Bearbeitung von Stahloberflächen: Schleifen und Bürsten, gemessen mit dem Rhopoint TAMS

Auswertung eines Stahl-Probensatzes, geschliffen mit den Körnungen K36 bis K600, mit und ohne Bürstschritt

Zusammenfassung

Ein Satz Stahlproben, geschliffen mit Körnungen von K36 (am gröbsten) bis K600 (am feinsten) und teilweise anschließend gebürstet (D), wurde mit dem Rhopoint TAMS gemessen. Das Messinstrument bildet jedes Messfeld in 3D ab und liefert flächenhafte Höhenwerte, einen wahrnehmungsbezogenen Quality-Wert und die Höhenkarten.

Die Messungen zeigen:

• TAMS unterscheidet jede Schleifstufe. Über die trockene Reihe K36 bis K400 sinkt Sa von 4,76 auf 2,12 µm, Quality steigt von 91,7 auf 95,8. Die Messungen benachbarter Körnungen überlappen sich nie; der kleinste Schritt (K320 zu K400) beträgt 0,31 µm.
• Bürsten ist deutlich sichtbar. Bei K240, K320 und K400 senkt es Sa um 54,6 %, 65,9 % und 64,6 % und erhöht Quality um 2,9, 3,1 und 2,9 Punkte. Gebürstetes K400 (Sa 0,75 µm) entspricht nass geschliffenem K600 (0,79 µm).
• Bürsten senkt die gesamte Höhenverteilung, nicht nur die Spitzen. Sk, Spk und Svk sinken um 53 bis 71 %; die Form der Materialanteilkurve bleibt gleich (Strukturen ab etwa 0,8 mm).
• Nach dem Bürsten spielt die Ausgangskörnung kaum eine Rolle. K320 D und K400 D unterscheiden sich in Sa um weniger als 0,1 µm, innerhalb der Streuung.
• Die Schleifspuren verlaufen in einer Richtung. Die Anisotropie nimmt mit feinerer Bearbeitung ab: Rz quer zu Rz längs sinkt von 2,4 (K36) auf 1,3 (K600 D).
• TAMS eignet sich gut für die Prozesskontrolle matter und satinierter Stahloberflächen. Es misst jede Zwischenstufe, zeigt die Ursache in den Karten und bewertet auf einer Skala. Für die Abnahme gebürsteter Oberflächen sollte die Quality-Skala durch eine visuelle Rangfolge an Ihren Proben bestätigt werden.

Bitte beachten Sie

• Probenbezeichnungen. K36 ist die gröbste, K600 die feinste Körnung. D: erst geschliffen, dann gebürstet. „Nass geschliffen“: K600 mit nassem Papier.
• Richtung der Werte. Niedrigere Werte von Sa, Sq, Sz und Rz bedeuten eine glattere, höhere Quality (0 bis 100) eine besser aussehende Oberfläche.
• Keine Tastschnittwerte. Die TAMS-Werte (0,8) werden nach einem Gauß-Tiefpass mit 0,8 mm Grenzwellenlänge berechnet. Sie beschreiben Strukturen von etwa 0,8 mm bis zur Größe des Messfelds; feine Rauheit unter etwa 0,4 mm trägt nicht bei. Sie dürfen weder mit Ra-Werten aus dem Tastschnittverfahren noch mit Tabellen zur Zuordnung von Körnung und Ra verglichen werden.
• Streuung und Probensatz. Jeder Probenzustand wurde zweimal gemessen; Unterschiede innerhalb der Streuung beider Messungen sind nicht aussagekräftig. Die Ergebnisse gelten nur für diesen Probensatz und sind keine Spezifikationswerte.

Was die Parameter bedeuten

Die Materialanteilkurve (Abbott-Firestone-Kurve)

So entsteht sie. Alle Höhenwerte der ausgewerteten Fläche werden vom höchsten zum niedrigsten sortiert. Die Kurve trägt jede Höhe über dem Flächenanteil auf, der oberhalb dieser Höhe liegt.

Das linke Ende der Kurve sind die höchsten Punkte der Oberfläche, das rechte Ende die tiefsten Täler, und die Mitte ist der Hauptteil der Oberfläche.

