Unterschied Ra und Rz: gleiche Zahl, zwei völlig verschiedene Oberflächen

Ra vs Rz ist keine Frage von Genauigkeit gegen Bequemlichkeit: Die beiden Kennwerte sehen unterschiedliche Dinge, und eine Oberfläche kann bei dem einen bestehen und beim anderen katastrophal versagen. Zwei Teile können denselben Ra tragen, von unterschiedlichen Maschinen kommen — und nur eines davon dichtet ab. Wenn auf Ihrer Zeichnung „Ra 1,6" steht und sonst nichts, haben Sie nicht die Oberfläche spezifiziert, sondern einen Mittelwert.

Das ist nicht nur technisch relevant, sondern kaufmännisch. Die Oberflächenbeschaffenheit gehört zu den häufigsten Ablehnungsgründen für zerspante und gegossene Teile im Wareneingang, und gestritten wird fast immer darüber, welcher Kennwert, wie gemessen, über welche Strecke.

Unterschied Ra und Rz: Was jeder Kennwert tatsächlich misst

Ra, der Mittenrauwert, ist das arithmetische Mittel der Beträge der Profilabweichungen von der Mittellinie über die Auswertelänge. Er ist ein Mittelwert. Jede Spitze und jedes Tal geht flächenanteilig ein, deshalb bewegt ein einzelner tiefer Kratzer auf einer ansonsten glatten Oberfläche die Zahl kaum.

Rz, die gemittelte Rautiefe, ist ein Spitze-Tal-Kennwert: der Mittelwert der größten Spitze-Tal-Höhen aus jeweils fünf aufeinanderfolgenden Einzelmessstrecken. Er wird von den Extremwerten dominiert. Ein tiefer Kratzer innerhalb einer Einzelmessstrecke verändert den Rz sofort.

Dieser Unterschied darin, was sie sehen, ist die ganze Geschichte:

Derselbe Ra, zwei unterschiedliche Teile

Stellen Sie sich zwei Profile vor, gemessen an zwei Wellen, beide mit Ra 1,3 µm spezifiziert.

Die erste ist eine gleichmäßig geschliffene Oberfläche: konstante, annähernd periodische Textur, Spitzen und Täler von ähnlicher Größe. Ihr Rz liegt bei etwa 4 µm. Das Verhältnis von Rz zu Ra liegt nahe 3.

Die zweite ist über den größten Teil ihrer Länge glatter als die erste, trägt aber eine Handvoll vereinzelter Kratzer von rund 12 µm Tiefe, verursacht von einem Span, der beim Finishen mitgeschleift wurde. Über die Auswertelänge gemittelt tragen diese wenigen Täler wenig bei — der Ra liest sich weiterhin mit etwa 1,3 µm. Der Rz liegt bei rund 12 µm, ein Verhältnis nahe 10.

Beide Teile erfüllen einen Zeichnungsvermerk „Ra 1,3 µm max". Legen Sie auf jedes einen O-Ring, und nur das erste dichtet ab: Die Kratzer des zweiten laufen quer über die Dichtlinie und geben dem Medium einen Weg. Deshalb werden Dichtflächen, Hydraulikbauteile und dauerfestigkeitskritische Flächen mit Rz spezifiziert — oder mit beiden Kennwerten — statt mit Ra allein. Es ist dieselbe Problemklasse wie beim Toleranzkettenaufbau, bei dem jedes Einzelteil im Toleranzfeld misst und die Baugruppe trotzdem versagt.

Warum es keinen Umrechnungsfaktor gibt

Sie werden Rz ≈ 4 × Ra als Faustregel zitiert finden, manchmal auch Rz ≈ 7 × Ra. Beides sind Beobachtungen zu bestimmten Fertigungsverfahren, keine Umrechnungen — und genau die Annahme, die die zweite Welle oben bricht.

Das Verhältnis hängt davon ab, wie die Oberfläche entstanden ist:

Eine Umrechnungstabelle kann die Information nicht zurückholen, die der Ra verworfen hat. Verlangt die Zeichnung des Kunden Rz, dann messen Sie Rz; aus Ihrem Ra-Messwert umzurechnen und das Ergebnis zu berichten, ist eine Aussage, die Ihr Prüfbericht nicht trägt — und so etwas kommt eher im Lieferantenaudit ans Licht als in der Fertigung.

Die Grenzwellenlänge, die niemand angibt

Hier ist der Punkt, der aus einem Spezifikationsstreit eine zweiwöchige E-Mail-Kette macht: Dieselbe physische Oberfläche liefert unterschiedliche Ra-Werte, je nachdem, mit welcher Filter-Grenzwellenlänge gemessen wird.

