Oberflächenrauheit (Ra, Rz) und Schlichtfräsen: theoretische Berechnung, Wahl des Bahnabstands und Messung

Die Oberflächenrauheit ist beim Schlichtfräsen das einzige Kriterium, das sowohl über die Bauteilabnahme als auch über die Zykluszeit entscheidet. Dieser Ratgeber behandelt, was Parameter wie Ra und Rz messen, wie die theoretische Rauheit aus Eckenradius und Vorschub berechnet wird, wie beim Kugelfräser über die Wahl des Bahnabstands der Zielwert erreicht wird und welchen Regeln die Messung unterliegt. Die Wahl von Beschichtung, Werkstoffgruppe und Schnittgeschwindigkeit liegt außerhalb des Umfangs.

1. Was Ra, Rz und Rmax tatsächlich messen

Rauheitsparameter werden über ein gefiltertes Profil berechnet. Nachdem aus dem gemessenen Rohprofil Form und Welligkeit (waviness) abgetrennt wurden, bleibt das Rauheitsprofil übrig. Die Parameter sind auf diesem Profil definiert.

Ra allein kann irreführend sein. Die Mittelwertbildung löst eine einzelne tiefe Riefe unter Hunderten von Messpunkten auf. Handelt es sich um eine Dichtfläche, um einen ermüdungsbelasteten Bereich oder um eine Gleitlagerfläche, ist neben Ra auch Rz oder Rmax anzugeben.

Zwischen Ra und Rz besteht kein zuverlässiger Umrechnungsfaktor. Bei gefrästen Oberflächen liegt das Verhältnis meist zwischen dem Drei- und dem Siebenfachen; mit der Form des Profils ändert sich auch das Verhältnis. Deshalb ist jeweils der Parameter zu messen, der in der Zeichnung eingetragen ist.

Entscheidend: Rauheit ist richtungsabhängig. Wird an einer gefrästen Oberfläche quer zur Vorschubrichtung gemessen, werden die Vorschubspuren erfasst; wird in Vorschubrichtung gemessen, werden die Kämme des Bahnabstands erfasst. Ein Unterschied um mehrere Faktoren zwischen beiden Messungen ist normal.

2. Die Normenreihe ISO 21920 und der Status der alten Normen

Die im Dezember 2021 veröffentlichte Normenreihe ISO 21920 fasst die auf dem Profilverfahren beruhenden Normen zur Oberflächenbeschaffenheit unter einem Dach zusammen. Die Reihe besteht aus drei Teilen: ISO 21920-1 behandelt die Angabe in der Zeichnung, ISO 21920-2 die Parameterdefinitionen und ISO 21920-3 die Verifikations- und Entscheidungsregeln. Mit dieser Veröffentlichung wurden ISO 1302, ISO 4287, ISO 4288 sowie ISO 13565-2 und ISO 13565-3 zurückgezogen.

Die für die Anwendung wesentlichen Änderungen sind folgende:

• Begriffsänderung. Anstelle von „Einzelmessstrecke“ (sampling length) wird der Begriff „Abschnittslänge“ (section length) verwendet. Rz wurde von „gemittelte Rautiefe“ in „maximale Höhe“ umbenannt. Das frühere Rmax ist als Rzx definiert.
• Berechnungsgrundlage. Höhenparameter wie Ra und Rq werden nun unmittelbar über die Messstrecke als ein einziger Wert berechnet. Spitze-Tal-Parameter werden aus Gründen der Stabilität weiterhin über Abschnittslängen berechnet.
• Voreinstellungen. ISO 21920-3 definiert Einstellklassen (setting class), um die der persönlichen Auslegung des Prüfers überlassenen Entscheidungen zu verringern. Die voreingestellte Tolerierungsregel ist die Höchstwertregel; damit die frühere 16-%-Regel gilt, ist sie in der Zeichnung ausdrücklich anzugeben.
• Reihenfolge. Die Reihenfolge von Filterung und Formentfernung wurde geändert.

Da die Definitionen von Ra, Rq, Rt und Rsk im Kern erhalten bleiben, werden bestehende Zeichnungen nicht ungültig. Dagegen kann dieselbe Oberfläche nach alten und nach neuen Regeln gemessen unterschiedliche Zahlen ergeben, besonders bei formbehafteten Profilen. Wird eine flächenhafte (areale) Auswertung benötigt, wird die Normenreihe ISO 25178 herangezogen.

