Rundheit und Zylindrizität: Messung und Kontrolle von Formabweichungen

Was wird eigentlich gemessen oder kontrolliert?

Formmessung (der Oberflächenform eines Bauteils) umfasst die Prüfung, ob ein Werkstück seine geometrische Sollform einhält. Rundheit und Zylindrizität sind zwei zentrale Formmerkmale, die sich auf zylindrische Bauteile (z. B. Wellen, Buchsen, Lagerringe) beziehen:

• Rundheit: Beschreibt die Abweichung einer einzelnen Querschnittsfläche eines zylindrischen Bauteils von einer perfekten Kreisform. Sie wird in der Regel als maximaler Abstand zwischen zwei konzentrischen Kreisen gemessen, die die gemessene Querschnittsfläche vollständig umschließen.
• Zylindrizität: Erweitert die Rundheit um die Längsachse des Bauteils. Sie beschreibt die Abweichung der gesamten Mantelfläche eines Zylinders von einer perfekten Zylinderform. Dazu werden mehrere Querschnittsflächen entlang der Längsachse gemessen und ihre gemeinsame Abweichung von einer idealen Zylinderhülle ermittelt.

Ein häufiger Fehler bei der Formmessung ist die Verwechslung von Rundheit mit Durchmesserkonstanz: Ein Bauteil kann einen konstanten Durchmesser haben, aber trotzdem eine hohe Rundheitsabweichung aufweisen – zum Beispiel bei einer dreieckigen oder sechseckigen Form, bei der der Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden Punkten immer gleich bleibt.

Ein weiteres relevantes Merkmal ist Lobing (auch Welligkeit oder Polygonform genannt): Dies ist eine periodische Abweichung von der Kreisform, die sich in einer bestimmten Anzahl von "Ecken" (Polen) entlang des Umfangs zeigt. Lobing tritt häufig bei der Bearbeitung von zylindrischen Bauteilen auf und wird nach der Anzahl der Pole benannt (z. B. 3-poliges, 6-poliges Lobing).

Warum ist das wichtig?

Rundheit und Zylindrizität haben direkte Auswirkungen auf die Funktion, Montage und Kosten von Bauteilen, insbesondere bei Lagerflächen – also Oberflächen, auf denen andere Bauteile drehen oder gleiten (z. B. Wellenlager, Buchsen, Kugellagerringe):

1. Funktionssicherheit: Bei Lagerflächen führt eine hohe Rundheitsabweichung zu ungleichmäßiger Belastung. Zum Beispiel kann eine 3-polige Abweichung bei einer Welle dazu führen, dass das Lager nur an drei Punkten aufliegt, was zu erhöhtem Verschleiß, Geräuschen oder sogar Ausfällen führt. Bei hydraulischen oder pneumatischen Dichtungen kann eine ungenaue Zylindrizität Leckagen verursachen.
2. Montagefähigkeit: Bauteile mit zu hohen Formabweichungen lassen sich nicht ordnungsgemäß montieren. Zum Beispiel kann eine Buchse mit einer ovalen Innenform nicht auf eine Welle mit perfekter Rundheit aufgeschoben werden, oder umgekehrt.
3. Kosten: Ungenaue Formmerkmale führen zu Ausschuss, Nachbearbeitung oder Garantiekosten. Bei hochpräzisen Anwendungen (z. B. Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik) können bereits geringe Abweichungen dazu führen, dass ein Bauteil nicht die erforderlichen Zertifizierungen erhält.

Ein Beispiel aus der Praxis: Bei einem Kugellager mit einem Innenring, der eine Rundheitsabweichung von 5 µm aufweist, kann die Lebensdauer des Lagers um bis zu 30 % sinken, da die Kugeln ungleichmäßig belastet werden.

Wie wird es gemessen oder erreicht?

Die Messung von Rundheit und Zylindrizität erfolgt in der Werkstatt auf unterschiedlichen Genauigkeitsniveaus, abhängig von den Anforderungen des Bauteils. Im Folgenden werden die gängigsten Methoden beschrieben:

1. Manuelle Messverfahren

Diese Methoden sind kostengünstig und einfach anzuwenden, aber nur für Anwendungen mit niedrigen Genauigkeitsanforderungen geeignet:

• Messuhr auf Prüfkörper: Das Bauteil wird auf zwei Prüfkörpern (z. B. Rollen) gelagert und langsam gedreht. Eine Messuhr wird an der zu prüfenden Oberfläche angelegt, und die maximale Abweichung während einer Umdrehung wird abgelesen. Diese Methode misst jedoch nicht nur die Rundheit, sondern auch die Rundlaufabweichung (also die Abweichung der Achse des Bauteils von der Drehachse), sodass sie nur eine grobe Abschätzung der Rundheit liefert.
• Mikrometer: Mit einem Mikrometer kann der Durchmesser an mehreren Punkten entlang des Umfangs gemessen werden. Wie bereits erwähnt, misst diese Methode keine Rundheit, sondern nur die Durchmesserkonstanz. Sie eignet sich nicht für die Erkennung von Lobing.