Was sie zeigt

• Amplitude. Der von der Kurve überspannte Höhenbereich zeigt, wie rau die Oberfläche ist. Eine flache Kurve gehört zu einer glatten Oberfläche, eine Kurve mit großem Höhenbereich zu einer rauen.
• Form. Die Enden der Kurve zeigen die Spitzen (Spk, oben links) und die Täler (Svk, unten rechts), die Mitte zeigt den Kern (Sk). Eine Oberfläche mit wenigen hohen Spitzen über einem großen Kern hat ein steiles oberes Ende; eine Oberfläche mit tiefen, einzelnen Kratzern hat ein steiles unteres Ende.
• Prozesseinflüsse. Ein Prozess, der die Spitzen abträgt und ein flaches, tragendes Plateau hinterlässt, etwa Einlaufen oder Plateauhonen, zeigt sich als stark abgeflachtes linkes Ende: ein kleines Spk im Vergleich zu Sk und ein größeres Smr1.
• Vergleich. Zwei Kurven gleicher Form, aber unterschiedlicher Größe zeigen dieselbe Textur bei unterschiedlicher Amplitude.

In diesem Bericht:

Die Kurven aller Probenzustände (Abbildung im Abschnitt zu den funktionalen Parametern) sind maßstäblich skalierte Kopien voneinander.

Bürsten macht die Kurve flacher, ohne ihre Form zu ändern: Kern, Spitzen und Täler werden alle kleiner.

Flächenhafte Parameter und Schleifparameter aus den Höhenkarten

Die folgenden Parameter werden aus den Höhenkarten des Instruments für jede Messung berechnet; die Tabellen zeigen den Mittelwert der beiden Messungen. Die Sa-Werte entsprechen den oben genannten Instrumentwerten.

Methode

• Oberfläche: wie in der TAMS-Software: Gauß-Tiefpass mit 0,8 mm Grenzwellenlänge (ISO 16610-21) in einem Schritt auf die gesamte Karte angewendet, Mittelwert abgezogen, keine Ebene abgezogen und kein Randbeschnitt.
• Flächenhafte Parameter folgen ISO 25178-2: Sa, Sq, Ssk, Sku, Sz sowie die Materialanteil-Parameter Sk, Spk, Svk, Smr1 und Smr2 (40-%-Fenster).
• Räumliche und Rillenrichtungs-Parameter: Sal und Str aus der Autokorrelationsfunktion (Abklingschwelle 0,2); Rillenwinkel und Richtungskonzentration aus dem Richtungs-Leistungsspektrum. Der Rillenwinkel ist die Richtung der Schleifspuren gegenüber der horizontalen Achse der Karte. Die Richtungskonzentration reicht von 0 (keine Vorzugsrichtung) bis 1 (eine einzige Richtung).
• Profilparameter: Rz (2,5 mm Messstrecke) längs und quer zur Rillenrichtung sowie RSm quer zur Rillenrichtung.

Höhenparameter

Sku bleibt für jeden Probenzustand zwischen 3,0 und 3,6, dem Wert einer zufälligen Oberfläche vom Gauß-Typ: Es fallen keine einzelnen tiefen Kratzer auf. Ssk liegt bei den geschliffenen Proben nahe null (-0,17 bis 0,13) und ist bei den gebürsteten und nass geschliffenen Proben ab K320 D positiv (0,17 bis 0,34); bei zwei Messungen je Probenzustand ist das nur ein Hinweis.

Funktionale Parameter (Materialanteilkurve)

Bürsten senkt Sk, Spk und Svk um annähernd denselben Anteil (53 bis 71 %). Spk/Sk (0,37 bis 0,50), Smr1 und Smr2 verändern sich nicht systematisch, und die Kurven in der Abbildung sind maßstäblich skalierte Kopien voneinander. Für Strukturen ab etwa 0,8 mm verringert Bürsten daher die Amplitude der gesamten Textur; es kappt die Spitzen nicht zu einem tragenden Plateau. Ob das auf feineren Skalen anders ist, lässt sich an diesen Werten nicht erkennen.

Rillenrichtungs- und räumliche Parameter

• Rillenrichtung. Die Schleifspuren verlaufen bei allen geschliffenen Proben und bei K240 D bis K400 D entlang der horizontalen Achse der Karte (Rillenwinkel -2,6 bis +3,3 Grad). K600 nass geschliffen (7,0 Grad) und K600 D (-7,2 Grad) weichen leicht ab, und bei K600 D ist kaum noch eine Vorzugsrichtung vorhanden (Richtungskonzentration 0,34).
• Anisotropie. Die Richtungskonzentration sinkt von 0,80 (K36) auf 0,34 (K600 D) und das Verhältnis von Rz quer zu Rz längs von 2,4 auf 1,3. Feinere Bearbeitung und Bürsten machen die Oberfläche in diesem Maßstab isotroper. Beide Größen sind stabiler als Str, dessen zwei Messungen deutlich streuen (zum Beispiel K320 D 0,38 und 0,20); Str allein sollte daher nicht zur Rangfolge dieser Proben verwendet werden.
• Korrelationslänge Sal. 0,66 bis 0,74 mm bei allen geschliffenen Proben und bei K240 D, 0,95 bis 1,22 mm bei K320 D und feiner: Die feineren gebürsteten Oberflächen sind über größere Abstände glatt.
• Rillenabstand. RSm quer zur Rillenrichtung beträgt bei jedem Probenzustand 2,6 bis 3,1 mm, unabhängig von Körnung und Bürsten. Dieser Abstand folgt nicht dem Schleifkorn: Die Karten beschreiben die großräumigere Textur der Oberfläche, nicht die einzelnen Schleifkratzer.

