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Donnerstag, 18 November 2021 10:59

Korrelation von 2D- und 3D-Oberflächenrauheitsmessungen – Teil 1 – Grundlagen und Versuchsreihen

von Prof. Dr.-Ing. Manfred Schlatter
Geschätzte Lesezeit: 6 - 12 Minuten
Abb. 1: Planfläche des gedrehten Werkstücks Abb. 1: Planfläche des gedrehten Werkstücks

Bei Rauheitsmessungen hat sich jahrzehntelang nahezu nichts geändert, lediglich die Auswertecomputer sind leistungsfähiger geworden. Inzwischen gibt es eine ganze Reihe optischer Methoden wie auch die Notwendigkeit, Oberflächen umfassender beschreiben zu können. Im Gegensatz zur Forschung sind diese Normen in der industriellen Praxis weitgehend unbekannt und werden auch nicht angewendet. In mehreren Messreihen zeigte sich, dass taktile und optisch gewonnene Werte für Ra sehr gut übereinstimmen, während die übrigen Maße in der Tendenz ähnlich sind.

Grundlagen

Bei den optischen Verfahren sind außerdem Auswertungen möglich, die für die Charakteristik und das Verhalten einer Oberfläche im Einsatz sehr wichtig sein können. Dazu gehören die Autokorrelationslänge, das Texturseitenverhältnis oder Isotropiekoeffizient, die Texturrichtung sowie das Übergangsflächenverhältnis. Es mag sein, dass zur Kontrolle einer laufenden Großserienproduktion einfache Werte einer Abtastung ausreichen. Es ist jedoch von größter Bedeutung, dass für die Entwicklung von zuverlässig funktionierenden Bauteilen die Möglichkeiten moderner Messverfahren genutzt werden, um Fehlentwicklungen und Produktausfälle zu vermeiden. Eine größere Verbreitung moderner optischer Methoden bietet für heutige Fertigungseinrichtungen eine größere Sicherheit und verbessert auch die Verständigung bei Konstruktion, Kommunikation mit Lieferanten oder im Falle von Gutachten.

Rauheitsmessungen an Werkstückoberflächen werden bereits seit den 1940er Jahren durchgeführt. Mit einfachen Geräten und analogen Filterschaltungen waren zunächst Werte wie Ra zu ermitteln. Mit Beginn der digitalen Messwertverarbeitung wurde schnell klar, dass sich Mess- werte errechnen lassen, die Oberflächen weit besser beschreiben. So ist es z. B. möglich, sich von einem Rz-Wert aus die Charakteristik einer Fläche vorzustellen, was bei Werten wie Ra oder Rq nicht möglich ist. Darüber hinaus haben sich eine große Zahl von weiteren Messwerten etabliert, die zusätzliche Charakteristika der Flächen preisgeben, wie z. B. der Vergleich der Spitzenhöhe mit der Riefentiefe, also Rp mit Rv. Bei der Messwerterfassung hat sich jedoch jahrzehntelang nahezu nichts geändert, denn in der Regel werden die Messungen nach wie vor mit einem taktilen Tastschnittgerät und einer Diamantspitze durchgeführt. Lediglich die Auswertecomputer sind immer leistungsfähiger geworden.

Inzwischen gibt es eine ganze Reihe optischer Methoden, Oberflächen messtechnisch oder abbildend zu erfassen wie auch die Notwendigkeit aufgrund wachsender Anforderungen an die Werkstücke, Oberflächen umfassender beschreiben zu können. Da die optischen Methoden diese Anforderungen an umfassende Messungen erfüllen können, werden seit den 1980er Jahren Flächenparameter entwickelt und nach und nach genormt. So umfasst die DIN EN ISO 25718 aktuell 18 verabschiedete Teile und Entwürfe, etwa beginnend mit Teil 6 aus dem Jahr 2010 bis zum Entwurf einer Neufassung von Teil 2 vom Februar 2020. Im Gegensatz zur Forschung sind diese Normen in der industriellen Praxis weitgehend unbekannt und werden auch nicht angewendet. Dies hängt zum einen mit der Ansicht zusammen, dass die bisherigen Werte durchaus noch ausreichen und zum anderen mit den Geräten für die Messung der Flächenparameter, die teurer und kompliziert sind. Dabei gibt es sehr oft Probleme in Fertigung und Beurteilung hochwertiger Teile, die bei Kenntnis und konsequenter Anwendung der neuen Möglichkeiten gar nicht auftreten würden.

