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Rauigkeit

Die Rauheit oder veraltet und nicht mehr normgerecht Rauhigkeit ist ein Begriff aus der Oberflächenphysik, der die Unebenheit der Oberflächenhöhe bezeichnet. Zur quantitativen Charakterisierung der Rauheit gibt es unterschiedliche Berechnungsverfahren, die jeweils auf verschiedene Eigenheiten der Oberfläche Rücksicht nehmen. Durch Polieren, Schleifen, Honen oder Sandstrahlen kann die Oberflächenrauheit beeinflusst werden.

Vor allem in der Technik ist die Rauheit sehr wichtig, z. B. bei technischen Gleit- oder Sichtflächen. Die Messung erfolgt üblicherweise mit Hilfe eines Rauheitsmessgerätes (Tastschnittgerät) z.B.Perthometer, DekTak oder Form Talysurf. Eine visuelle und optische Prüfung der Rauheit ist mittels Rugotest möglich, aber nicht von der GPS-Normenkette abgedeckt.

Eine weitere Möglichkeit der Messung bietet die Konoskopische Holografie.

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Rauheitskennwerte

Es werden im Alltag grundsätzlich drei Rauheitsangaben verwendet, die in der Einheit μm angegeben werden.

Die mittlere Rauheit, dargestellt durch das Symbol $R a$ , gibt den mittleren Abstand eines Messpunktes -auf der Oberfläche- zur Mittellinie $m$ an. Die Mittellinie schneidet innerhalb der Bezugsstrecke das wirkliche Profil so, dass die Summe der betragsmäßigen Profilabweichungen -bezogen auf die Mittellinie- minimal wird.

Die mittlere Rauheit

R a

, entspricht also dem arithmetischen Mittel der Abweichung von der Mittellinie. In zwei Dimensionen berechnet sie sich aus:

$R_a = \frac{1}{M \, N}\, \sum_{m=1}^{M} \sum_{n=1}^{N} \left\vert z \left( x_m,y_n \right) - \left\langle z \right\rangle \right\vert$

wobei der Mittelwert durch

$\left\langle z \right\rangle= \frac{1}{M \, N} \sum_{m=1}^{M} \sum_{n=1}^{N} z \left( x_m,y_n \right)$

berechnet wird.

Etwas leichter vorstellbar ist die mittlere Rauheit (in einer Dimension) als die Höhe des Rechtecks, das die gleiche Länge wie die zu untersuchende Strecke und den gleichen Flächeninhalt wie jene Fläche zwischen Bezugshöhe und Profil hat.

Die sogenannte quadratische Rauheit (englisch rms-roughness = root-mean-squared roughness: Wurzel des Mittelquadrates) wird aus dem Mittel der Abweichungsquadrate berechnet und entspricht dem "quadratischem Mittel"

$R_{q} = \sqrt{ \frac{1}{M \, N}\, \sum_{m=1}^{M} \sum_{n=1}^{N} \left( z \left( x_m,y_n \right) - \left\langle z \right\rangle \right)^2}$

Die so genannte gemittelte Rautiefe (auch Zehnpunkthöhe), dargestellt durch das Symbol R_max, wird folgendermaßen ermittelt. Dieser Kennwert ist nicht zu verwechseln mit R_z. R_z ist definiert als R_p - R_v bezogen auf die Gesamtmessstrecke, im Normalfall also 5 Einzelmessstrecken. Die GPS-Normenkette sieht allerdings auch andere Messkonstellationen vor.
- Eine definierte Messstrecke auf der Oberfläche des Werkstücks wird in sieben gleich große Einzelmessstrecken eingeteilt. Die Auswertung erfolgt aber nur über 5 Einzelmessstrecken, da der anzuwendene Gaussfilter eine halbe Einzelmessstrecke vor bzw. Nachlauf benötigt, respektive eine Faltung ein nicht zu unterschätzendes Ein- und Auslaufverhalten aufweist.
- Von jeder dieser Einzelmessstrecken wird die Differenz aus maximalem und minimalem Wert des Profils ermittelt.
- Aus den somit erhaltenen fünf Werten wird der Mittelwert gebildet.

