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Welche Oberflächengüte kann die CNC-Bearbeitung erreichen? Ra-Werte nach Verfahren

CNC-Bearbeitung kann eine Oberflächengüte von 0,4 µm Ra bis 6,3 µm Ra erreichen, abhängig vom Verfahren, Werkzeug und Material. Bei Standard-Fräsen und -Drehen können Sie 1,6 µm bis 3,2 µm Ra erwarten, während Präzisionsschleifen und Feinbohren 0,4 µm bis 0,8 µm Ra erreichen können. Dieser Artikel erklärt die genauen Ra-Werte für jedes Verfahren und wie Sie diese für Ihre Bauteile korrekt spezifizieren.

Was ist Ra und warum ist es bei der CNC-Bearbeitung wichtig?

Ra, der arithmetische Mittenrauwert, ist der gebräuchlichste internationale Parameter für die Oberflächengüte und wird in Mikrometern (µm) oder Mikrozoll (µin) gemessen. Er stellt die durchschnittliche Abweichung des Oberflächenprofils von einer Mittellinie über eine festgelegte Messstrecke dar, typischerweise 0,8 mm bei bearbeiteten Teilen. Für technische Anwendungen beeinflusst Ra direkt den Verschleißwiderstand, die Ermüdungsfestigkeit, die Dichtfähigkeit und die Reibungskoeffizienten, was ihn zu einer kritischen Spezifikation für Passflächen, Lagerflächen und Fluiddichtungen macht.

Das Verhältnis zwischen Ra und Fertigungskosten ist nicht linear. Die Verbesserung von 3,2 µm auf 1,6 µm Ra erhöht die Bearbeitungszeit um etwa 30 bis 50 Prozent, während der Übergang von 1,6 µm auf 0,4 µm Ra die Kosten pro Teil verdoppeln oder verdreifachen kann. Daher ist die Spezifikation einer engeren Oberflächengüte als funktional erforderlich eine Verschwendung von Geld und erhöht die Durchlaufzeit, ohne die Leistung zu verbessern.

Wie vergleichen sich verschiedene CNC-Verfahren in Bezug auf die Oberflächengüte?

Standard-CNC-Fräsen mit einem Schaftfräser mit 4 Schneiden bei 12.000 U/min und einem Vorschub von 0,05 mm/Zahn erzeugt typischerweise 1,6 µm bis 3,2 µm Ra in Aluminium 6061. Schruppdurchgänge mit einer Zustellung von 0,5 mm ergeben etwa 3,2 µm bis 6,3 µm Ra, während Schlichtdurchgänge mit einer Zustellung von 0,1 mm und einer Wischplatte 0,8 µm bis 1,6 µm Ra erreichen können. CNC-Drehen mit einer Standard-Hartmetallwendeschneidplatte bei einer Schnittgeschwindigkeit von 150 m/min und einem Vorschub von 0,1 mm/U ergibt 1,6 µm bis 3,2 µm Ra in Stahl und 0,8 µm bis 1,6 µm Ra in Messing oder automatengängigem Aluminium.

Präzisionsschleifen, Läppen und Honen sind die einzigen Verfahren, die konsistent unter 0,4 µm Ra erreichen. Zum Beispiel erzeugt Rundschleifen mit einer Aluminiumoxid-Scheibe der Körnung 60 bei einer Scheibengeschwindigkeit von 30 m/s 0,4 µm bis 0,8 µm Ra, während Feinstläppen 0,05 µm bis 0,1 µm Ra erreichen kann. Drahterodieren erzeugt eine charakteristische Oberfläche mit 1,6 µm bis 3,2 µm Ra und einer deutlichen Wiederaufschmelzschicht, die für Anwendungen mit hoher Ermüdungsbelastung eine Nachbearbeitung erfordern kann.

Welche Oberflächengüte-Werte sind materialabhängig erreichbar?

Verschiedene Materialien reagieren unterschiedlich auf dieselben Schnittparameter, abhängig von ihrer Härte, Duktilität und Spanbildungscharakteristik. Aluminium 6061-T6 ist am einfachsten zu bearbeiten und erreicht routinemäßig 0,8 µm Ra mit Standard-Schlichtdurchgängen. Edelstahl 304 und 316 neigen stärker zur Kaltverfestigung und ergeben typischerweise 1,6 µm bis 3,2 µm Ra mit Standardwerkzeugen; um 0,8 µm Ra zu erreichen, sind Wendeschneidplatten mit positivem Spanwinkel und höhere Schnittgeschwindigkeiten erforderlich.

