Chất lượng bề mặt (CLBM) gia công như một tiêu chí đánh giá tính gia công của vật liệu. Chất lượng bề mặt càng tốt thì vật liệu càng dễ gia công. Trong thực tế, chất lượng bề mặt của chi tiết máy có ý nghĩa quan trọng để dảm bảo tuổi thọ của chúng. CLBM chi tiết máy ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất ma sát trong vùng làm việc; đến khá năng chống mài mòn cơ học; chống ăn mòn hóa,... CLBM còn ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu tải trọng va đập, đến độ bền mỏi,... của chi tiết máy. Chất lượng bề mặt chi tiết gia công chịu ảnh hưởng rất lớn bởi phương pháp, qúa trình và chế độ công nghệ gia công.
Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt bao gồm: + Độ nhám bề mặt hay còn gọi là độ nhấp nhô tế vi + Độ sóng bề mặt.
+ Độ cứng tế vi hay cấu trúc tế vi lớp bề mặt + Ứng suất dư bề mặt
Đánh giá tính gia công theo chất lượng bề mặt thường được sử dụng khi gia công tinh. [7]
Mặt cắt ngang cấu trúc bề mặt chi tiết được tạo thành bởi quá trình gia công cho ở (hình 1.9).
Hình 1. 9 Cấu trúc tế vi lớp bề mặt gia công
Chất lượng bề mặt được cấu thành bởi tính chất hình học tế vi lớp bề măt (cấu trúc bề mặt -Surface texture), tính chất cơ lý lớp bề mặt gồm lớp hư hỏng bề mặt (Surface integrity) và thay đổi cấu trúc tế vi (Microstructural transformations). Cấu trúc lớp bề mặt và tính chất cơ lý lớp bề mặt phải được đảm bảo và kiểm soát được trong suốt quá trình gia công.
Trong quá trình cắt, lưỡi cắt của dụng cụ cắt tác động vào bề mặt gia công tạo thành phoi đồng thời hình thành những vết xước cực nhỏ trên bề mặt gia công gọi là độ nhám bề mặt.
Độ nhám bề mặt (độ nhấp nhô tê vi) là tập hợp tất cả những bề mặt lồi, lõm với bước cực nhỏ và được quan sát trên một khoảng ngắn tiêu chuẩn.
1.3.6.1 Cấu trúc bề mặt (Surface texture)
Cấu trúc bề mặt liên quan đến những yếu tố về hình học đến bề mặt gia công. Cấu trúc bề mặt gồm Profin bề mặt (nhám bề mặt; sóng bề mặt) và các lỗi hình dáng trên bề mặt như vết gia công (Lay), các vết nứt, vết cào xước,v.v. như hình 1.10.
a. Profin bề mặt(surface profile)
+ Nhám bề mặt (Surface roughness): tập hợp các mập mô bề mặt quan sát trong khoảng ngắn tiêu chuẩn (theo TCVN TCVN 5120 : 2007: Profin độ nhám (roughness profile)là Profile thu đƣợc từ profin ban đầu bằng cách loại bỏ thành phần sóng dài thông qua sử dụng bộ lọc profin λc)..
+ Sóng bề mặt (Waviness): Độ không bằng phẳng của bề mặt quan sát trong khoảng lớn tiêu chuẩn (theo TCVN TCVN 5120 : 2007: Profin độ sóng (waviness profile) là Profin thu được bằng các ứng dụng tiếp sau của bộ lọc profin λf và bộ lọc profin λc đối với profin ban đầu, bằng cách loại bỏ thành phần sóng dài nhờ bộ lọc profin λf và loại bỏ thành phần sóng ngắn nhờ bộ lọc profin (λc).
- Các lỗi hình dáng: các vết gia công (Lay); vết nứt, khuyết tật (Flaws); vết chầy xước (cracks),v.v.
b. Tiêu chuẩn Quốc gia về nhám bề mặt
Tiêu chuẩn Quốc gia đặc tính hình học của sản phẩm – Nhám bề mặt: các thuật ngữ, định nghĩa và các thông số nhám bề mặt được quy định trong TCVN 5120 : 2007 (ISO 4287 : 1999); phương pháp Profin quy định trong TCVN 2511: 2007 (ISO 12085 : 1996); cách ghi nhám bề mặt trên tài liệu kỹ thuật của sản phẩm quy định trong TCVN 5707 : 2007 (ISO 1302 : 22002).
Hai thông số thường dùng để đánh giá nhám bề mặt gồm:
- Sai lệch trung bình cộng của profin được đánh giá Ra (Hình 1.11). Ra được xác định theo công thức: (1.14)
Lm là chiều dài đo nhám, được quy định theo tiêu chuẩn quốc tế. Thực tế nhám là đại lượng không liên tục, phép tính tích phân (2.1) được thay bằng phép cộng số để tính Ra:
(1.15) - n là chỉ số nhấp nhô có giá trị đo yi.