Diskussion der Rauheitsparameter

Wie in Bild 1 vereinfacht für eine Dimension zu sehen ist, sind die mittlere Rauheit und die quadratische Rauheit nur von der absoluten Abweichung der Höhe vom Mittelwert abhängig, aber nicht von der Verteilung der Höhenwerte über die Fläche. So ergibt sich beispielsweise für die mittleren Rauheiten in den Bildern A und C $R a = 2$ und $R q = 2$ , während die Werte für Bild B sich zu $R a = 1$ und $R q = 1$ berechnen

Leider hat sich im Maschinenbau bis dato nicht herumgesprochen, dass es für das oben genannte Problem Lösungen in der GPS-Normenkette gibt. Hier sind anzuführen die Kennwerte aus der Abbott-Kurve und die Apmlituden-Dichte-Kurve. Weiterhin ist anzumerken, das der Unterschied zwischen Welligkeit und Rauheit bei vielen Konstrukteuren nicht angekommen ist. So sagt die Rauheit eines Werkstückes zum Beispiel etwas über die Qualität des Werkzeuges, die Welligkeit jedoch etwas über die Qualität der Maschine aus. Es tritt also gehäuft auf, dass bei Qualitätsproblemen die Rauheitsanforderungen extrem gesteigert werden, die das Problem verursachende Welligkeit aber bei der Rauheitsmessung "weggefiltert" wird. Die GPS-Normenkette definiert alle Raukennwerte auch als Welligkeitskennwerte. Unterschied ist nur die jeweilige "Cut off"-Frequenz. Welligkeitskennwerte werden mit dem Prefix "W" gekennzeichnet.

$R a$ und $R q$ sind also ungeeignet, um Aussagen über die Ortsfrequenz der Unebenheiten zu treffen. Es gilt also zu erst die Wellenlänge der kritischen Strukturen zu ermitteln. Hieraus ergibt sich, ob "P", "R" oder "W"-Kennwerte zu spezifizieren sind. Hiernach ist zu entscheiden, ob die kritischen Eckpunkte eher aus dem Profil, der Abbott-Kurve oder der Amplituden-Dichte-Kurve zu ersehen sind. Erst hiernach ist eine Festlegung auf auf einen Messwert zur Qualitätssicherung sinnvoll.

Verfahren für Papier

Um die Rauheit bzw. Glätte von Papier zu ermitteln, gibt es drei gängige Prüfverfahren: die Glätte nach Bekk, Parker Print Surf und Bendtsen. Die Mehrzahl der heute eingesetzten Prüfverfahren versucht die Druckglätte unter einem definierten Anpressdruck zu charakterisieren. Hierzu wird oft Luft als Hilfsmittel benutzt, die zwischen einer Referenzfläche und der Papieroberfläche unter definierten Bedingungen strömt. Bei Bekk ist die Referenzfläche eine geschliffene Glasplatte, bei Bendtsen und Parker Print Surf eine plane Metallringstirnfläche.

Glätte nach Bekk

Einsatzbereich: ca. 2-3000 s
Messfläche: 10 cm²
Druck auf Probe: 100 kPa

Es sind drei unterschiedliche Messbereiche möglich:

A: 10 bis 600 s mit großem Vakuumbehälter, Druckabfall von 507 auf 480 mbar, gemessene Zeit = GL (Bekk)s
B: >300 s (nach A) mit kleinem Vakuumbehälter, Druckabfall von 507 auf 480 mbar, gemessene Zeit x 10 = GL (Bekk)s
C: <20 s (nach A) mit großem Vakuumbehälter, Druckabfall von 507 auf 293 mbar, gemessene Zeit:10 = GL (Bekk)s

Rauheit/Glätte nach Bendtsen

Die Rauheit nach Bendtsen ist der Luftstromdurchfluss, der zwischen dem Messring des Messkopfes des Bendtsen–Gerätes und der Probeoberfläche hindurch geht, und der bei einem festgelegten Überdruck entsteht.

Messbereich: 10 bis 3000 ml/min
Messfläche: 100 x 0,15 mm ringförmig
Druck auf Probe: 10 N/cm²
Differenzdruck: (15 ± 0,2) mbar

Rauheit/Glätte nach Parker Print Surf (PPS)

Die PPS–Rauheit gehört auch zu den Luftstrommessverfahren und ist in der Druckpapierindustrie sehr weit verbreitet.

Messfläche: 98 mm x 51 µm (ringförmig)
Druck auf Probe: (6,2 ± 0,1) kPa
Probenunterlage: harte Gummiplatte

Die Geräte werden durch entsprechende akkreditierte Sachverständige kalibriert. Es werden innerhalb der Papierindustrie Ringversuche durchgeführt, um die Geräte miteinander vergleichen zu können und geeignete Kalibrierintervalle festzulegen.

Literatur

ISO/TR 14638 - Geometrical product specification (GPS) -- Masterplan
DIN EN ISO 4287 - Geometrical Product Specifications (GPS) -- Surface texture: Profile method -- Terms, definitions and surface texture parameters

Kategorie: Oberflächenphysik

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