Titan Ti-6Al-4V ist am anspruchsvollsten: Standardfräsen erzeugt 3,2 µm bis 6,3 µm Ra aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit und Neigung zum Kaltaufschweißen. Vergütete Werkzeugstähle wie H13 bei 48 HRC können 0,4 µm bis 0,8 µm Ra nur mit CBN- oder Keramikschneidplatten bei hohen Schnittgeschwindigkeiten erreichen. Die folgende Tabelle fasst die erreichbaren Bereiche für gängige Materialien mit Standard-CNC-Ausrüstung bei BQUQ zusammen.

Wie können Sie Ra-Werte senken, ohne das Verfahren zu ändern?

Die erste Variable, die angepasst werden sollte, ist der Vorschub, da er den direktesten Einfluss auf Ra hat. Die Reduzierung des Vorschubs von 0,15 mm/U auf 0,05 mm/U beim Drehen senkt Ra von ungefähr 3,2 µm auf 1,6 µm, erhöht jedoch die Zykluszeit um das Dreifache. Die Erhöhung der Spindeldrehzahl von 8.000 U/min auf 15.000 U/min beim Fräsen reduziert die Rautiefe und Ra um etwa 40 Prozent, sofern Werkzeug und Maschine die höhere Drehzahl ohne Rattern bewältigen können.

Werkzeuggeometrie und -beschichtung spielen ebenfalls eine Rolle. Die Verwendung einer Wischplatte an einem Drehwerkzeug kann Ra bei gleichem Vorschub um 50 Prozent reduzieren, da die Wischfläche ein glatteres Oberflächenprofil erzeugt. Beim Fräsen erzeugt ein Schaftfräser mit 2 Schneiden und einem großen Drallwinkel von 45 Grad eine bessere Oberflächengüte als ein Werkzeug mit 4 Schneiden bei gleichem Vorschub pro Zahn, da er Vibrationen reduziert und die Spanabfuhr verbessert. Für Aluminium ergibt ein Werkzeug mit polierten Spannuten und einem Spanwinkel von 10 bis 15 Grad 0,4 µm Ra bei einer Zustellung von 0,05 mm.

Welche Oberflächengüte sollten Sie für gängige technische Anwendungen spezifizieren?

Für Gleitlager und Wellensitze spezifizieren Sie 0,4 µm bis 0,8 µm Ra, um Reibung und Verschleiß zu reduzieren, vermeiden Sie jedoch Werte unter 0,2 µm Ra, da dies die Aufrechterhaltung des Ölfilms behindern kann. Für Hydraulikzylinderbohrungen und Kolbendichtungen ist 0,4 µm bis 0,8 µm Ra optimal für die Abdichtung ohne übermäßige Reibung, während 3,2 µm Ra zu schnellem Dichtungsverschleiß und Leckagen führt. Für Press- und Übermaßpassungen ist 1,6 µm bis 3,2 µm Ra akzeptabel, da die Oberfläche während der Montage verformt wird.

Für kosmetische oder sichtbare Oberflächen ist 0,8 µm bis 1,6 µm Ra für lackierte oder eloxierte Oberflächen ausreichend, während für blank polierte Aluminiumprodukte 0,4 µm oder besser erforderlich ist. Für ermüdungskritische Bauteile wie Luftfahrt-Halterungen oder Automobil-Fahrwerksteile wird in hochbelasteten Bereichen 0,4 µm bis 0,8 µm Ra empfohlen, da Oberflächenrauheit als Spannungskonzentrator wirkt und die Ermüdungslebensdauer im Vergleich zu einer glatten Oberfläche um bis zu 30 Prozent reduzieren kann.

Wie viel kostet es, niedrigere Ra-Werte zu erreichen?

Bei BQUQ basiert die Preisgestaltung für die Oberflächengüte auf zusätzlicher Bearbeitungszeit und Sekundäroperationen. Eine Standardoberfläche von 3,2 µm Ra ist im Grundpreis des Teils enthalten, während 1,6 µm Ra etwa 8 bis 12 Prozent zu den Kosten hinzufügt. Das Erreichen von 0,8 µm Ra erhöht die Kosten um 20 bis 30 Prozent, da ein separater Schlichtdurchgang, langsamere Vorschübe und mögliche Werkzeugwechsel erforderlich sind. Präzisionsschleifen auf 0,4 µm Ra erhöht die Kosten um 40 bis 60 Prozent, und Läppen auf 0,1 µm Ra kann die Teilekosten verdoppeln.

