Tìm hiểu về độ nhám bề mặt kim loại trong cơ khí

Đăng bởi: Tinh HàDanh mục: Tin kỹ thuật

Trong gia công cơ khí, có một khái niệm được gọi là độ nhám bề mặt, nó liên quan trực tiếp đến độ hoàn thiện bề mặt của chi tiết gia công.

Độ nhám bề mặt trong ngành cơ khí là gì?

Trên thực tế, các bề mặt chi tiết sau gia công đều có những điểm mấp mô mà mắt thường không thể nhìn thấy được. Biên độ của những mấp mô này là cực kỳ nhỏ nhưng lại có thể làm hỏng cả một sản phẩm. Lý do vì sao sẽ được nói trong những phần sau của bài viết này. Có một điều chắc chắn rằng để đảm bảo sản xuất hàng loạt, đặc biệt trong ngành cơ khí chính xác thì quá trình xác định độ nhám cho bề mặt chi tiết là công việc cần phải làm.

1. Độ nhám bề mặt là gì?

Độ nhám bề mặt (hay độ nhám) là đặc tính thể hiện độ gồ ghề ở mức độ siêu nhỏ của một bề mặt nào đó, có thể là kim loại, nhựa, cao su… Nếu tưởng tượng mặt cắt của một bề mặt lý tưởng là một đường thẳng theo phương nằm ngang thì độ nhám thể hiện độ lệch theo phương thẳng đứng của các điểm lồi lõm so với trục nằm ngang đó. Độ lêch của những điểm mấp mô này là cực kỳ nhỏ, cỡ chỉ micromet (µm).

Trong thực tế không có bề mặt phẳng một cách lý tưởng nên độ nhám của bề mặt sẽ tạo ra một đường biên dạng (đường bao) của bề mặt chi tiết. Độ nhám liên quan đến hệ số ma sát của bề mặt và khả năng tán xạ ánh sáng của bề mặt đó. Bởi vậy nên bề mặt có độ nhám càng nhỏ thì ma sát càng thấp và độ bóng càng cao.

2. Thông số độ nhám bề mặt

Độ nhám được đánh giá bằng độ nhấp nhô của profin – được tạo thành giữa giao tuyến của bề mặt thực chi tiết và mặt phẳng vuông góc với bề mặt thực. Hai thông số bao gồm sai lệch trung bình Ra và chiều cao nhấp nhô Rz sẽ được sử dụng để đưa ra kết luận.

Trước khi tìm hiểu định nghĩa của các thông số độ nhám Ra, Rz, chúng ta cần hiểu thêm các khái niệm sau:

  • Chiều dài chuẩn L: Là chiều dài lấy mẫu trên bề mặt chi tiết cần đo, tùy thuộc vào mức độ thô hoặc tinh của bề mặt mà chiều dài chuẩn L dài hay ngắn. Bề mặt càng nhám thì chiều dài chuẩn L càng dài và bề mặt càng nhẵn thì chiều dài chuẩn L sẽ càng ngắn.
  • Đường trung bình M: Là đường tham chiếu để đo độ lệch của các nhấp nhô trên đường biên dạng. Đường trung bình được xác định bằng điều kiện tổng bình phương độ chênh lệch (của các đỉnh nhấp nhô) so với đường này là nhỏ nhất.

Giá trị độ nhám có thể được tính trên một đường thẳng (mặt cắt biên dạng 2D) hoặc trên một diện tích bề mặt (dựa theo biên dạng 3D). Tuy nhiên trong bài viết này, chúng ta sẽ chỉ tập trung vào giá trị độ nhám trên đường thẳng (Ra, Rz) là những thông số được dùng phổ biến trong thực tế sản xuất. Những thông số đo độ nhám một vùng diện tích (Sz, Sz) thường chỉ được sử dụng trong những trường hợp quan trọng.

  • Sai lệch trung bình Ra (µm): là trung bình số học các giá trị tuyệt đối của profin (hi) trong khoảng chiều dài chuẩn (L). 
  • Chiều cao nhấp nhô Rz (µm): là giá trị trung bình của độ cao giữa các đỉnh và đáy trên đường biên dạng trong khoảng chiều dài chuẩn L. Theo tiêu chuẩn JIS (Rzjis) là trị số trung bình của tổng các giá trị tuyệt đối của chiều cao 5 đỉnh cao nhất và chiều sâu của 5 đáy thấp nhất của profin trong khoảng chiều dài chuẩn (L). 