Đơn vị đo chiều cao nhấp nhô là m hoặc -in do kích thước nhấp nhô thường rất bé. Khi đo nhám theo Ra, quy định đo ngắt đoạn (Cutoff length) trên khoảng 1:5 chiều dài chuẩn để kết quả đo không bị ảnh hưởng bởi các đỉnh lượn sóng trên bề mặt.
Theo TCVN 2511-1995 quy định, nhám bề mặt có14 cấp độ (bảng 1.1). Chất lượng bề mặt ở cấp độ “thô” và “siêu tinh”, đánh giá nhám theo chỉ số Rz; ở cấp độ tinh và bán tinh, đánh giá nhám bề mặt theo chỉ số Ra.
Bảng 1.1. Các cấp độ nhám bề mặt theo TCVN 2511-1995
Hình 1. 11 Xác định nhám bề mặt Rz
RZ được xác định theo công thức sau:
(1.17)
1.3.6.2 Phương pháp xác định nhám bề mặt
Tất cả những nguyên tắc vật lý được nhắc đến trong kỹ thuật đo độ dài cũng có thể áp dụng cho đo bề mặt. Do phương pháp đo cơ học và quang học đã được chứng minh là có hiệu quả nhất trong lĩnh vực này, phần dưới đây chỉ thảo luận về hai phương pháp này:
Dụng cụ đo bề mặt hoạt động dựa trên nguyên lý chức năng cơ học thƣờng được gọi là dụng cụ đầu dò (stylus instruments). Phương pháp đo cơ
học được phân thành phương pháp quét và phương pháp cảm biến. Đối với phương pháp quét (scanning), một đầu dò tiếp xúc được hạ xuống bề mặt kiểm tra với tần số xác định.
Hướng bề mặt dưới mũi kim với tốc độ cấp liệu (tốc độ đưa vào) không đổi. Đường tiếp xúc của đầu dò có thể nhận biết được một cách cơ học, quang học, điện hoặc điện tử. Có thể nâng đầu dò tiếp xúc lên một mức cố định (nguyên lý WOXEN) hoặc có thể nâng lên một lượng xác định từ điểm tác động bề mặt tƣơng ứng (quá trình tiếp xúc phân tốc/ vi sai- differential tactile procedure) (Hình 1.12).
Hình 1. 12 Đo nhám bằng phương pháp cơ học
Hình 1. 13 Đo nhám trên các bề mặt khác nhau
Trong quá trình tiếp xúc phân tốc, vi sai, năng lượng tác động của đầu dò tiếp xúc thấp hơn sơ với nguyên lý WOXEN và cho thấy độ phân tán biên. Do đó, độ sâu cắt của kim là không đổi, độ chính xác đo cao hơn so với phƣơng pháp WOXEN. Trong trường hợp thiết bị hoạt động theo
phương pháp cảm biến, đầu dò được hứng liên tục trên bề mặt. Kim nâng lên và hạ xuống phù hợp với mặt cạnh.
Chuyển động nâng chỉ ra tương ứng đối với điểm đối chiếu trong thiết bị hoặc tương ứng với mức đối chiếu. Lúc này, bộ chuyển đối cơ học, điện, quang học và điện tử đƣợc sử dụng.
Phương pháp cảm biến cạnh được sử dụng rất nhiều. Độc lập với kiểu dáng thiết kế đầu dò được sử dụng, ba thiết kế hệ thống được phân biệt (Hình 1.13). Mặt phẳng hệ thống đối chiếu/ hệ thống tham chiếu Trong hệ thống này, bộ phận quét được hướng trên mặt phẳng đối chiếu (mặt phẳng/ bào, cọc/ hình trụ) tƣơng ứng với mặt phẳng hình học lý tƣởng của mẫu thử nghiệm và hướng dọc theo mặt phẳng đo. Ngoài các lỗi do hình dạnh thước cặp, hệ thống quét này cho giá trị đáng tin cậy của độ nhám và độ lượn sóng của mẫu thử nghiệm. Tuy nhiên, khi đo bề mặt rất nhỏ hoặc rất rộng, thao tác hệ thống quét này dễ sai số. Một phương pháp thay thế là hệ thống tiếp xúc bề mặt đối chiếu. Tại đây, phôi di chuyển theo chiều ngang trên bàn máy định hướng chính xác dưới hệ thống quét được cố định chắc chắn. Bên cạnh độ nhám, có thể xác định cấu trúc vĩ mô của bề mặt ở những khoảng nhất định.