Rauigkeit

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Dieser Artikel behandelt die Eigenschaft von Flächen; zur Bedeutung in der Akustik siehe Rauigkeit (Akustik); zur Bedeutung in der Bildbearbeitung siehe Rauheit (Bildbearbeitung).

Die Rauigkeit (nach alter Rechtschreibung Rauhigkeit) oder Rauheit ist ein Begriff aus der Oberflächenphysik, der die Unebenheit der Oberflächenhöhe bezeichnet. Zur quantitativen Charakterisierung der Rauigkeit gibt es unterschiedliche Berechnungsverfahren, die jeweils auf verschiedene Eigenheiten der Oberfläche Rücksicht nehmen. Durch Polieren kann die Oberflächenrauheit vermindert werden.

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

[Bearbeiten] Rauheitskennwerte

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

Die mittlere Rauigkeit, 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 Rauigkeit

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 Rauigkeit (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 Rauigkeit (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_z, wird folgendermaßen ermittelt:
- Eine definierte Messstrecke auf der Oberfläche des Werkstücks wird in fünf gleich große Einzelmessstrecken eingeteilt.
- 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.

[Bearbeiten] Diskussion der Rauheitsparameter

Rauigkeit von verschiedenen Oberflächen
siehe Text

Wie in Bild 1 vereinfacht für eine Dimension zu sehen ist, sind die mittlere Rauigkeit und die quadratische Rauigkeit 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 Rauigkeiten 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

$R a$ und $R q$ sind also ungeeignet, um Aussagen über die Ortsfrequenz der Unebenheiten zu treffen. Um diese Ortsauflösung zu analysieren, wird häufig die Fouriertransformation verwendet.

[Bearbeiten] Verfahren für Papier

Um die Rauigkeit 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.

[Bearbeiten] 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

[Bearbeiten] 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

[Bearbeiten] Rauheit/Glätte nach Parker Print Surf (PPS)

Die PPS–Rauigkeit 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.