độ nhám bề mặt

độ nhám bề mặt

Ngoài 2 chỉ số trên thì trong sản xuất người ta còn đánh giá độ nhám bề mặt chi tiết theo Rmax – chiều cao lớn nhất của mấp mô profin: được tính bằng khoảng cách giữa đỉnh cao nhất của phần lồi và đáy thấp nhất của phần lõm trong chiều dài chuẩn.

độ nhám bề mặt

Các thông số Ra – Rz – Rzjis thường sẽ có mối tương quan với nhau. Và thực tế trong bản vẽ chi tiết thường sẽ có kí hiệu về độ nhám/độ bóng bề mặt.

mối tương quan và kí hiệu cũng như yêu cầu về độ nhám bề mặt
Mối tương quan và kí hiệu cũng như yêu cầu về độ nhám bề mặt

Trên bản vẽ kỹ thuật, độ nhám bề mặt được thể hiện bằng những ký hiệu như sau:

ký hiệu độ nhám bề mặt

Không xác định phương pháp gia công

ký hiệu độ nhám bề mặt

Gia công cắt gọt

ký hiệu độ nhám bề mặt

Gia công không phoi

3. Tiêu chuẩn và cấp độ của độ nhám bề mặt

Theo TCVN 2511: 1995 quy định 14 cấp độ nhám dựa theo các trị số Ra và Rz, được thể hiện cụ thể trong bảng sau:

Chất lượng bề mặt Cấp độ nhám Ra  (µm) Rz  (µm) Chiều dài chuẩn L (mm)
Thô 1 Từ 80 đến 40 Từ 320 đến 160 8
2 Dưới 40 đến 20 Dưới 160 đến 80
3 20 – 10  80 – 40
4 10 – 5 40 – 20 2.5
Bán tinh 5 5 – 2.5 20 – 10
6 2.5 – 1.25 10 – 6.3 0.8
7 1.25 – 0.63 6.3 – 3.2
Tinh 8 0.63 – 0.32 3.2 – 1.6
9 0.32 – 0.16 1.6 – 0.8 0.25
10 0.16 – 0.08 0.8 – 0.4
11 0.08 – 0.04 0.4 – 0.2
Siêu tinh 12 0.04 – 0.02 0.2 – 0.1
13 0.02 – 0.01 0.1 – 0.05 0.08
14 0.01 – 0.005 0.05 – 0.025

Trị số nhám Ra, Rz càng nhỏ thì bề mặt chi tiết càng nhẵn. Tùy thuộc vào những yêu cầu cụ thể về chất lượng và đặc tính kết cấu của bề mặt mà sẽ lựa chọn chỉ tiêu Ra và Rz phù hợp. Thông thường những bề mặt có tiếp xúc yêu cầu thông số nhám có trị số nhỏ, các bề mặt không tiếp xúc có thể được yêu cầu với trị số độ nhám lớn hơn. Độ chính xác kích thước chi tiết càng cao thì yêu cầu trị số độ nhám càng nhỏ.

Trong sản xuất, chỉ tiêu Ra thường được dùng để đánh giá độ bán thô – tinh (cấp độ từ 5 – 11), còn chỉ tiêu Rz để đánh giá độ thô và siêu tinh (cấp 1 đến 4 và cấp 12 đến 14), bởi nó mang lại độ chính xác cao hơn. Chỉ số Rz còn được dùng trong những trường hợp không thể kiểm tra trực tiếp thông số Ra, chẳng hạn những bề mặt kích thước nhỏ hoặc có profin phức tạp.

Hai bề mặt chi tiết khác nhau có cùng độ nhám nhưng hình dạng profin có thể khác nhau.

Bề mặt có cùng độ nhám nhưng biên dạng khác nhau.
Bề mặt có cùng độ nhám nhưng biên dạng khác nhau.

