlässigkeit. An kleinen Merkmalen, an denen die volle Messstrecke nicht aufgeht, ist der Cutoff auf die nächstniedrigere Stufe zu reduzieren und die Abweichung zu dokumentieren.

5. Oberflächenverschmutzung. Kühlmittelrückstände, Späne und Fingerabdrücke erzeugen falsche Spitzen im Rauheitsprofil. Die Oberfläche vor jeder Messung mit Isopropylalkohol und fusselfreien Tüchern reinigen.

Bei Abweichungen zwischen Lieferanten- und Kundenmessung von mehr als 15% erklären in den meisten Fällen nicht übereinstimmende Cutoff-Länge oder Filterart die Diskrepanz – Fehler in der Rillenrichtung und der Taststiftzustand machen den Rest aus. Diese vier Einstellungen sind zu prüfen, bevor der Zerspanungsprozess für nicht konform erklärt wird.

Oberflächengüte nach Fertigungsverfahren

Jedes Verfahren hat einen charakteristischen Ra-Bereich – das Fertigdrehen landet typischerweise bei Ra 1.6 um, während Honen Ra 0.2 um erreicht –, daher erzwingt die Forderung nach Ra 0.4 um in einem Fräsprozess einen nachgelagerten Schleif- oder Honschritt. Unterschiedliche Verfahren erzeugen charakteristische Rauheitsbereiche. Die folgende Tabelle hilft zu prüfen, ob gemessene Werte für das eingesetzte Verfahren realistisch sind, und das passende Verfahren für die Zielvorgabe auszuwählen. Hinweise zur Optimierung der Schnittparameter für konkrete Ra-Ziele siehe Leitfaden zur CNC-Bearbeitungsoptimierung.

Honen und Läppen sind die einzigen gängigen Verfahren, die in der Serienfertigung Ra unter 0.1 um zuverlässig erreichen – Schleifen bleibt typischerweise ohne zusätzliches Superfinishing bei Ra 0.1-0.2 um stehen, und Fräsen kann selbst mit scharfen Werkzeugen und hohen Vorschüben Ra unter 0.4 um nicht zuverlässig erreichen.

Für eine planfrässeitige Orientierung, wie sich ein typisches Ra 0.4-0.8 um mit Wiper-Wendeschneidplatten erreichen lässt, siehe den Vergleich von Planfräser und Messerkopf.

Wenn Ra nicht ausreicht: Funktionelle Oberflächenspezifikation

Dichtflächen benötigen Rz, Lagerflächen benötigen Rmr, und optische Flächen benötigen Welligkeitskontrolle – Ra allein erfüllt keine dieser Funktionen zuverlässig. Bei kritischen Anwendungen überlässt eine reine Ra-Angabe zu viel dem Zufall. Eine funktionelle Oberflächenspezifikation ordnet den Parameter der jeweiligen Funktion der Fläche zu.

Dichtflächen erfordern eine Rz-Kontrolle. Ein Hydraulikventilsitz mit Ra 0.4 um kann dennoch lecken, wenn Rz durch isolierte tiefe Kratzer 4.0 um erreicht. Das Ergänzen von Rz max 2.5 um stellt sicher, dass kein einzelnes Tal einen Leckpfad bildet. Das Verhältnis Rz/Ra liegt bei gut beherrschten Prozessen typischerweise bei 4-7x; Verhältnisse über 8x weisen auf Prozessinstabilität hin.

Lagerflächen erfordern eine Rmr-Angabe. Die Abbott-Firestone-Kurve definiert die Plateau-, Kern- und Talzonen des Profils. Die Angabe Rmr(c) = 70-90% bei einer Schnitttiefe von 10% stellt nach dem Einlaufen eine ausreichende tragende Fläche sicher. Das Plateau-Honen von Zylinderlaufbahnen ist die klassische Anwendung – die Täler des Kreuzschliffs halten Öl, während die plateauförmig abgeflachten Spitzen die Last des Kolbenrings tragen.

Optische und dekorative Oberflächen erfordern zusätzlich zur Rauheit eine Welligkeitskontrolle (W). Die Welligkeit erfasst die längerwelligen Undulationen, die Rauheitsfilter entfernen. Eine Fläche kann Ra 0.05 um einhalten und dennoch sichtbare Welligkeit zeigen, die in spiegelnden Anwendungen Verzerrungen erzeugt.

Quellen

• ISO 4287: Geometrical Product Specifications -- Surface Texture: Profile Method
• ISO 4288: Rules and Procedures for the Assessment of Surface Texture
• ISO 1302: Indication of Surface Texture in Technical Product Documentation
• Mitutoyo: Surface Roughness Measurement Guide
• Machinery's Handbook, 32nd Edition