Das gemessene Profil enthält sowohl Rauheit (kurze Wellenlängen) als auch Welligkeit (lange Wellenlängen). Ein Filter, die Profil-Grenzwellenlänge λc, trennt beides. Wählen Sie eine größere Grenzwellenlänge, zählt mehr Welligkeit als Rauheit und der Ra steigt. Die genormten Regeln zur Einzelmessstrecke koppeln λc an den erwarteten Rauheitsbereich — λc 0,8 mm ist der übliche Vorgabewert für den mittleren Bereich —, aber „üblich" leistet in diesem Satz sehr viel Arbeit.

Eine vollständige Oberflächenangabe braucht deshalb mindestens:

1. Den Kennwert — Ra, Rz oder beide, jeweils mit eigenem Grenzwert
2. Den Grenzwert und seine Richtung — Maximum oder ein Max/Min-Paar
3. Die Grenzwellenlänge λc und die Auswertelänge, sofern sie nicht dem Vorgabewert des Bereichs entsprechen
4. Die Rillenrichtung — die Richtung des dominierenden Oberflächenmusters, denn Rauheit wird quer zur Rillenrichtung gemessen, und ein Tastschnitt längs dazu liefert eine deutlich niedrigere Zahl
5. Die Fläche, für die sie gilt — die konkrete Fläche, nicht das ganze Teil

Fehlt einer dieser Punkte, können zwei ehrliche Labore dasselbe Teil messen und um den Faktor zwei auseinanderliegen.

Was sich 2021 geändert hat

Im Dezember 2021 hat die Normenreihe ISO 21920 die Normen ISO 4287, ISO 4288, ISO 1302 sowie Teile von ISO 13565 für die profilbasierte Oberflächenbeschaffenheit formal ersetzt. Wenn Ihre Zeichnungsvorlage für das Oberflächensymbol noch ISO 1302 zitiert, zitiert sie ein zurückgezogenes Dokument.

Zwei praktische Konsequenzen:

• Ra wird jetzt einmal über die gesamte Auswertelänge berechnet, während Rz weiterhin der Mittelwert aus fünf Einzelmessstrecken ist. Nach den alten Definitionen war die Reihenfolge der Rechenschritte eine andere, deshalb kann ein nachgemessenes Altteil einen leicht abweichenden Ra ausweisen, ohne dass sich am Teil irgendetwas geändert hätte. Bei Profilen mit Formabweichung ist der Unterschied nicht immer klein.
• Die Zeichnungsangabe hat sich geändert. Alte Symbole erscheinen weiterhin auf Bestandszeichnungen und bleiben lesbar, neue Zeichnungen sollten aber ISO 21920-1 folgen.

Daneben gibt es ein Parallelsystem, das man auseinanderhalten muss: Nordamerikanische Zeichnungen verweisen häufig auf ASME B46.1, die einen eigenen Kennwertsatz definiert und sich historisch darin von ISO unterschied, wie Rz abgeleitet wurde. Alte deutsche Zeichnungen können „Rz DIN" tragen, was ebenfalls nicht identisch mit dem ISO-Rz ist. Wenn eine Zeichnung Rz fordert, aber nicht sagt, nach welcher Norm, fragen Sie vor der Kalkulation nach — dieselbe Regel gilt für Maßtoleranzen am Produkt allgemein.

So schreiben Sie eine Oberflächenangabe, die angenommen wird

Eine Oberflächenspezifikation, die den Wareneingang übersteht, liest sich so:

Dichtfläche A: Rz 6,3 µm max, Ra 1,6 µm max, λc 0,8 mm, Rillenrichtung senkrecht zur Achse, nach ISO 21920-1.

Vergleichen Sie das mit einem „Ra 1,6", das irgendwo in einem allgemeinen Hinweis steht: Es ist offensichtlich, welche der beiden Angaben die Qualitätsabteilung eines Kunden ohne Rückruf annehmen kann.