Auch die Durchlaufzeit erhöht sich mit engeren Oberflächengüten. Standardoberflächen fügen keine zusätzliche Zeit hinzu, 1,6 µm Ra fügt 1 bis 2 Tage hinzu, 0,8 µm Ra fügt 2 bis 3 Tage hinzu, und Präzisionsschleifen fügt 3 bis 5 Tage zum Produktionsplan hinzu. Wir empfehlen, die lockerste Oberflächengüte zu spezifizieren, die Ihre funktionalen Anforderungen erfüllt, und diese nur in kritischen Bereichen zu verschärfen, z. B. mit einer Anmerkung wie „0,8 µm Ra auf Dichtfläche, 3,2 µm sonst“, um Kosten zu kontrollieren.

Welche Messmethode sollten Sie zur Verifizierung von Ra verwenden?

Die Kontaktprofilometrie ist der Industriestandard für die Ra-Verifizierung. Sie verwendet einen Diamanttaster mit einem Radius von 2 µm und einem Spitzenwinkel von 5 µm, der mit 0,1 mm/s über eine Messstrecke von 4 mm fährt. Die Tastermethode ist auf plus/minus 0,05 µm Ra für Oberflächen zwischen 0,1 µm und 6,3 µm genau, kann jedoch nicht in kleinen Bohrungen unter 2 mm Durchmesser oder auf gekrümmten Oberflächen mit einem Radius unter 0,5 mm messen. In diesen Fällen sind berührungslose optische Interferometrie oder konfokale Mikroskopie erforderlich, obwohl diese Instrumente 30.000 bis 80.000 USD kosten und in Lohnfertigungsbetrieben weniger verbreitet sind.

Für die Verifizierung in der Fertigung verwenden wir ein tragbares Oberflächenmessgerät, das nach ISO 4287 kalibriert ist, mit einer Grenzwellenlänge von 0,8 mm und einer Messstrecke von 5,6 mm. Wir messen an drei Stellen pro Oberfläche und geben den durchschnittlichen Ra-Wert an. Wenn Ihre Zeichnung einen Maximalwert spezifiziert, stellen wir sicher, dass der gemessene Ra-Wert mindestens 20 Prozent unter diesem Grenzwert liegt, um Messunsicherheit und Werkzeugverschleiß während der Produktion zu berücksichtigen.

Häufig gestellte Fragen

Wie lange dauert es, eine 0,4 µm Ra-Oberfläche zu erreichen?

Das Erreichen von 0,4 µm Ra auf einer CNC-Fräsmaschine oder Drehmaschine erfordert einen Schlichtdurchgang mit 50 Prozent des normalen Vorschubs, was 15 bis 20 Minuten pro Teil für eine Oberfläche mit 100 mm Durchmesser hinzufügt. Häufiger wird diese Oberflächengüte durch Schleifen oder Läppen erreicht, was 30 bis 60 Minuten Bearbeitungszeit pro Teil hinzufügt. Bei BQUQ empfehlen wir Schleifen für jede Oberfläche über 50 mm Länge, die 0,4 µm Ra erfordert.

Kann CNC-Bearbeitung eine Spiegelfläche unter 0,1 µm Ra erreichen?

CNC-Bearbeitung allein kann keine Werte unter 0,1 µm Ra erreichen; dafür sind Läppen, Polieren oder Diamantdrehen mit speziellen Maschinen erforderlich. Diamantdrehen auf einer Ultrapräzisionsdrehmaschine kann 0,02 µm bis 0,05 µm Ra erreichen, jedoch nur auf Nichteisenmetallen wie Aluminium, Kupfer oder chemisch Nickel. Für Stahl oder Titan benötigen Sie Läppen mit einer 1-µm-Diamantsuspension, um 0,05 µm Ra zu erreichen.

Was ist besser für die Oberflächengüte: Fräsen oder Drehen?