4. Độ nhám bề mặt tương ứng với dung sai và kích thước

Độ nhám bề mặt còn liên quan đến dung sai kích thước và dung sai hình dạng của chi tiết, có thể xem trong bảng sau:

Cấp chính xác kích thước Dung sai hình dạng theo % của dung sai kích thước Kích thước danh nghĩa (mm)
Đến 18 Trên 18 đến 50 Trên 50 đến 120 Trên 120 đến 500
Giá trị Ra (µm) không lớn hơn
1 T3 100 0.2 0.4 0.4 0.8
60 0.1 0.2 0.2 0.4
40 0.05 0.1 0.1 0.2
1 T4 100 0.4 0.8 0.8 1.6
60 0.2 0.4 0.4 0.8
40 0.1 0.2 0.2 0.4
1 T5 100 0.4 0.8 1.6 1.6
60 0.2 0.4 0.8 0.8
40 0.1 0.2 0.4 0.4
1 T6 100 0.8 0.6 1.6 3.2
60 0.4 0.8 0.8 1.6
40 0.2 0.4 0.4 0.8
1 T7 100 1.6 3.2 3.2 3.2
60 0.8 1.6 1.6 3.2
40 0.4 0.8 0.8 1.6
1 T8 100 3.2 3.2 3.2 3.2
60 1.6 1.6 3.2 3.2
40 0.8 0.8 1.6 1.6
1 T9 100;  60 3.2 3.2 6.3 6.3
40 1.6 3.2 3.2 6.3
25 0.8 1.6 1.6 3.2
1 T10 100; 60 3.2 6.3 6.3 6.3
40 1.6 3.2 3.2 6.3
25 0.8 1.6 1.6 3.2
1 T11 100; 60 6.3 6.3 12.5 12.5
40 3.2 3.2 6.3 6.3
25 1.6 1.6 3.2 3.2
1 T12 100; 60 12.5 12.5 25 25
1 T13 40 6.3 6.3 12.5 12.5

Nếu dung sai tương đối về hình dạng nhỏ hơn giá trị chỉ dẫn trong bảng thì giá trị Ra không lớn hơn 0,15 giá trị dung sai hình dạng.

Trong trường hợp cần thiết, theo yêu cầu chức năng của chi tiết có thể lấy giá trị Ra nhỏ hơn chỉ dẫn trong bảng.

5. Độ nhám bề mặt quan trọng như thế nào?

Vì độ nhám có quan hệ mật thiết tới hệ số ma sát của bề mặt nên nó ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng chuyển động của các bề mặt tiếp xúc động với nhau. Độ nhám càng lớn, càng dễ khiến chi tiết cơ khí bị mòn nhanh hơn, dễ sinh nhiệt hơn. Nó cũng liên quan tới hiệu suất của một chi tiết cơ khí, khi mà độ nhám có thể là yếu tố khiến những vết nứt gãy trên bề mặt chi tiết được sinh ra, làm giảm độ bền và khả năng chịu tải của bộ phận.

Độ nhám bề mặt cũng là yếu tố liên quan đến khả năng chống ăn mòn bởi hóa chất. Khi mà những mấp mô trên bề mặt sản phẩm sẽ khiến hóa chất dễ bám dính và phản ứng với vật liệu của chi tiết hơn. Mặt khác, độ nhám bề mặt cũng tăng độ bám dính, bề mặt càng nhẵn thì càng giảm khả năng bám dính của lớp phủ. Tuy vậy độ nhám tăng thì nó lại tăng khả năng cầm nắm, gá đặt cho sản phẩm.

Trong một số bộ phận, chẳng hạn như hệ thống laser công suất cao thì độ nhám bề mặt còn ảnh hưởng tới khả năng tán xạ và hấp thụ ánh sáng, có thể gây ảnh hưởng tới hoạt động của sản phẩm. Ngoài ra, độ nhám bề mặt cũng liên quan đến tính thẩm mỹ và khả năng làm sạch của sản phẩm. Một bề mặt sáng bóng thường trông đẹp hơn, cũng như dễ lau chùi hơn nhiều.

6. Nguyên nhân gây ra độ nhám bề mặt

Độ nhám bề mặt được hình thành bởi có sự phân tách hoặc kết hợp của các hạt rất nhỏ trên bề mặt của chi tiết.

Sự phân tách của các hạt thường xảy ra trong gia công cắt gọt, khi lưỡi cắt của dụng cụ lấy đi một phần vật liệu và tạo thành các rãnh nhỏ trên bề mặt. Các rung động của hệ thống, chế độ cắt và thông số hình học của dụng cụ cắt sẽ tạo ra các đường rãnh với những độ nông sâu khác nhau tạo nên bề mặt có kết cấu nhấp nhô.

