Oberflächenrauheit messen: Ra, Rq, Profil und richtige Auswertung

Bei CNC-Teilen kann eine Oberfläche optisch gleichmäßig wirken und trotzdem für eine bestimmte Dichtung, Gleitpaarung oder Beschichtung ungeeignet sein. Ich würde deshalb von der geforderten Funktion und Zeichnungsangabe ausgehen. Das folgende Profil ist selbst berechnet und keine Messung an einem Teil meiner CNC-umgerüsteten Optimum BF 20.

Profil und flächenhafte Messung unterscheiden

Eine profilhafte Messung untersucht einen Verlauf entlang einer Messlinie. Eine flächenhafte Erfassung beschreibt dagegen einen Bereich mit zwei lateralen Richtungen. Die zugehörigen Kenngrößen tragen unterschiedliche Bezeichnungen. Ein flächenbezogener Sa-Wert sollte deshalb nicht einfach als Ra-Wert einer beliebigen Linie ausgegeben werden.

Auch taktile und optische Verfahren erfassen die Oberfläche auf unterschiedliche Weise. Für eine konkrete Aufgabe würde ich prüfen, ob das Verfahren die relevanten Strukturen zuverlässig erfasst und ob seine Auswertung zur Vorgabe passt. Ein farbiges 3D-Bild ist anschaulich, aber noch keine automatisch vergleichbare Rauheitsprüfung.

Ra mit einem eigenen Profil verstehen

Die mathematischen Grunddefinitionen für arithmetischen und quadratischen Profilmittelwert sind unter anderem in der NIST-Hilfe dargestellt. Für unser als bereits ausgewertetes Rauheitsprofil angenommenes Lehrsignal gilt: Ra ist der Mittelwert von |z(x)|, Rq die Quadratwurzel des Mittelwerts von z(x)². Die NIST-Seite erläutert diese Grundlagen im Zusammenhang älterer Profilnormen; sie wird hier nicht als aktuelle ISO-21920-Prüfanweisung verwendet.

Bei einer Amplitude A von 2 µm ergeben sich über eine vollständige Sinusperiode analytisch Ra = 2A/π ≈ 1,273 µm und Rq = A/√2 ≈ 1,414 µm. Die größte Höhe beträgt +2 µm, das tiefste Tal −2 µm. Deren Differenz ist 4 µm. Keine dieser Größen darf ohne ihre Definition gegen eine andere ausgetauscht werden.

Die Rechnung setzt bereits fest, welches Profil ausgewertet wird. Sie zeigt nicht, welche Filterung oder Messstrecke an einem realen Bauteil anzuwenden wäre. Ein Profil mit langen Wellen, Formanteilen oder einer anderen Auswertelänge kann bei gleicher Messspur anders beurteilt werden. Diese Festlegungen gehören zur Messaufgabe.

Warum sich Ra und Rz nicht pauschal umrechnen lassen

Mittelwerte und höhenbezogene Kenngrößen bewerten unterschiedliche Eigenschaften. Zwei Profile können denselben mittleren Betrag besitzen und trotzdem sehr verschiedene einzelne Spitzen oder Täler enthalten. Ein fester Multiplikator zwischen Ra und Rz würde diese Unterschiede verbergen. Für eine zeichnungsgemäße Prüfung muss die tatsächlich verlangte Kenngröße ermittelt werden.

Ich würde eine vorhandene Ra-Messung deshalb nicht durch eine Faustformel in ein angeblich gemessenes Rz-Ergebnis verwandeln. Ebenso wenig würde ich die 4 µm Profilspanne unseres Sinus ohne festgelegte Normauswertung als beliebigen Rz-Prüfwert kennzeichnen. Das Beispiel erklärt mathematische Eigenschaften, keine Annahmeentscheidung für ein reales Teil.

ISO 21920 und ältere Zeichnungen sauber zuordnen

Mahr erläutert die drei Teile der ISO-21920-Reihe: Zeichnungsangaben, Begriffe und Kenngrößen sowie Spezifikationsoperatoren beziehungsweise Messbedingungen. DIN Media führt DIN EN ISO 21920-2:2022-12 als aktuell und nennt unter anderem DIN EN ISO 4287:2010-07 als ersetztes Dokument. Diese öffentlichen Informationen wurden geprüft; der vollständige Normtext wurde nicht eingesehen.

Eine ältere Zeichnung wird dadurch nicht stillschweigend in eine neue Spezifikation umgedeutet. Ich würde zunächst klären, welcher Normstand und welche ergänzenden Anforderungen für den Auftrag gelten. Mahr weist besonders auf die Bedeutung der Zeichnungsangabe für die Filtereinstellungen hin. Ein Gerät mit mehreren auswählbaren Normprofilen muss entsprechend bewusst eingestellt werden.

Messrichtung, Stelle und Gerätezustand dokumentieren

Ich würde nicht nur den angezeigten Zahlenwert speichern, sondern auch die wesentlichen Geräteeinstellungen und die Lage der Messung. Bei einer späteren Abweichung lässt sich sonst kaum unterscheiden, ob sich die Oberfläche oder nur die Auswertung geändert hat. Die Hinweise zum Messprotokoll lassen sich dafür nutzen.

Rauheit gemeinsam mit der Fertigung auswerten

Die Ergebnisse sollten zur Bearbeitung zurückverfolgt werden können: Werkzeugzustand, Aufspannung und Programmstand sind mögliche Zusammenhänge. Eine auffällige Oberfläche beweist jedoch nicht allein eine bestimmte Ursache. Der Artikel zur Schwingungsüberwachung zeigt dieselbe Grenze zwischen Beobachtung und Diagnose.

Für eine Annahmeentscheidung sind außerdem Messunsicherheit und Entscheidungsregel wichtig, wie im Beitrag zur Messabweichung erläutert. Ein CAQ-System kann diese Informationen zusammenführen. Es ersetzt aber keine eindeutige Spezifikation. Ein guter Messwert ist ein verständlich definierter Wert mit nachvollziehbarer Herkunft.