Checkliste für die Oberflächenspezifikation

• Kennwert ausdrücklich benannt (Ra, Rz oder beide), nicht nur eine Zahl
• Norm und Ausgabe zitiert (ISO 21920-1 oder ASME B46.1)
• Grenzwellenlänge λc angegeben, wenn sie nicht dem Vorgabewert des Bereichs entspricht
• Rillenrichtung mit dem korrekten Symbol dargestellt
• Angabe an eine konkrete Fläche gebunden, nicht standardmäßig auf das ganze Teil angewandt
• Unterschiedliche Anforderungen für unterschiedliche Flächen getrennt dargestellt
• Messrichtung vereinbart, wenn die Teilegeometrie sie mehrdeutig macht
• N-Klassen (N1–N12) in µm übersetzt, falls eine Bestandszeichnung sie verwendet

An der Zeile „an eine konkrete Fläche gebunden" scheitern die meisten Datenblätter. Ein allgemeiner Hinweis für das ganze Teil überspezifiziert entweder jede Fläche, was Ihre Kosten treibt, oder lässt die kritische Fläche offen, was Ihr Risiko treibt. Die Abhilfe ist geometrisch: Die Oberflächenangabe gehört an eine Hinweislinie, die auf die tatsächliche Fläche in der Zeichnung zeigt, neben die Maße, die sie festlegen — was voraussetzt, dass die Zeichnung echte, gemessene Geometrie trägt statt einer dekorativen Illustration. Software, die Maße an den realen Kanten einrastet und jede Angabe auf dem Element platzieren lässt, für das sie gilt, erzeugt etwas, mit dem ein Qualitätsingenieur arbeiten kann; ein nachgezeichnetes oder generiertes Bild erzeugt ein Bild eines Teils mit Zahlen, die daneben schweben. Dasselbe Prinzip gilt, wenn Sie Pulverbeschichtung und Korrosionsanforderungen spezifizieren — und es ist der Unterschied zwischen einem brauchbaren Datenblatt und einem Prospekt.

Häufige Fragen

Was ist der Unterschied zwischen Ra und Rz?

Ra ist das arithmetische Mittel der Profilabweichungen von der Mittellinie, beschreibt also die Gesamttextur und wird von vereinzelten Fehlstellen kaum beeinflusst. Rz ist der Mittelwert der fünf größten Spitze-Tal-Höhen über die Auswertelänge und wird damit von den tiefsten Tälern und höchsten Spitzen dominiert. Zwei Oberflächen mit demselben Ra können sehr unterschiedliche Rz-Werte haben — und die mit dem höheren Rz ist die, die leckt.

Wie rechnet man Rz in Ra um?

Gar nicht. Das Verhältnis der beiden hängt vom Charakter der Oberfläche ab und reicht von etwa 3 bei einer gleichmäßig geschliffenen Fläche bis deutlich über 10 bei einer Fläche mit vereinzelten Kratzern. Faustregeln wie Rz ≈ 4 × Ra beschreiben bestimmte Verfahren und versagen genau dort, wo der Unterschied zählt. Fordert die Zeichnung Rz, messen Sie Rz.

Was ist besser, Ra oder Rz?

Keiner ist besser; sie beantworten unterschiedliche Fragen. Nutzen Sie Ra, um allgemeine Textur und Prozesskonstanz der Zerspanung zu kontrollieren. Nutzen Sie Rz dort, wo ein einzelnes tiefes Tal zum Ausfall führt — Dichtflächen, dauerfest belastete Flächen, Beschichtungshaftung, Lagersitze. Kritische Teile werden oft mit beiden Kennwerten spezifiziert.

Gilt ISO 1302 noch für Oberflächensymbole?

Nein. Die Normenreihe ISO 21920 hat ISO 4287, ISO 4288 und ISO 1302 im Dezember 2021 ersetzt, und die Zeichnungsangabe folgt jetzt ISO 21920-1. Ältere Zeichnungen mit Symbolen nach ISO 1302 bleiben lesbar und im Umlauf, aber eine neue Zeichnung, die ISO 1302 zitiert, zitiert eine zurückgezogene Norm.

Warum messen zwei Labore am selben Teil unterschiedliche Ra-Werte?

Meist liegt es an der Grenzwellenlänge des Filters, der Auswertelänge oder der Messrichtung. Rauheit wird quer zur Rillenrichtung gemessen; ein Tastschnitt längs dazu liest deutlich niedriger. Eine größere Grenzwellenlänge λc lässt mehr Welligkeit als Rauheit zählen und hebt den Ra an. Kennwert, Grenzwellenlänge und Rillenrichtung auf der Zeichnung anzugeben, beseitigt fast diesen gesamten Dissens.

Quellen und Referenzen

• Unterschiede zwischen ISO 4287 und ISO 21920 — Kennwertdefinitionen und Änderungen der Berechnung
• Rauheit nach ISO 21920 — die Ablösung von ISO 4287, 4288, 1302 und Teilen von 13565 im Jahr 2021
• Oberflächenrauheit — Ra, Rz und verwandte Profilkennwerte
• ASME B46.1 — Oberflächenbeschaffenheit (Rauheit, Welligkeit und Rillenrichtung)
• Was ist ASME B46.1 — Anwendungsbereich und Bezug zum ISO-Kennwertsatz