3. Theoretische Oberflächenrauheit: Eckenradius und Vorschub

Ein Werkzeug mit rundem Schneidenende hinterlässt bei jedem Vorschubschritt eine Kreisbogenspur auf der Oberfläche. Der zwischen aufeinanderfolgenden Spuren verbleibende Werkstoff bildet die geometrische Rauheit der Oberfläche. Bleiben Rattern, Verschleiß und Werkstoffverhalten unberücksichtigt, hängt die Rauheit nur von zwei Größen ab: dem Vorschub je Umdrehung f und dem Eckenradius rε.

Die gebräuchlichen Näherungen lauten:

• Gesamthöhe: Rt ≈ f² / (8 · rε)
• Mittenrauwert: Ra ≈ f² / (32 · rε)

In beiden Formeln sind f und rε in Millimeter einzusetzen; das Ergebnis fällt in Millimeter an und wird durch Multiplikation mit 1.000 in Mikrometer umgerechnet. Der Zusammenhang ist nicht linear: Wird der Vorschub halbiert, sinkt das theoretische Ra auf ein Viertel; wird der Eckenradius verdoppelt, halbiert es sich.

Die folgende Tabelle gibt die aus der Formel berechneten theoretischen Ra-Werte in Mikrometer an.

Die Tabelle zeigt nur die geometrische Untergrenze. Die tatsächliche Messung liegt stets über diesem Wert. In der Praxis ist es ein etabliertes Vorgehen, den theoretischen Wert bei etwa der Hälfte der Zieltoleranz zu halten und den verbleibenden Anteil den Einflüssen von Rattern und Verschleiß zu überlassen.

Die Formel hat eine Grenze: Sobald der Zahnvorschub unter die Mindestspanungsdicke fällt, quetscht und reibt die Schneidkante den Werkstoff, statt ihn zu schneiden. In diesem Bereich verbessert eine weitere Verringerung des Vorschubs die Oberfläche nicht, sondern verschlechtert sie und verkürzt die Standzeit. Wie die Parameterwahl aufgebaut wird, ist unter Berechnung von Schnittgeschwindigkeit, Drehzahl und Vorschub gesondert behandelt.

4. Verbleibende Kammhöhe (Scallop) beim Kugelfräser

Wird eine dreidimensionale Fläche mit dem Kugelfräser bearbeitet, bleiben zwischen benachbarten Bahnen Kämme mit halbmondförmigem Querschnitt stehen. Die Höhe dieser Kämme ist über den Werkzeugradius R und die Bahnbreite ae definiert:

h = R − √(R² − (ae/2)²)

Bleibt der Bahnabstand gegenüber dem Werkzeugdurchmesser klein, vereinfacht sich dieser Ausdruck zur Näherung h ≈ ae² / (8 · R). Für Berechnungen in der Werkstatt ist die Näherung genau genug. Die verbleibende Kammhöhe entspricht der Spitze-Tal-Höhe des quer zur Vorschubrichtung gemessenen Profils; aufgrund derselben Kreisbogengeometrie bleibt der Ra-Wert grob in der Größenordnung eines Viertels dieser Höhe.

Die folgende Tabelle gibt die verbleibende Kammhöhe bei verschiedenen Werkzeugdurchmessern in Mikrometer an.

Da der Zusammenhang quadratisch ist, vervierfacht eine Verdopplung des Bahnabstands die Kammhöhe. Aus demselben Grund genügt es, den Bahnabstand um etwa 30 Prozent zu verringern, um die Kammhöhe zu halbieren; eine Halbierung des Bahnabstands senkt die Kammhöhe auf ein Viertel und verdoppelt die Bearbeitungszeit.

Wahl des Bahnabstands nach der Zielrauheit

Wird vom Ziel-Ra-Wert rückwärts gerechnet, ergibt sich der größte verwendbare Bahnabstand aus der Beziehung ae ≈ √(32 · R · Ra). Die folgende Tabelle gibt die Ergebnisse dieser Rechnung in Millimeter an.

Die Werte der Tabelle sind die geometrische Obergrenze; ihre unmittelbare Anwendung ist nicht zu empfehlen. Unter realen Bedingungen wird etwa die Hälfte dieser Werte gewählt, um einen Anteil für Rattern und Verschleiß freizuhalten. Die Tabelle zeigt zugleich, warum ein großer Durchmesser vorteilhaft ist: Ein Kugelfräser mit 16 mm erlaubt bei gleicher Rauheit einen um rund 60 Prozent größeren Bahnabstand als einer mit 6 mm.