2. Koordinatenmessgeräte (KMG)

KMGs messen Punkte auf der Oberfläche des Bauteils und berechnen daraus die Formmerkmale. Für Rundheit und Zylindrizität werden mehrere Punkte entlang des Umfangs (für Rundheit) und entlang der Längsachse (für Zylindrizität) erfasst.

• Genauigkeit: Abhängig von der Geräteklasse zwischen 1 µm und 10 µm.
• Einsatzbereich: Geeignet für komplexe Bauteile, bei denen mehrere Merkmale gleichzeitig gemessen werden müssen.

3. Rundheitsmessgeräte (Formmessgeräte)

Diese Geräte sind speziell für die Messung von Rundheit und Zylindrizität konzipiert. Das Bauteil wird auf einer rotierenden Plattform gelagert, und ein Tastkopf erfasst die Abweichung der Oberfläche während einer oder mehreren Umdrehungen.

• Genauigkeit: Hochpräzise Geräte erreichen Genauigkeiten von unter 0,1 µm, Werkstattgeräte zwischen 0,5 µm und 2 µm.
• Einsatzbereich: Ideal für Lagerflächen und andere hochpräzise zylindrische Bauteile.

Erreichung der Formmerkmale bei der Bearbeitung

Um die erforderliche Rundheit und Zylindrizität zu erreichen, werden Bauteile auf CNC-Maschinen bearbeitet. Die Genauigkeit der Maschine ist ein entscheidender Faktor:

• Für Anwendungen mit mittleren Anforderungen (z. B. allgemeine Maschinenbauwellen) eignen sich Maschinen wie das GA-MV856 (Vertikales Bearbeitungszentrum) mit einer Positioniergenauigkeit von 0,010 mm und einer Wiederholgenauigkeit von 0,006 mm.
• Für hochpräzise Anwendungen (z. B. Lagerringe) werden Maschinen wie das GA-UHD500 (Hochpräzises 5-Achsen-Bearbeitungszentrum) mit einer Positioniergenauigkeit von 0,006 mm und einer Wiederholgenauigkeit von 0,004 mm verwendet.
• Bei der Bearbeitung von kleinen Bauteilen (z. B. Medizintechnikkomponenten) eignet sich das GA-DV750 (Vertikales Bearbeitungszentrum) mit einer Positioniergenauigkeit von 0,003 mm.

Fehlerquellen

Die gemessenen Werte für Rundheit und Zylindrizität können durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden, die nicht auf die Formabweichung des Bauteils zurückgehen:

1. Fehler bei der Aufspannung: Wenn das Bauteil bei der Messung oder Bearbeitung nicht zentrisch aufgespannt ist, werden die gemessenen Abweichungen falsch hoch ausfallen. Zum Beispiel kann eine exzentrische Aufspannung bei der Messung eine Rundheitsabweichung von mehreren Mikrometern verursachen, obwohl das Bauteil selbst perfekt rund ist.
2. Maschinenfehler: Die Genauigkeit der Bearbeitungsmaschine beeinflusst die Form des Bauteils. Zum Beispiel kann eine ungenaue Spindel oder ein verschlissener Tisch zu Abweichungen führen.
3. Temperaturänderungen: Temperaturunterschiede von nur 1 °C können bei Stahlbauteilen zu Längenänderungen von 11 µm pro Meter führen. Dies kann sowohl bei der Bearbeitung als auch bei der Messung zu falschen Ergebnissen führen.
4. Vibrationen: Vibrationen während der Bearbeitung oder Messung führen zu periodischen Abweichungen. Zum Beispiel kann eine unbalancierte Spindel bei der Bearbeitung zu 2-poligem Lobing führen.
5. Eigenspannungen: Nach der Bearbeitung können Eigenspannungen im Bauteil zu Verformungen führen, die die Form nachträglich ändern.

Ehrliche Einschränkungen

Rundheits- und Zylindrizitätsmessungen haben wichtige Grenzen, die oft übersehen werden:

