O-ring Groef - Design - Oppervlakte

Waarom oppervlakteafwerking zo bepalend is

Een O-ring dicht af door elastisch contact met twee oppervlakken: de gleufbodem en het tegenoppervlak. De afdichting werkt zolang de contactdruk van de ring hoger is dan de werkdruk van het medium. Die contactdruk wordt bepaald door de persing, de hardhheid van de ring en de kwaliteit van het oppervlak waarop de ring rust.

Bij hoge werkdrukken helpt de druk mee: hij perst de ring harder aan en overbrugt kleine oppervlaktefouten. Bij lage werkdrukken is de contactdruk van de ring beperkt en is de ring niet in staat kleine ruwheidspieken te omspannen. Juist bij lage drukken, bij vacuüm of bij het afdichten van gassen is de oppervlaktekwaliteit daarmee de meest kritische variabele in het ontwerp. Een goed geslepen afdichtingsvlak kan een kleine geometriefout in de gleuf compenseren. Een ruw of beschadigd afdichtingsvlak kan een perfect gedimensioneerde gleuf tenietdoen.

Vier keer strakker: het afdichtingsvlak bij dynamische toepassingen (Ra 0,4 µm) is vier keer strakker dan bij statisch (Ra 1,6 µm). Elke slag over een ruw vlak slijt de ring.

De drie oppervlakken en hun ruwheidseis

Bij O-ringsafdichtingen zijn er drie afzonderlijke oppervlakken die elk een eigen ruwheidseis hebben: het afdichtingsvlak (het tegenoppervlak waarop de ring afdicht), de gleufbodem (het vlak waarop de ring rust in de gleuf) en de gleufflanken (de zijwanden van de gleuf). De eisen lopen uiteen per oppervlak en per afdichtingstype.

Afdichtingsvlak

Het afdichtingsvlak stelt de strengste ruwheidseis. Dit is het oppervlak dat in direct contact staat met de buitenkant van de ring en waarlangs het medium wordt afgedicht. Bij statische toepassingen is Ra max. 1,6 µm vereist. Bij dynamische toepassingen, waarbij de ring bij elke slag over dit vlak schuift, is de eis vier keer strenger: Ra max. 0,4 µm. Bij pulserende druk, waarbij drukstoten de ring cyclisch tegen het vlak aanduwen, geldt Ra max. 0,8 µm. Beschadigingen zoals draaigroeven, krassen of krimpholten op het afdichtingsvlak zijn direct kritisch. Zelfs een fijne draaigroef in radiale richting vormt een aaneengesloten lekpad langs de omtrek van de ring.

Gleufbodem

De gleufbodem heeft een minder strenge eis dan het afdichtingsvlak, maar mag zeker niet worden behandeld als een niet-kritisch vlak. Bij statisch is Ra max. 3,2 µm voldoende. Bij dynamisch is dat Ra max. 1,6 µm. De gleufbodem is het vlak waarop de ring rust wanneer hij niet onder druk staat. Een te ruwe gleufbodem beschadigt de onderkant van de ring niet direct, maar geeft bij hogere drukken ongelijkmatige ondersteuning, wat leidt tot lokaal overmatige persing in de ruwheidspieken.

Gleufflanken

De gleufflanken zijn de minst kritische van de drie oppervlakken voor de afdichting zelf. Bij statisch is Ra max. 6,3 µm de norm. Bij dynamisch Ra max. 3,2 µm. Maar de gleufflanken zijn wel kritisch voor de montage: scherpe randen of bramen op de overgang van de flank naar het afdichtingsvlak beschadigen de ring bij het insteken. Controleer de flanken altijd op braamvorming na bewerking.

Ruwheidswaarden per afdichtingstype: volledige tabel

De tabel hieronder toont alle normatieve ruwheidswaarden uit de Anyseals-specificatie voor de drie oppervlakken en drie afdichtingstypen. Ra is de gemiddelde ruwheid, Rz de gemiddelde piekhoogte, Rmax de maximale piekhoogte.

Voor dagelijks gebruik is de compacte vergelijking op Ra-niveau het meest praktisch:

Beschadigingen die tot lekkage leiden

Naast de ruwheid zijn er specifieke beschadigingsvormen die altijd tot problemen leiden, ongeacht of de Ra-waarde binnen de norm valt. De norm stelt expliciet dat de afdichtingsvlakken vrij moeten zijn van de volgende beschadigingen.

Krassen: axiale of radiale krassen op het afdichtingsvlak vormen lekpaden langs de ring. Zelfs een haarfijne kras is kritisch bij gassen of bij lage drukken. Krassen zijn de meest voorkomende oorzaak van lekkage bij nieuw gemonteerde systemen.

Krimpholten: kleine holten in het oppervlak door gieten of lassen geven lokale onderbreking van het contact tussen ring en oppervlak. Zichtbaar als kleine putjes of blazen, soms alleen zichtbaar onder vergroting.

Diepe bewerkingssporen: een te hoge voeding bij het draaien of frezen laat spiraalvormige of lineaire sporen achter die Rmax fors overschrijden, ook als de gemiddelde Ra binnen de norm valt. Meet daarom altijd Rz of Rmax naast Ra.

Meten en controleren

Ra alleen is onvoldoende als controlecriterium. Een oppervlak kan een lage Ra-waarde hebben maar toch diepe, geïsoleerde krassen bevatten die Rmax fors overschrijden. Voor afdichtingsoppervlakken is het standaard om zowel Ra als Rz te meten, en bij kritische toepassingen ook Rmax.

De meting moet in de kritische richting worden uitgevoerd: voor cilindrische afdichtingsvlakken is de axiale richting (parallel aan de as) het meest kritisch, omdat krassen in die richting parallel lopen aan de ring en een continu lekpad kunnen vormen. Een meting in radiale richting geeft bij cilindrische vlakken een ander beeld dan de werkelijke afdichtingssituatie.