Die zweite bestimmende Größe beim Kugelfräser ist der Mittenbereich des Werkzeugs. Da die Schnittgeschwindigkeit in der Mitte auf null fällt, ist dieser Bereich vom Eingriff auszunehmen. Sandvik Coromant empfiehlt, die Spindel oder das Werkstück um 10–15° zu neigen; dadurch wird der Schnitt von der Mitte weg verlagert, die tatsächliche Schnittgeschwindigkeit steigt und die Oberfläche verbessert sich deutlich. Dieselbe Quelle empfiehlt, beim Schlichten den Zahnvorschub etwa gleich der Bahnbreite zu wählen, um eine symmetrische Struktur zu erhalten. Die Geometrien von Kugelfräsern lassen sich in der Kategorie Kugelfräser betrachten.

5. Vier Einflüsse, die die Theorie stören

Der Unterschied zwischen gemessener Rauheit und berechnetem Wert geht auf die folgenden vier Mechanismen zurück.

Rattern (Chatter). Selbsterregtes Rattern hinterlässt auf der Oberfläche regelmäßig beabstandete Wellenspuren. Diese Spuren können Ra für sich genommen um mehrere Faktoren erhöhen und sind meist am Bearbeitungsgeräusch zu erkennen. Die wichtigsten Abhilfen sind die Verringerung des Verhältnisses von Auskraglänge zu Durchmesser, die Änderung der Schnittbreite und der Übergang in einen stabilen Bereich durch Abtasten der Drehzahl; das Thema ist unter Rattern beim Fräsen: Ursachen und Lösungen ausführlich behandelt.

Rundlauffehler (Runout). Ein radialer Rundlauffehler führt dazu, dass die Schneiden unterschiedlich viel Span abnehmen. Je größer der Rundlauffehler, desto stärker sammelt sich die Last auf einer Schneide, und auf der Oberfläche erscheint nicht die Schneidenzahl, sondern die Vorschubspur einer einzigen Schneide. In diesem Fall ist der tatsächliche Zahnvorschub um ein Vielfaches größer als der berechnete, und die theoretische Rauheitsrechnung wird gegenstandslos. Beim Präzisionsschlichten ist der Rundlauffehler so klein wie möglich zu halten; der Einfluss der Aufnahmeart auf den Rundlauf ist im Ratgeber zu Werkzeugaufnahmen verglichen.

Werkzeugverschleiß. Mit fortschreitendem Freiflächenverschleiß vergrößert sich der wirksame Radius der Schneidkante, die Kante stumpft ab und der Reibanteil an der Oberfläche nimmt zu. Die beim Schlichten im Formenbau gemessene Rauheit verschlechtert sich schrittweise, je näher die Verschleißgrenze rückt. Deshalb sind Schlicht- und Schruppwerkzeug getrennt zu halten und die Standzeit des Schlichtwerkzeugs nach der Rauheitsmessung zu begrenzen. Die Verschleißmechanismen sind unter Werkzeugverschleiß und Standzeit untersucht.

Spanwiederaufnahme. Ein Span, der nicht aus der Schnittzone abgeführt wird, klemmt zwischen Schneidkante und bearbeiteter Oberfläche, wird eingebettet oder hinterlässt eine Riefe. Bei klebenden Werkstoffen wie Aluminium und austenitischem Edelstahl verbindet sich dieser Effekt mit der Bildung einer Aufbauschneide (built-up edge) an der Schneidkante. Bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten nimmt die Bildung der Aufbauschneide zu; sie reißt periodisch ab, haftet an der Oberfläche und verschlechtert die Rauheit deutlich. Die Schnittgeschwindigkeit über den Bereich der Aufbauschneide hinaus anzuheben und den Span mit Kühlschmierstoff unter Druck oder mit Luft abzuführen, bringt an der Schlichtfläche eine messbare Verbesserung.

6. Einfluss von Gleich- und Gegenlauffräsen auf die Oberfläche

Der Unterschied zwischen beiden Verfahren liegt darin, wie sich die Spanungsdicke ändert.