1. Keine Aussage über die Position der Abweichung: Die Messung gibt nur den Wert der Abweichung an, nicht aber, wo diese Abweichung auf der Oberfläche liegt. Zum Beispiel kann eine Abweichung an einer Stelle liegen, die für die Funktion irrelevant ist, oder an einer kritischen Stelle – die Messung allein gibt keine Auskunft darüber.
2. Keine Unterscheidung zwischen Ursachen: Ein gemessener Rundheitswert gibt keine Auskunft darüber, ob die Abweichung durch Aufspannfehler, Maschinenfehler oder Materialverformungen verursacht wurde.
3. Überbewertung von Genauigkeit: Oft wird angenommen, dass eine höhere Genauigkeit der Messung automatisch eine höhere Genauigkeit der Bearbeitung bedeutet. Tatsächlich kann die Messgenauigkeit nicht besser sein als die Genauigkeit der Bearbeitung – eine Messung mit 0,1 µm Genauigkeit ist sinnlos, wenn die Bearbeitung nur 1 µm erreichen kann.
4. Keine Aussage über die Rauheit: Rundheits- und Zylindrizitätsmessungen filtern in der Regel Oberflächenrauheit heraus. Das bedeutet, dass eine glatte Oberfläche mit hoher Formabweichung oder eine raue Oberfläche mit geringer Formabweichung die gleichen Messwerte ergeben können.

Zusammenfassungstabelle

Praktische Checkliste

Um Rundheit und Zylindrizität korrekt zu messen und zu kontrollieren, folgen Sie diesen Schritten:

1. Definieren Sie die Anforderungen: Legen Sie die zulässigen Abweichungen für Rundheit und Zylindrizität fest, abhängig von der Funktion des Bauteils. Für Lagerflächen beträgt die zulässige Abweichung in der Regel zwischen 1 µm und 5 µm.
2. Wählen Sie die passende Maschine: Wählen Sie eine Bearbeitungsmaschine mit ausreichender Genauigkeit. Zum Beispiel:
   • Für Anforderungen bis 5 µm: GA-UHD500 (Positioniergenauigkeit 0,006 mm)
   • Für Anforderungen bis 10 µm: GA-MV856 (Positioniergenauigkeit 0,010 mm)
3. Vermeiden Sie Aufspannfehler: Zentrieren Sie das Bauteil bei der Bearbeitung und Messung sorgfältig. Verwenden Sie geeignete Spannvorrichtungen, um Verformungen zu vermeiden.
4. Kontrollieren Sie die Temperatur: Halten Sie die Temperatur in der Werkstatt und bei der Messung konstant (Abweichung < 1 °C).
5. Wählen Sie das passende Messverfahren: Nutzen Sie für Lagerflächen ein Rundheitsmessgerät, für allgemeine Anwendungen ein KMG oder manuelle Verfahren.
6. Überprüfen Sie die Messgenauigkeit: Stellen Sie sicher, dass die Messgenauigkeit mindestens dreimal höher ist als die zulässige Abweichung des Bauteils.
7. Berücksichtigen Sie Eigenspannungen: Lassen Sie Bauteile nach der Bearbeitung abkühlen, bevor Sie sie messen, um Verformungen durch Eigenspannungen zu vermeiden.

FAQ

1. Frage: Kann ich Rundheit mit einem Mikrometer messen?
   Antwort: Nein. Ein Mikrometer misst nur den Durchmesser an zwei gegenüberliegenden Punkten. Ein Bauteil kann einen konstanten Durchmesser haben, aber trotzdem eine hohe Rundheitsabweichung aufweisen (z. B. bei einer dreieckigen Form). Für die Messung von Rundheit benötigen Sie ein Rundheitsmessgerät oder ein KMG.

2. Frage: Welche Genauigkeit benötige ich für Lagerflächen?
   Antwort: Das hängt von der Anwendung ab. Für allgemeine Industrielager beträgt die zulässige Rundheitsabweichung in der Regel zwischen 1 µm und 5 µm. Für hochpräzise Anwendungen (z. B. in der Luft- und Raumfahrt) kann die zulässige Abweichung unter 0,5 µm liegen.

3. Frage: Warum weicht mein gemessener Rundheitswert von dem erwarteten Wert ab?
   Antwort: Mögliche Gründe sind Aufspannfehler, Temperaturunterschiede, Vibrationen während der Messung oder Fehler bei der Bearbeitung. Überprüfen Sie zuerst die Aufspannung des Bauteils und die Temperatur in der Messumgebung.

4. Frage: Eignet sich das GA-MV856 für die Bearbeitung von Lagerringen?
   Antwort: Das hängt von den Anforderungen ab. Das GA-MV856 hat eine Positioniergenauigkeit von 0,010 mm und eine Wiederholgenauigkeit von 0,006 mm. Es eignet sich für Lagerringe mit zulässigen Rundheitsabweichungen von mehr als 5 µm. Für höhere Anforderungen verwenden Sie das GA-UHD500 mit einer Positioniergenauigkeit von 0,006 mm.

5. Frage: Was ist der Unterschied zwischen Rundheit und Rundlauf?
   Antwort: Rundheit beschreibt die Abweichung der Oberfläche von einer perfekten Kreisform. Rundlauf beschreibt die Abweichung der gesamten Oberfläche von der Drehachse des Bauteils. Ein Bauteil kann eine gute Rundheit haben, aber einen schlechten Rundlauf, wenn es exzentrisch aufgespannt ist.

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