Sự kết hợp của các hạt kèm với biến dạng dẻo của bề mặt thường xảy ra trong  gia công định hình (đúc, rèn) và sản xuất bồi đắp (in 3D), do không có sự đồng đều một cách tuyệt đối trong sự giãn nở và kết hợp của các hạt vật liệu với nhau, do đó cũng tạo nên độ nhám cho bề mặt.

7. Các phương pháp kiểm tra độ nhám bề mặt

Có ba phương pháp được sử dụng để kiểm tra độ nhám bề mặt là phương pháp so sánh mẫu và dùng các máy đo độ nhám.

7.1 Phương pháp so sánh mẫu

Mẫu so sánh bề mặt.
Mẫu so sánh bề mặt

Phương pháp kiểm tra độ nhám này được thực hiện qua tìm dò hoặc bằng mắt, với chi tiết gia công được so sánh với một mẫu bề mặt tiêu chuẩn. Tuy nhiên hiện nay, phương pháp này đã ít được sử dụng hơn trong thực tế. Điều kiện để thực hiện phương pháp so sánh mẫu là mẫu so sánh và chi tiết gia công phải cùng vật liệu và cùng phương pháp gia công, ví dụ như tiện theo chiều dọc. So sánh tìm dò được thực hiện với móng tay hoặc miếng nhỏ bằng đồng. So sánh bằng mắt sẽ thuận lợi hơn khi nhìn đúng góc chiếu của ánh sáng và sử dụng kính lúp.

7.2 Sử dụng thiết bị đo độ nhám

Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ-410 series 178

Các loại máy đo độ nhám thực hiện quá trình đo độ nhám bằng phương pháp đo biên dạng (phương pháp cắt tìm dò), ghi lại sự mấp mô của bề mặt bằng một đầu dò có độ nhạy cao.

Một đầu kim của máy đo độ nhám sẽ dò trên bề mặt của chi tiết cần đo, khi cho chi tiết dịch chuyển với một tốc độ nhất định, thì đầu dò kim sẽ có những dịch chuyển theo chiều vuông góc với bề mặt chi tiết. Do bề mặt có những mấp mô và độ nhạy của đầu dò là rất cao nên đường bao (hay biên dạng) của bề mặt chi tiết sẽ được ghi lại thành biểu đồ tương ứng. Dựa vào biểu đồ này mà có thể xác định được độ nhám bề mặt chi tiết.

độ nhám bề mặt

7.3 Sử dụng máy đo quang học

Một cách đo độ nhám bề mặt khác bằng phương pháp đo không tiếp xúc là sử dụng máy đo quang học. Ánh sáng có thể được sử dụng để xác định độ nhám bề mặt, bằng cách chiếu chùm tia laser lên bề mặt và kiểm tra cường độ ánh sáng phản xạ, có thể cho ra kết quả độ nhám. Bởi như chúng ta đã biết, độ nhám liên quan đến khả năng tán xạ ánh sáng, bề mặt càng nhám thì ánh sáng bị phân tán càng nhiều, cường độ phản xạ càng thấp.

8. Máy đo độ nhám hoạt động như thế nào

8.1 Máy đo độ nhám là gì?

Máy đo độ nhám
Một máy đo độ nhám thời kỳ đầu

Máy đo độ nhám là thiết bị được sử dụng để đo các giá trị đánh giá độ nhám bề mặt Ra, Rz theo các đơn vị micromet (µm) hoặc micron (mm) nhằm xác định độ hoàn thiện bề mặt của chi tiết. 

Máy đo độ nhám cho phép người dùng nhanh chóng xác định được độ nhám bề mặt vật liệu. Việc đo độ nhám cũng khá dễ dàng với những máy đo độ nhám tiên tiến hiện nay. Đầu đo của máy đo tiếp xúc với bề mặt chi tiết trong vài giây và hiển thị ngay ra giá trị độ nhám bằng Ra hoặc Rz. Hiện tại, các máy đo độ nhám của Mitutoyo đang được rất nhiều đơn vị lựa chọn.

Các máy đo độ nhám thường làm việc với phương pháp đo biên dạng (phương pháp cắt tìm dò), ghi lại sự sai lệch của bề mặt với một đầu nhọn tìm dò bằng kim cương.