Drehen erzielt im Allgemeinen eine bessere Oberflächengüte als Fräsen bei gleichem Vorschub, da das Werkzeug eine durchgehende Schneidkante und einen definierten Eckenradius hat. Eine Drehwendeschneidplatte mit einem Eckenradius von 0,8 mm bei einem Vorschub von 0,1 mm/U erzeugt 1,6 µm Ra, während ein Fräswerkzeug mit demselben Vorschub pro Zahn aufgrund des Riefeneffekts 3,2 µm Ra erzeugt. Für die beste Oberflächengüte verwenden Sie Drehen für zylindrische Teile und Fräsen nur für flache oder komplexe Geometrien.

Wie beeinflusst Werkzeugverschleiß die Oberflächengüte im Laufe der Zeit?

Werkzeugverschleiß erhöht Ra progressiv, wobei ein verschlissenes Werkzeug bis zu 2-mal rauere Oberflächen erzeugt als ein neues Werkzeug. Zum Beispiel erzeugt eine neue Hartmetallwendeschneidplatte 1,6 µm Ra, aber nach 30 Minuten Schnittzeit kann dieselbe Platte aufgrund von Freiflächenverschleiß und Kantenabrundung 3,2 µm Ra erzeugen. Wir programmieren Werkzeugstandzeitgrenzen bei 80 Prozent der Nennlebensdauer, um eine konstante Oberflächengüte zu gewährleisten, und wir messen Ra alle 10 Teile in der Produktion.

Was ist der Unterschied zwischen Ra und Rz bei CNC-Teilen?

Ra ist die durchschnittliche Rauheit über eine Messstrecke, während Rz die durchschnittliche maximale Spitze-zu-Tal-Höhe über fünf Messstrecken ist. Für dieselbe Oberfläche ist Rz typischerweise 4 bis 6 Mal größer als Ra, sodass eine Oberfläche mit 1,6 µm Ra ein Rz von etwa 6,4 bis 9,6 µm hat. Wenn Ihre Zeichnung Rz spezifiziert, rechnen wir mit einem Faktor von 5 für standardmäßig bearbeitete Oberflächen um, verifizieren jedoch mit einem Profilometer für kritische Anwendungen.

Kann die Oberflächengüte nach der Bearbeitung durch Sekundärprozesse verbessert werden?

Ja, Glasperlenstrahlen mit Glasperlen der Körnung 120 kann Ra von 3,2 µm auf 1,6 µm verbessern, hinterlässt jedoch ein mattes Aussehen und kann scharfe Kanten abrunden. Elektropolieren kann Ra bei Edelstahl um 30 bis 50 Prozent reduzieren, von 3,2 µm auf 1,6 µm, während 0,01 bis 0,02 mm Material abgetragen werden. Das Eloxieren von Aluminium ändert das Basis-Ra nicht, kann die Oberfläche jedoch aufgrund der Beschichtungsschicht glatter erscheinen lassen.

Wann sollten Sie eine Oberflächengüte-Angabe auf einer Zeichnung verwenden?

Spezifizieren Sie die Oberflächengüte immer auf funktionalen Oberflächen wie Dichtflächen, Lagersitzen und Passflanschen, aber lassen Sie kosmetische Oberflächen mit einer allgemeinen Anmerkung wie „3,2 µm Ra sofern nicht anders angegeben“. Eine Überspezifikation der Oberflächengüte auf jeder Oberfläche erhöht die Kosten um 20 Prozent oder mehr ohne funktionalen Nutzen. Verwenden Sie auf der Zeichnung das ISO-1302-Symbol mit dem Ra-Wert und fügen Sie eine Anmerkung hinzu, wenn die Oberflächengüte nur für einen bestimmten Bereich gilt.

Für Ihr nächstes CNC-Bearbeitungsprojekt senden Sie uns Ihre Zeichnung mit den Anforderungen an die Oberflächengüte, und wir erstellen eine Kostenaufstellung für jede Oberflächengüte-Stufe. Unser Team bei BQUQ verfügt über 20 Jahre Erfahrung in CNC-Bearbeitung, Metallstanzung und Oberflächenveredelung und kann Sie hinsichtlich der wirtschaftlichsten Oberflächengüte für Ihre Anwendung beraten. Senden Sie noch heute Ihre RFQ-Anfrage und erhalten Sie innerhalb von 12 Stunden ein Angebot per E-Mail an sc@bquq.com oder WhatsApp unter +86 13713157787. Besuchen Sie unsere Website unter www.bquq.com, um unseren Leitfaden zur Oberflächengüte und Toleranztabellen herunterzuladen.

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