Ein weiterer Faktor, der die Verbreitung flächenhafter Rauheitsmessungen behindert, ist die Komplexität einiger Parameter und ihre Deutung. So hat alleine der Entwurf der DIN EN ISO 25718, Teil 2, 128 Seiten (zweisprachig) und verschiedene Parameter wie z. B. Sq, Ssk oder Sku werden mit zweifachen Integralen bzw. Sdr oder die Berechnung der Faktoren α und β der Gradientendichtefunktion mit partiellen Ableitungen erklärt [1], was für praktische Anwender in der Industrie ohne die entsprechenden mathematischen Kenntnisse nicht nachvollziehbar ist. Da auch die Anzahl der möglichen Parameter immer größer wird und damit auch die Schwierigkeit der Interpretation ebenso wie die Fehlermöglichkeiten, wurde bereits ein „Assistenzsystem für flächenhafte optische Rauheits- messtechnik“ entwickelt, um die Anwendung mehr zu vereinheitlichen und um einige der möglichen Fehler auszuschließen [2].

Streubreite der 2D-Profilschnitte

Um optische Messmethoden sicher qualifizieren zu können, ist es zunächst erforderlich nachzuweisen, dass mit beiden Methoden dieselben Rauheiten gemessen werden. Dies wurde bereits anhand von Messungen mit Rauheitsnormalen nachgewiesen. In dieser Arbeit [3] wird gezeigt, dass die Abweichungen zwischen taktilen und optischen Messungen kleiner sind als die zwischen einzelnen Messungen und den im Kalibrierschein eingetragenen Werten.

Versuchsreihe 1 mit spanend bearbeiteten Werkstücken

Abb. 2: Planfläche des gefrästen WerkstücksAbb. 2: Planfläche des gefrästen Werkstücks

Bei zwei Werkstücken aus der Kupfer-Zink-Legierung CW713R (früher 2.0550) wurden die Planflächen runder Teile mit einem Durchmesser von 25 und einer Länge von ebenfalls 25 mm einmal plangedreht (Abb. 1: CNC-Drehmaschine DMG CTX310 mit Hartmetall-Wendeschneidplatte) und einmal mit einem Schaftfräser überfräst (Abb. 2: DMU 50 eco, in Backenfutter eingespannt), um jeweils eine praxisnahe Oberfläche zu erhalten [4]. Bei beiden Teilen wurde zunächst mit Filzstift ein Bereich außerhalb des Zentrums markiert, in dem die Messungen stattfinden sollten. Die Abbildungen 3 und 4 zeigen die Flächen direkt von oben mit dem Weißlichtinterferometer aufgenommen (MicroProf 200 der Fa. FRT, Bergisch-Gladbach). Auch hier wird deutlich, dass es sich um eine durchschnittliche Oberflächenqualität des Maschinenbaus handelt (Rauheitswerte später im Text).

Die guten Ergebnisse aus der oben zitierten Literatur konnten nicht nachgestellt werden, schon deshalb nicht, weil die Schwankungen zwischen einzelnen Messungen innerhalb des markierten Quadrats bereits sehr groß sind. Dies hat u. a. damit zu tun, dass einerseits die Flächen relativ rau und etwas unregelmäßig sind und andererseits damit, dass zwar die Richtung der Messungen beibehalten wurde (immer parallel zu den Seiten des markierten Quadrats), aber dadurch erfolgte die Richtung der einzelnen Messungen nicht gleichmäßig senkrecht zu den Riefen.