Sandvik Coromant weist darauf hin, dass dem Gleichlauffräsen immer der Vorzug zu geben ist, solange Maschine, Spannung und Werkstück es zulassen. Gegenlauffräsen ist nur sinnvoll an älteren Werkzeugmaschinen mit Spiel in der Gewindespindel, bei stark verzunderten Guss- und Schmiedeoberflächen oder in Fällen, in denen ein unmittelbares Eintauchen der Schneidkante in die harte Randschicht nicht erwünscht ist.

In der Praxis beseitigt eine gleichsinnige Planung des Schlichtschnitts (in einer Richtung im Gleichlauf, auf dem Rückweg in der Luft) den Strukturunterschied zwischen Hin- und Rückweg. Die Zykluszeit steigt etwas an; dafür entsteht auf der Oberfläche kein Spurunterschied durch den Richtungswechsel.

7. Messung: Tastschnittgerät, Grenzwellenlänge und Vergleichsmuster

Das verbreitetste Verfahren ist das Tastschnittgerät (Profilometer). Eine Tastspitze aus Diamant wird mit gleichbleibender Geschwindigkeit über die Oberfläche gezogen, und die vertikale Bewegung wird digitalisiert. Geometrie der Tastspitze, Messkraft und Digitalisierungsbedingungen sind in ISO 3274 festgelegt. Der Radius der Tastspitze begrenzt die Breite des schmalsten erfassbaren Tals; bei sehr feinen Oberflächen ist ein kleiner Spitzenradius erforderlich.

Die kritischste Einstellung der Messung ist die Grenzwellenlänge λc (Cut-off). Sie ist die Grenzwellenlänge des Filters, das Rauheit und Welligkeit trennt, und legt zugleich die Abschnittslänge fest. Die Messstrecke beträgt voreingestellt fünf Abschnittslängen. Die Wahl erfolgt nach dem erwarteten Ra- oder Rz-Wert; nachstehend die in ISO 4288 für aperiodische Profile angegebene Tabelle.

Die meisten gefrästen Bauteile fallen in das Band mit 0,8 mm Grenzwellenlänge und 4 mm Messstrecke. Wird die Grenzwellenlänge zu klein gewählt, wird die von der Werkzeugmaschine herrührende Welligkeit herausgefiltert und die Oberfläche erscheint besser als sie ist. Wird sie zu groß gewählt, mischt sich die Welligkeit in die Rauheit und das Ergebnis fällt schlechter aus als es ist. Deshalb ist im Messprotokoll auch die Grenzwellenlänge anzugeben; ein Ra-Wert ohne angegebene Grenzwellenlänge ist nicht vergleichbar.

Das zweite Verfahren sind die Rauheitsvergleichsmuster. ISO 2632-1 erfasst gedrehte, geschliffene, gebohrte, gefräste und gehobelte Oberflächen, ISO 2632-2 erodierte, gestrahlte und polierte Oberflächen. Die Muster werden visuell und taktil mit Oberflächen verglichen, die mit einem ähnlichen Verfahren erzeugt wurden und eine ähnliche Rillenrichtung aufweisen. Für eine schnelle Vorabbeurteilung an der Maschine sind sie zweckmäßig; für die zahlenmäßige Toleranzprüfung reichen sie nicht aus.

Quelle von Messfehlern: Werden Messrichtung und Messort nicht im Protokoll festgehalten, ist das Ergebnis nicht wiederholbar. Bei gefrästen Oberflächen ist quer zu den Vorschubspuren und an mehreren repräsentativen Stellen der Fläche zu messen; über die Standzeit des Schlichtwerkzeugs hinweg ist die Messung außerdem an denselben Stellen zu wiederholen.

Quellen

• ISO 21920-1:2021 — Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Profile — Part 1: Indication of surface texture
• ISO 21920-2:2021 — Surface texture: Profile — Part 2: Terms, definitions and surface texture parameters
• ISO 21920-3:2021 — Surface texture: Profile — Part 3: Specification operators
• ISO 4288:1996 — Rules and procedures for the assessment of surface texture (zurückgezogen; Referenz für die Tabellen zu Grenzwellenlänge und Messstrecke).
• ISO 3274:1996 — Nominal characteristics of contact (stylus) instruments.
• ISO 2632-1:1985 und ISO 2632-2:1985 — Roughness comparison specimens.
• Digital Surf — What are the differences between ISO 4287 and ISO 21920? digitalsurf.com
• Sandvik Coromant — Profile milling und Down milling vs. up milling. sandvik.coromant.com