Độ nhám bề mặt định lượng các sai lệch hiển vi trong hình học của một bộ phận được gia công. Khi phóng to, ngay cả các bề mặt được gia công chính xác cũng sẽ lộ ra các đỉnh và thung lũng – những khuyết điểm nhỏ này tạo thành độ nhám bề mặt. Trong gia công CNC, đường đi của dụng cụ, cơ chế loại bỏ vật liệu và vô số biến số để lại các dấu vết đặc trưng ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ phận.

Thuộc tính vật lý có thể đo lường này mô tả các đặc tính kết cấu sau khi gia công sơ cấp hoặc các quy trình hoàn thiện (như phun cát hoặc đánh bóng). Các tiêu chuẩn quốc tế như ISO 21920-2:2021 xác định các thông số chính để định lượng các bất thường trên bề mặt.

Các nhà sản xuất dựa vào các số liệu tiêu chuẩn để đặc trưng kết cấu bề mặt:

• Ra (Độ nhám trung bình số học): Thông số phổ biến nhất đại diện cho độ lệch trung bình so với biên dạng bề mặt trung bình.
• Rz (Chiều cao trung bình tối đa): Đo sự khác biệt trung bình giữa các đỉnh cao nhất và các thung lũng sâu nhất trên các chiều dài lấy mẫu.
• Rp (Chiều cao đỉnh biên dạng tối đa): Xác định đỉnh cao nhất duy nhất so với đường trung bình.
• Rv (Độ sâu thung lũng biên dạng tối đa): Ghi lại thung lũng sâu nhất bên dưới đường trung bình.
• Lay (Hướng kết cấu bề mặt): Mô tả hướng chủ đạo của các mẫu bề mặt.

Trong số này, Ra (đo bằng micromet) đóng vai trò là tiêu chuẩn chung – các giá trị thấp hơn cho thấy bề mặt mịn hơn.

Độ nhám bề mặt ảnh hưởng sâu sắc đến nhiều khía cạnh của hiệu suất bộ phận:

• Đặc tính ma sát: Bề mặt thô ráp làm tăng ma sát tĩnh để bám tốt hơn, trong khi lớp hoàn thiện mịn hơn làm giảm ma sát động trong các bộ phận chuyển động.
• Độ bám dính của lớp phủ: Các thung lũng hiển vi tăng cường khả năng giữ lớp phủ bằng cách cung cấp các điểm neo cơ học.
• Chất lượng thẩm mỹ: Kết cấu bề mặt xác định các đặc tính phản xạ ánh sáng, ảnh hưởng đến vẻ ngoài trực quan từ lớp hoàn thiện mờ đến lớp hoàn thiện như gương.
• Chi phí sản xuất: Đạt được các giá trị Ra thấp hơn đòi hỏi tốc độ gia công chậm hơn, nhiều lần chạy và thường là các hoạt động thứ cấp – ảnh hưởng đáng kể đến kinh tế sản xuất.

Các cân nhắc bổ sung bao gồm độ dẫn điện, hiệu suất bịt kín, đặc tính vệ sinh và đặc tính quang học. Mức độ nhám tối ưu phụ thuộc hoàn toàn vào ứng dụng dự kiến của bộ phận.

Các quy trình CNC thường tạo ra độ nhám bề mặt từ 0,1 µm Ra (siêu mịn) đến 6,3 µm Ra (gia công tiêu chuẩn). Hầu hết các nhà sản xuất cung cấp bốn cấp độ tiêu chuẩn:

Lớp hoàn thiện thương mại mặc định này cho thấy các dấu vết dụng cụ có thể nhìn thấy nhưng cung cấp chức năng đầy đủ cho hầu hết các ứng dụng. Khuyến nghị cho các bộ phận kết cấu và các bộ phận không quan trọng, nơi lớp hoàn thiện bề mặt không ảnh hưởng đến hiệu suất.

Các ứng dụng điển hình: Khung máy, nắp động cơ ô tô, đồ gá dụng cụ công nghiệp.

Với các dấu vết dụng cụ mờ, cấp độ này phù hợp với các bộ phận chịu ứng suất và các bộ phận vừa khít. Đạt được thông qua các thông số cắt được tối ưu hóa, nó làm tăng chi phí khoảng 2,5% so với đường cơ sở.

Các ứng dụng điển hình: Thanh piston thủy lực, hộp số tốc độ thấp, ốc vít chính xác, vỏ điện tử.

Lớp hoàn thiện cao cấp này đòi hỏi gia công cẩn thận và các lần chạy hoàn thiện nhẹ. Lý tưởng cho các bộ phận động và các bộ phận chịu ứng suất, nó thường làm tăng 5% chi phí sản xuất.

Các ứng dụng điển hình: Bánh răng chính xác, van thủy lực, dụng cụ y tế, bộ phận trang sức.

Lớp hoàn thiện CNC tiêu chuẩn tốt nhất đòi hỏi gia công tỉ mỉ, thường được theo sau bởi việc đánh bóng. Cần thiết cho các bộ phận tốc độ cao và các giao diện quan trọng, cấp độ này có thể làm tăng chi phí lên đến 15%.