Zunächst wurden auf der markierten Fläche 10 nebeneinanderliegende Messungen im Abstand von ca. 0,5 mm mit einem Tastschnittgerät T8000CR von Jenoptik mit der normgerechten Einstellung aufgenommen und zwar in senkrechter Richtung in den Abbildungen 3 und 4 gesehen (wie die farbigen Linien in Abb. 4). Das Rauheitsprofil der ersten Linie wie ganz links in Abbildung 4 zeigt Abbildung 5 und die Auswertebedingungen beispielhaft Abbildung 6 für diese Messung. Die Ergebnisse der bekanntesten Rauheitswerte Ra, Rz, Rq, Rp und Rv zeigen bei der gedrehten Fläche eine große Streubreite von durchweg etwa ± 10 % um den Mittelwert (Abb. 7 und 8). Die Messungen sind vertrauenswürdig, denn das Messgerät ergibt beim Messen eines Kalibriernormals nur eine Abweichung im Bereich von deutlich kleiner als 1 % und sowohl bei den einzelnen Messungen als auch beim Mittelwert ergibt die Summe von Rp und Rv den Wert von Rz, was zwar so nicht definiert ist, aber normalerweise zutrifft.

Abb. 3: Ausschnitt aus der gedrehten Planfläche (Weißlichtinterferometer Aufnahme)Abb. 3: Ausschnitt aus der gedrehten Planfläche (Weißlichtinterferometer Aufnahme)

Abb. 4: Ausschnitt aus der gefrästen Planfläche (Weißlichtinterferometer Aufnahme)Abb. 4: Ausschnitt aus der gefrästen Planfläche (Weißlichtinterferometer Aufnahme)

Dieselben Messungen wurden mit dem bereits erwähnten Weißlichtinterferometer durchgeführt, wobei angesichts der Streuungen nicht darauf geachtet wurde, dass ganz genau dieselbe Messspur gemessen wurde, sondern auch bei dieser Messung wurden etwa entsprechend den Linien in Abbildung 4 nebeneinander liegende Messspuren gezogen.

Abb. 5: Beispielmessung entlang Linie 1 mit dem Tastschnittgerät auf der gedrehten FlächeAbb. 5: Beispielmessung entlang Linie 1 mit dem Tastschnittgerät auf der gedrehten Fläche

Abb. 6: Auswertebedingungen für die Messungen mit dem TastschnittgerätAbb. 6: Auswertebedingungen für die Messungen mit dem Tastschnittgerät

Auf dieselbe Weise wurde das Frästeil gemessen, wobei sich eine Streubreite in vergleichbarer Dimension ergibt (Abb. 9 und 10). Insgesamt ist die gefräste Fläche etwas rauer als die gedrehte Fläche. Sowohl bei der gedrehten als auch bei der gefrästen Fläche ist der Trend zwischen den Mittelwerten Ra und Rq im Vergleich zu Rz nachvollziehbar. Es zeigt sich außerdem, dass die Streuung von Rz vor allem auf Rv und nicht auf Rp zurückzuführen ist, d. h. die Erhebungen sind einigermaßen einheitlich und die Vertiefungen bestimmen den Verlauf von Rz über den einzelnen Messspuren. Bei diesen Unterschieden zwischen etwa 6 und 7,6 µm für Rz der einzelnen Messungen ist auch beim Vergleich der taktilen mit der optischen Messung mit einer Streuung in dieser Größenordnung zu rechnen.

Abb. 7 (links) und 8 (rechts): Taktil gemessene Rauheitswerte Ra, Rq, Rz, Rp und Rv der gedrehten Fläche; Mittelwerte gestricheltAbb. 7 (links) und 8 (rechts): Taktil gemessene Rauheitswerte Ra, Rq, Rz, Rp und Rv der gedrehten Fläche; Mittelwerte gestrichelt

gt 2021 11 0046

Abb. 9 (links) und 10 (rechts): Taktil gemessene Rauheitswerte Ra, Rq, Rz, Rp und Rv der gefrästen Fläche; Mittelwerte gestricheltAbb. 9 (links) und 10 (rechts): Taktil gemessene Rauheitswerte Ra, Rq, Rz, Rp und Rv der gefrästen Fläche; Mittelwerte gestrichelt

gt 2021 11 0032

In den Abbildungen 11 und 12 sind die Werte von Ra und Rz im Vergleich der Messungen mit dem taktilen und dem optischen Messgerät für das Drehteil wiedergegeben und in den Abbildungen 13 und 14 für das Frästeil. Dabei wurde darauf geachtet, dass die Länge der gemessenen Strecke etwa der der taktilen Messtrecke entspricht und bei der Auswertung wurde die gesamte Auswertelänge von ca. 4 mm wie bei der taktilen Messung in 5 Einzelmessstrecken unterteilt, so dass von vergleichbaren Bedingungen auszugehen ist. Der Kurzwellenfilter war mit λs = 2,5 µm ebenfalls eingeschaltet.

