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Oberflächenvermessung

15.07.2018

Die Funktionsoberflächen im Fertigungsprozess werden gezielt auf die benötigte Oberflächenbeschaffenheit, die in einer technischen Zeichnung spezifiziert ist, eingestellt. Um dabei eine gleichbleibende Oberflächengüte (z.B. bei der Materialeingangskontrolle) nach einer mechanischen Bearbeitung (z.B. Schleifen, Polieren, Honen usw.) oder nach einem Schichtauftrag zu gewährleisten, werden zur  Qualitätssicherung Verfahren zur Oberflächenvermessung eingesetzt. Auch werden innerhalb der Verschleißschutzentwicklung oder der Schadensanalyse Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit benötigt, um u.a. Verschleißmechanismen aufzudecken, das Potential von Verschleißschutzschichten zu beurteilen oder die Haltbarkeit bzw. Ausfallwahrscheinlichkeit eines Bauteils zu bestimmen.

Im Allgemeinen weichen alle realen Werkstückoberflächen (Ist-Oberflächen) von ihrer idealen Form (Soll-Oberfläche) ab. Derartige Gestaltabweichungen werden nach der DIN 4760:1982 in sechs Ordnungen eingeteilt:

1. Ordnung: Formabweichung

2. Ordnung: Welligkeit

3. Ordnung: Rauheit durch Rillen

4. Ordnung: Rauheit durch Riefen

5. Ordnung: Rauheit in der Gefügestruktur

6. Ordnung: Gitteraufbau des jeweilig. Werkstoffes

Dabei spielen die Gestaltabweichungen der 1.-4. Ordnung eine praxisrelevante Rolle, während die Abweichungen 5. und 6. Ordnung vorwiegend in der Materialwissenschaft Anwendung finden.

Durch Abtasten von Ist-Oberflächen können Abweichungen festgestellt und in Wellen unterschiedlicher Länge aufgeteilt werden. Die Wellenlänge nimmt mit der Ordnung der Gestaltabweichung ab. Um die Rauheit einer technischen Oberfläche zu ermitteln, muss die Grenzwellenlänge (cut off) λC festgelegt werden, mit der die übergeordneten Gestaltabweichungen wie Formabweichung oder Welligkeit herausgefiltert werden können. Die Trennung des Welligkeits- und des Rauheitsprofils (Abb. 1) erfolgt dabei in der Regel mit einem Gauß-Filter (DIN EN ISO 11562:1998). 

Abb. 1: Trennung von Rauheits- und Welligkeitsprofil aus dem Primärprofil

 

Derartige Oberflächenprofile und daraus bestimmbare oberflächenmorphologische Parameter können mit taktilen Messverfahren durch Tastschnittgeräte und berührungslose optische Messgeräte ermittelt werden. Ist das Rauheitsprofil bestimmt, lassen sich anschließend so die geläufigen eindimensionalen Rauheitskenngrößen nach DIN ISO 4287  und DIN ISO 13565 sowie Welligkeitskenngrößen berechnen.

Um die Oberfläche tribologisch zu charakterisieren, ist es in der Regel nicht ausreichend, die eindimensionalen Rauheitskenngrößen zu bestimmen. Dafür stehen in DIN EN ISO 25178 eine ganze Reihe von zweidimensionalen Kenngrößen zur Verfügung. Eine Auswahl ist in Tabelle 1 aufgeführt.

Tab. 1: Zweidimensionale Kenngrößen für die Rauheit

Höhenparameter Beschreibung
Sq quadratischer Mittenrauheitswert
Sz (S10z) Zehn-Punkt-Höhe
S5p Fünf-Punkt-Spitzenhöhe
SzX Zehn-Punkt-Höhe in x-Richtung
SzY Zehn-Punkt-Höhe in y-Richtung
Ssk Schiefe (Skewness)
Mischparameter Beschreibung
Sdq Oberflächenspitzengradient
Sdr gestrecktes Oberflächenverhältnis
Spc (Ssc) Mittelwert der Spitzenkrümmung
Sal Autokorrelationslänge
Std Texturrichtung (-winkel)
Str Textur-Aspekt-Verhältnis Oberfläche

 

Die Rauheitskenngrößen werden in vier Kategorien eingeteilt: Höhen-, Misch-, Abstands- und Volumenparameter. Der Texturwinkel Std und das Textur-Aspekt-Verhältnis Str spielt in geschmierten Systemen eine wichtige Rolle, insbesondere für ein Textur-Aspekt-Verhältnis Str < 0,5 als Maß für die Isotropie bzw. Anisotropie einer Oberfläche. Für zwei unterschiedliche Bearbeitungsverfahren ist der Texturwinkel bei nahezu gleichem S10z in Abbildung 2 dargestellt, was zeigt, dass die alleinige Angabe der Rautiefe nicht ausreicht.

Abb. 2: Beispiele für unterschiedlichen Texturwinkel