8.2 Cấu tạo máy đo độ nhám

máy đo độ nhám

Một máy đo độ nhám về cơ bản có cấu tạo bao gồm những bộ phận chính như sau:

  • Đầu đo: gắn liền với thân máy, là bộ phận tiếp xúc trực tiếp với bề mặt chi tiết cần đo để có thể ghi lại những sai lệch trên bề mặt.
  • Thân máy: bao gồm các cơ cấu dẫn hướng điều chỉnh đầu đo, cảm biến nhận và xử lý các tín hiệu từ đầu dò.
  • Màn hình hiển thị: thể hiện các thông số kết quả đo được về mức độ nhám của bề mặt chi tiết.

đầu do máy đo độ nhám

Đầu đo của máy đo độ nhám thường bao gồm một đầu nhọn tìm dò, gắn trên đầu của một con trượt di động. Hình dạng lý tưởng của đầu nhọn tìm dò là một hình côn (60° hoặc 90°) với đỉnh tròn có bán kính r ở mức µm.

hệ thống tìm đo bằng mặt chuẩn

Phần thân của máy đo độ nhám thường có một hệ thống tìm dò với mặt chuẩn, bao gồm một thanh dẫn hướng rất chính xác. Trong hệ thống dẫn tiến tạo thành mặt chuẩn, qua việc điều chỉnh độ nghiêng, mặt chuẩn được điều chỉnh song song so với bề mặt của chi tiết cần đo. Qua chuyển động tương đối của đầu tìm dò so với mặt chuẩn, người ta có thể đo tất cả các thông số độ nhám, độ sóng và các thành phần của sự sai lệch hình dạng.

8.3 Cách thức hoạt động của máy đo độ nhám

Để thực hiện các phép đo độ nhám của bề mặt, đầu đo sẽ di chuyển ngang qua bề mặt chi tiết với tốc độ chậm không đổi. Khi đầu đo được đặt di chuyển theo chiều ngang, nó cũng di chuyển lên xuống theo chiều dọc, áp sát và chép định hình theo biên dạng của bề mặt chi tiết. Chuyển động dọc được chuyển đổi thành tín hiệu điện tử thể hiện giá trị độ nhám trung bình hoặc biên dạng bề mặt chi tiết.

Các máy đo độ nhám sẽ sử dụng một mặt chuẩn làm tham chiếu danh nghĩa để đối chiếu với các độ lệch được đo. Đầu ra là một biểu đồ đường viền (đường bao) bề mặt dọc theo đường ngang của đầu đo. Đồng thời thiết bị cũng tính toán một giá trị độ nhám trung bình duy nhất Ra. Giá trượt hay thanh dẫn hướng giúp thiết lập mặt phẳng tham chiếu danh nghĩa. Các giá trượt này hoạt động như một màng lọc cơ học để làm giảm ảnh hưởng của độ gợn sóng trên bề mặt.

9. Làm sao cải thiện độ nhám bề mặt trong gia công cơ khí

Trong gia công cơ khí, độ nhám bề mặt ảnh hưởng nhiều bởi hệ thống máy CNC, dụng cụ cắt và chế độ cắt. Dưới đây là những thay đổi trong quá trình gia công có thể giúp giảm độ nhám bề mặt, tăng độ hoàn thiện cho bề mặt chi tiết gia công của bạn.

  • Tăng tốc độ cắt, giảm bước tiến dao.
  • Giảm rung động và độ đảo của dụng cụ cắt.
  • Sử dụng các dụng cụ cắt phù hợp và có chất lượng cao.
  • Sử dụng dầu tưới nguội trong quá trình cắt.
  • Đảm bảo thoát phoi một cách trơn tru.
  • Lựa chọn phương pháp cắt và đường chạy dao phù hợp.

Đồng thời, để khiến cho bề mặt gia công được bóng mịn hơn, với độ nhám cực kỳ nhỏ, chúng ta có thể sử dụng các phương pháp như đánh bóng bề mặt. Ngược lại để tăng độ nhám bề mặt có thể dùng biện pháp phun cát, lăn nhám. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng của chi tiết sản phẩm, ứng dụng thực tế của nó mà bề mặt chi tiết sẽ được gia công chế tạo với các mức độ nhám phù hợp.

Công ty TNHH Thương Mại Dịch Vụ Tinh Hà là đại lý ủy quyền Mitutoyo tại Việt Nam, các bạn có thể tìm hiểu thêm nhiều dòng máy đo độ nhám Mitutoyo tại đây. Liên hệ ngay với Tinh Hà để được tư vấn, hỗ trợ và báo giá các dòng máy đo độ nhám Mitutoyo chính hãng.