Abb. 11 (links) und 12 (rechts): Rauheitsmesswerte Ra und Rz der gedrehten Fläche taktil und optisch gemessenAbb. 11 (links) und 12 (rechts): Rauheitsmesswerte Ra und Rz der gedrehten Fläche taktil und optisch gemessen

gt 2021 11 0034

Abb. 13 (links) und 14 (rechts): Rauheitsmesswerte Ra und Rz der gefrästen Fläche taktil und optisch gemessenAbb. 13 (links) und 14 (rechts): Rauheitsmesswerte Ra und Rz der gefrästen Fläche taktil und optisch gemessen

gt 2021 11 0036

Es ist zu erkennen, dass zumindest beim Drehteil der Wert für Ra sehr gut übereinstimmt, während die übrigen Kurven in der Tendenz auf einen prinzipiellen Verlauf hinweisen. Die optisch gemessenen Werte sind bis auf einzelne Punkte immer etwas höher als die taktil gemessenen. Dies dürfte in der genauen, berührungslosen Messwerterfassung des optischen Sensors liegen, der mit einem sehr kleinen Fokuspunkt auch Details erfassen kann, die der taktile Taster „verrundet“ oder mittelt. Bei der taktilen Messung wird zwar vermerkt (Abb. 6), dass der registrierte Punktabstand nur etwa 0,1 µm beträgt, was jedoch bei einem Tastspitzenradius von 2 µm nicht unbedingt aussagekräftig ist bzw. kann damit keine größere Genauigkeit begründet werden. Bei einigen optischen Geräten ist es möglich, eine Tastspitze durch Eingabe eines Tastspitzenradius rechnerisch zu simulieren, wodurch sich die Messwerte noch weiter angleichen.

Einführung der Flächenparameter

Um die durch zweidimensionale Messungen gewonnenen Ergebnisse mit den Flächenparametern zu vergleichen, müssen diese wenigstens flüchtig beschrieben werden, um zu vermeiden, dass dies in den Normen nachgelesen werden muss. Wie bereits in den Grundlagen angedeutet, wäre es zu umfangreich, alle Messwerte erklären und diskutieren zu wollen, sodass nur die für diese Arbeit relevanten Werte aufgeführt sind.

Die Flächenwerte, die im Allgemeinen ein S (für surface) anstatt ein R (für roughness) haben, sind z. B. im Fall von Sa und Sq einfach so zu verstehen, dass zumindest in der Formel die Rauheit in der einen Richtung mit einer Rauheit rechtwinklig dazu multipliziert wird (Formel von Sq als Beispiel in Abb. 15). Dies ist ähnlich wie wenn eine Länge mit einer Breite multipliziert wird. Während jedoch das Produkt zweier rechtwinklig zueinander stehenden Längen leicht als Fläche verstanden wird, ist dies bei Rauheiten nicht der Fall und hier ist das Produkt nicht visuell vorstellbar. Wie in den Formeln erkennbar, kommt beim Flächenparameter zu dem Term unter der Wurzel wie bei Rq (i = 1 bis n) noch ein weiterer Term multiplikativ mit den Zählern j = 1 bis m hinzu. Eine vergleichbare Übertragung in die Fläche gilt bei der Schiefe Ssk für Rsk bzw. bei der Kurtosis Sku statt Rku bei der Rauheit.