Was sich über den Schleifprozess ableiten lässt und was nicht

• Ableitbar: Rillenrichtung, Grad der Anisotropie, Amplitude der Textur (Sa, Sq, Sz), Form der Höhenverteilung (Ssk, Sku, Sk-Familie) und Korrelationslänge, je Probe und je Prozessstufe.
• Nicht ableitbar: Prozesseinstellungen wie Scheiben- oder Bandgeschwindigkeit, Vorschub, Anpressdruck oder Schnitttiefe sowie die Kratzergeometrie im Korngrößenmaßstab. Die erste Gruppe ist in einer Oberflächenmessung nicht enthalten; die zweite liegt unterhalb des Maßstabs, den diese Werte beschreiben (Strukturen feiner als etwa 0,4 mm). Die obigen Parameter sind Kennzahlen zum Vergleich von Prozessstufen, keine Prozesseinstellungen.

Veröffentlichte Arbeiten zur Einordnung

Veröffentlichte Arbeiten zu geschliffenem und gebürstetem Stahl stützen sich meist auf Ra-Werte aus dem Tastschnittverfahren und auf Tabellen zur Zuordnung von Körnung und Ra. Flächenhafte Daten (ISO 25178) zu gebürstetem Edelstahl nach Körnung haben wir nicht gefunden; ein direkter Vergleich mit veröffentlichten Werten ist daher nicht möglich. Drei Berührungspunkte gibt es:

• Höhenverteilung. Abrasiv geschliffene Oberflächen haben nach der Literatur eine nahezu normalverteilte Höhenverteilung [1]. Die geschliffenen Proben stimmen damit überein (Sku etwa 3, Ssk etwa 0).
• Anisotropie. Str wird als Verhältnis des Abstands quer zu den Bearbeitungsspuren zum Abstand längs dazu beschrieben [2]. Das hier berechnete Verhältnis der Profilabstände (0,37 bis 0,51) und die übrigen Anisotropiemaße zeigen bei feinerer Bearbeitung denselben Trend zu mehr Isotropie.
• Vergleichbarkeit mit Tastschnittwerten. TAMS-Werte und Tastschnitt-Ra unterscheiden sich in Messprinzip, Filterung und Messfläche und dürfen weder miteinander noch mit Tabellen zur Zuordnung von Körnung und Ra verglichen werden. Ein Vergleich erfordert Messungen beider Verfahren an denselben Proben.

Eignung von TAMS zur Beurteilung der Stahloberflächenbearbeitung

Gut geeignet für die Prozesskontrolle matter und satinierter Stahloberflächen. Für die Abnahme einer fertigen gebürsteten Oberfläche bestätigen Sie die Quality-Skala an Ihren eigenen Proben.

Was dafür spricht

• Es unterscheidet alle trockenen Schleifstufen; nach dem Bürsten sind nur K320 D und K400 D nicht eindeutig zu trennen.
• Die beiden Messungen eines Probenzustands stimmen eng überein: Das K36-Paar streut in Sa um 8,4 % des Mittelwerts, die Paare K240 bis K400 deutlich weniger.
• Es misst matte und geschliffene Stufen direkt, bei denen Glanzmessgeräte an ihre Grenzen stoßen.
• Es liefert flächenhafte Höhenkarten, die das Schleifbild und seine Richtung zeigen, nicht nur ein einzelnes Linienprofil.

Was zu beachten ist

• Der Quality-Wert wurde für lackierte Oberflächen entwickelt; sein Bezug zu gebürstetem Stahl sollte an Ihren Proben bestätigt werden.
• Bei K320 bis K600 betragen die Sa-Unterschiede nur 0,1 bis 0,2 µm, nahe an der Streuung.
• Die TAMS-Amplituden sind nicht an einem Referenzinstrument überprüft und können wellenlängenabhängig abweichen; die Rangfolge der Proben zeigen die Daten.
• Eine gebürstete Oberfläche wird nach Strichrichtung und Gleichmäßigkeit beurteilt; dafür gibt es noch keine Toleranzwerte.

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