Các ứng dụng điển hình: Vòng bi hàng không vũ trụ, xi lanh khí nén, bộ phận quang học, khuôn chính xác.

Việc chọn giá trị Ra thích hợp đòi hỏi phải cân bằng ba yếu tố chính:

Xem xét các yêu cầu vận hành của bộ phận – cho dù nó yêu cầu ma sát tối thiểu, độ bám tối đa, độ bám dính lớp phủ tối ưu hay các đặc tính quang học cụ thể. Các bộ phận động thường được hưởng lợi từ lớp hoàn thiện mịn hơn, trong khi các cụm tĩnh có thể cần độ nhám được kiểm soát.

Đối với các bộ phận trang trí hoặc các bộ phận có thể nhìn thấy, kết cấu bề mặt ảnh hưởng đáng kể đến vẻ ngoài trực quan. Lớp hoàn thiện bóng cao (≤0,8 µm Ra) tạo ra các bề mặt phản chiếu, trong khi lớp hoàn thiện có kết cấu (≥1,6 µm Ra) tạo ra vẻ ngoài mờ.

Các giá trị Ra thấp hơn đòi hỏi nhiều thời gian gia công hơn, dụng cụ chuyên dụng và thường là các hoạt động thứ cấp. Đánh giá xem các lợi ích về hiệu suất có biện minh cho các chi phí sản xuất bổ sung cho ứng dụng cụ thể của bạn hay không.

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến lớp hoàn thiện bề mặt có thể đạt được:

• Tốc độ cắt: Tốc độ cao hơn thường cải thiện chất lượng hoàn thiện nhưng có thể làm tăng sinh nhiệt.
• Tốc độ nạp: Tốc độ nạp chậm hơn cho phép loại bỏ vật liệu chính xác hơn để có bề mặt mịn hơn.
• Chiều sâu cắt: Các lần chạy nông hơn giảm thiểu độ lệch và độ rung của dụng cụ.

• Hình học dụng cụ: Các cạnh cắt sắc nét với các góc nghiêng tối ưu tạo ra các vết cắt sạch hơn.
• Tình trạng dụng cụ: Dụng cụ bị mòn làm giảm chất lượng bề mặt và tăng độ nhám.
• Vật liệu dụng cụ: Vật liệu dụng cụ cứng hơn (cacbua, kim cương) duy trì độ sắc nét lâu hơn.

Độ rung của máy, gá đặt phôi và kiểm soát nhiệt độ đều ảnh hưởng đến kết cấu bề mặt. Ứng dụng chất làm mát thích hợp ngăn ngừa biến dạng nhiệt có thể ảnh hưởng đến chất lượng hoàn thiện.

Các đặc tính của phôi như độ cứng, độ giãn nở nhiệt và xu hướng làm cứng bề mặt ảnh hưởng đến lớp hoàn thiện bề mặt có thể đạt được. Một số vật liệu tự nhiên gia công mịn hơn những vật liệu khác.

Các hoạt động thứ cấp có thể tinh chỉnh thêm kết cấu bề mặt:

• Mài/Đánh bóng: Loại bỏ dần vật liệu để đạt được lớp hoàn thiện như gương.
• Phun bi: Tạo ra các kết cấu mờ đồng nhất thông qua va chạm mài mòn.
• Chải: Tạo ra lớp hoàn thiện satin định hướng bằng cách sử dụng bàn chải mài mòn.

Mặc dù thường được sử dụng thay thế cho nhau, nhưng các thuật ngữ này có ý nghĩa khác biệt:

• Độ nhám bề mặt: Mô tả định lượng các bất thường về kết cấu hiển vi (đo bằng Ra, Rz, v.v.)
• Lớp hoàn thiện bề mặt: Bao gồm cả kết cấu và tình trạng bề mặt tổng thể, bao gồm các phương pháp xử lý đã áp dụng (anodizing, mạ, sơn)

Một số kỹ thuật xác minh chất lượng kết cấu bề mặt:

• Máy đo biên dạng tiếp xúc: Sử dụng đầu dò bằng kim cương để theo dõi vật lý các đường viền bề mặt.
• Phương pháp không tiếp xúc: Sử dụng tia laser hoặc hệ thống quang học cho các bề mặt mỏng manh.
• Kính hiển vi lực nguyên tử: Cung cấp độ phân giải cấp nanomet cho các bề mặt siêu chính xác.
• Mẫu so sánh: Kết hợp trực quan với các mẫu độ nhám tiêu chuẩn.

Độ nhám bề mặt đại diện cho một khía cạnh quan trọng của chất lượng gia công CNC, ảnh hưởng đến hiệu suất chức năng, chi phí sản xuất và tính thẩm mỹ của sản phẩm. Bằng cách hiểu các thông số độ nhám, tiêu chí lựa chọn và phương pháp kiểm soát, các kỹ sư có thể tối ưu hóa các bộ phận cho các ứng dụng dự kiến của chúng. Việc chỉ định và xác minh thích hợp kết cấu bề mặt đảm bảo các bộ phận đáp ứng cả yêu cầu kỹ thuật và mong đợi về chất lượng.