Abb. 15: Gleichungen zur Berechnung des zweidimensionalen Rauheitswerts Rq (links) und des Flächenwerts S0 (mitte und rechts)Abb. 15: Gleichungen zur Berechnung des zweidimensionalen Rauheitswerts Rq (links) und des Flächenwerts S0 (mitte und rechts)

gt 2021 11 0038

 

oder

gt 2021 11 0039

Neben diesen beiden Mittelwerten würde jeder noch für Rz den äquivalenten Wert Sz erwarten, der aber nicht wie oben, sondern verschieden definiert wird. Während für Rz die maximalen Rauheiten der fünf Einzelmessstrecken gemittelt werden, ist Sz der Abstand zwischen der höchsten Erhebung und der tiefsten Vertiefung innerhalb der betrachteten Fläche. Damit wäre Sz am ehesten mit dem veralteten Wert Rt vergleichbar, denn für Sz wird die Fläche nicht wie im Vergleich zu Rz in 5 Teilflächen unterteilt und dann die Einzelwerte gemittelt, sondern es wird die gesamte Fläche ohne Unterteilung betrachtet. Daneben geben die meisten Messgeräte noch die Werte für Sp und Sv aus, die analog zu Rp oder Rv gesehen werden können. Doch auch hier unterscheidet sich die Definition. Die zweidimensionalen Messwerte Rp und Rv sind als die höchste Erhebung bzw. die tiefste Vertiefung innerhalb einer Einzelmesstrecke definiert. Die meisten Geräte geben jedoch einen Mittelwert aus den fünf Einzelwerten von Rp bzw. den fünf Einzelwerten von Rv aus. Für Sp und Sv gilt die Definition des Einzelmesswerts, also der Wert für die höchste Erhebung bzw. für die tiefste Vertiefung innerhalb der betrachteten Fläche. Inzwischen gibt es jedoch in der Norm zu den beschrieben Rauheitswerten vergleichbare Größen für die Flächen, nämlich die Fünf-Punkte-Spitzenhöhe S5p und die Fünf-Punkte-Muldentiefe S5v sowie die daraus abgeleitete Zehn-Punktehöhe S10z. Bei den Fünf-Punkte-Werten werden die fünf höchsten Erhebungen bzw. die fünf tiefsten Mulden ähnlich wie bei der Rauheit gemittelt bzw. bei der Zehn-Punktehöhe werden diese beiden Mittelwerte aufsummiert und dadurch ergibt sich ein Rz eher vergleichbarer Wert, denn auch Rz lässt sich in der Regel als Summe aus den Mittelwerten von Rp und Rv errechnen. Leider sind diese Werte bei vielen Messgeräten (noch) nicht enthalten; bei den verwendeten Geräten ebenfalls nicht.

Bisher wurden die Messwerte nach der DIN EN ISO 13565, also Rk, Rpk und Rvk sowie die daraus abgeleiteten Traganteile Mr1 und Mr2 nicht betrachtet. Für die flächenhafte Messung von Rauheiten gibt es Messwerte, die diesen R-Werten ziemlich genau entsprechen, die mit Sk, Spk, Svk, Smr1 und Smr2 bezeichnet werden und in den Skizzen anhand der Abottkurve genau gleich erklärt werden wie bei der Rauheit.

– wird fortgesetzt –

Literatur

[1] E DIN EN ISO 25178-2: Geometrische Produktspezifikation (GPS) – Oberflächenbeschaffenheit: Flächenhaft – Teil 2: Begriffe, Definitionen und Oberflächen-Kenngrößen, Beuth-Verlag, Berlin, 2020

[2] Wiehr, C.: Anwenderunterstützung bei der Nutzung und Überprüfung von optischen 3D-Oberflächenmessgeräten, Dissertation, Technische Universität Kaiserslautern, 2019

[3] Ströer, F.; Seewig, J.; Depiereux, F.: Rauheitsmessung taktil oder optisch? Vergleichbare Ergebnisse, QZ 59(2014)5, 70–72

[4] Plein, C.: Vergleichende Oberflächentopografie, Studienarbeit, Duale Hochschule, Lörrach, 2018

[5] Schorr, D.: Messung des Steinbeis Transferzentrums Tribologie in Anwendung und Praxis, Karlsruhe, 2018

[6] https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=44998701

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 11
  • Jahr: 2021
  • Autoren: Prof. Dr.-Ing. Manfred Schlatter

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