Overfladekvalitet i CNC-bearbejdede dele

Introduktion

Overfladekvalitet er et afgørende aspekt inden for produktion, da overfladekvaliteten påvirker både ydeevne, levetid og æstetikken.

Overfladekvaliteten vurderes primært ud fra:

• Synligheden af værktøjsbaner
• Overfladerughed (Ra)

og begge disse faktorer påvirker i høj grad bearbejdningstiden og dermed den endelige omkostning for emnet.

I denne artikel gennemgås sammenhængen mellem bl.a. overfladekvalitet, bearbejdningsteknologi, menneskelig opfattelse, overfladebehandlinger og omkostninger inden for CNC-bearbejdning.

Synlige værktøjsbaner

Værktøjsbaner, også kendt som bearbejdningsbaner, er synlige linjer eller mønstre, der efterlades på en bearbejdet overflade efter bearbejdningsprocessen. Disse mærker opstår som følge af værktøjets skærebevægelse på materialets overflade. Synligheden og omfanget af disse mærker afhænger i høj grad af bearbejdningsstrategi, fremføringshastighed, overfladehastighed og skæredybde.

Selvom disse mærker ofte betragtes som en naturlig konsekvens af bearbejdning, kan de i visse situationer udgøre problemer. Værktøjsbaner kan påvirke delens æstetik, især i dele beregnet til synlige eller visuelle anvendelser. I meget følsomme anvendelser kan disse mærker indeholde små partikler eller endda bakterier, hvilket kan føre til rengøringsproblemer. Desuden kan synlige maskemærker på mekaniske dele forårsage friktion og potentielt medføre koncentration af spændinger, hvilket kan føre til tidlig svigt.

Af disse grunde kan yderligere afsluttende bearbejdningsoperationer som slibning, polering eller glasblæsning være nødvendige for at minimere synligheden af værktøjsbaner, hvilket dog øger både omkostninger og leveringstid. 

Ra-værdier

Ra-værdien, eller ruhedsgennemsnittet, er en universelt anerkendt parameter til kvantificering af overfladeruhed. Den måler den gennemsnitlige afvigelse fra middellinjen på en overfladeprofil inden for prøvelængden. Jo lavere Ra-værdien er, jo glattere er overfladen.

Inden for CNC-bearbejdning påvirkes Ra-værdien primært af typen af bearbejdningsproces, værktøjets geometri, fremføringshastighed og overfladehastighed.

For at opnå lavere Ra-værdier kræver det ofte yderligere bearbejdningsgange eller langsommere bearbejdningsparametre, hvilket begge øger bearbejdningstiden. Denne tidsforøgelse påvirker igen den samlede bearbejdningsomkostning. 

Overfladekvalitet af forskellige produktionsprocesser

Produktionsprocesser som CNC-drejning, CNC-fræsning og slibning har hver unikke evner og begrænsninger med hensyn til overfladekvalitet og opnåelige Ra-værdier. Her er en kort undersøgelse af, hvad hver proces kan opnå. 

Ubehandlede overflader

Ra-værdien (Roughness Average) af ubehandlet plade metal kan variere meget afhængigt af metallets type og tykkelse, rulleprocessen, der blev brugt til at skabe det, og andre faktorer. Generelt kan ubehandlet plade metal have en Ra-værdi på mellem 0,5 µm og 5 µm. Disse værdier er dog omtrentlige og kan variere afhængigt af de specifikke omstændigheder nævnt ovenfor.

CNC-drejning

CNC-drejning er kendt for sin evne til at producere dele med fremragende overfladefinish. Typiske Ra-værdier inden for CNC-drejning spænder fra 0,4 til 1,6 μm, selvom de påvirkes af værktøjets geometri, fremføringshastighed, skærehastighed og det bearbejdede materiale. Finere overflader kan opnås med langsommere fremføringshastigheder og højere skærehastigheder samt efterfølgende operationer, men dette øger bearbejdningstiden og omkostningerne.

CNC-drejning genererer en spiralformet overfladefinish på grund af værkstykkes cirkulære bevægelse og værktøjets lineære bevægelse. Selv når Ra-værdien er identisk med en fræset overflade, kan de kontinuerlige, ensrettede riller, der skabes ved drejning, føles glattere at berøre. Dette skyldes, at fingeren glider langs rillerne i stedet for på tværs af dem. På trods af tilstedeværelsen af overfladeuregelmæssigheder kan den generelle fornemmelse være af en relativt glattere overflade. 

CNC-fræsning

CNC-fræsning er alsidig og kan opnå gode overfladefinish. Dog er kvaliteten generelt ikke så høj som det, der kan opnås med drejning eller slibning på grund af fræsningsprocessens natur. Den typiske Ra-værdi, der opnås med CNC-fræsning, spænder fra 0,8 til 3,2 μm. Finere overflader kan opnås med langsommere fremføringshastigheder og højere skærehastigheder samt efterfølgende operationer, men dette øger bearbejdningstiden og omkostningerne.

CNC-fræsning, som involverer rotation af et flerfladt værktøj (endefræser) på tværs af værkstykket, skaber en mere tilfældig overfladestruktur med tovejsmærker. Selvom Ra-værdien er den samme som for en drejet overflade, kan en fræset overflade føles ruere, fordi fingerspidsen kommer i kontakt med overfladeuregelmæssighederne i flere retninger. Denne flerrettede kontakt kan producere en højere grad af taktil friktion, hvilket giver en opfattet ru overfladestruktur.

Slibning

Slibning anvendes ofte, når der kræves meget glatte overflader. Det er normalt en afsluttende bearbejdningsoperation, der bruges til at forbedre overfladekvaliteten efter de indledende bearbejdningsoperationer. Slibning kan opnå meget lave Ra-værdier, typisk under 0,1 μm. Faktisk kan slibning endda resultere i superfinish med Ra-værdier i nanometerområdet, selvom dette kræver særlige forhold og teknikker.

Typiske Ra-krav i forskellige brancher

Kravene til overfladekvalitet bør altid vælges på baggrund af den individuelle anvendelse, men her beskrives typiske krav til ruhed i forskellige brancher.

Medicinalindustrien

Medicinalindustrien kræver ofte meget glatte overflader, især i implantater og kirurgiske instrumenter. Implantater kræver ofte lave Ra-værdier omkring 0,4 μm for at minimere kroppens immunrespons og fremme bedre interaktion med biologiske væv. Ligeledes kræver kirurgiske instrumenter lave Ra-værdier (mindre end 0,8 μm) af hensyn til hygiejne og nem rengøring.

Form- og støbeindustrien

I form- og støbeindustrien afhænger de nødvendige Ra-værdier typisk af finishen på det endelige produkt. For eksempel kan højglansfinish kræve meget lave Ra-værdier, mindre end 0,2 μm, mens en mat finish kan være acceptabel med Ra-værdier op til 3,2 μm.

Olie- og gasindustrien

I olie- og gasindustrien kan overfladeruhed have en betydelig indvirkning på korrosionsbestandigheden af komponenter, der er udsat for barske miljøer. De typiske Ra-værdier kan variere fra 3,2 μm for ikke-kritiske komponenter til så lavt som 0,8 μm for tætningsoverflader og områder udsat for højtryksvæsker.

Luftfart-industrien

Luftfart-industrien kræver ofte dele med meget høj præcision og lav overfladeruhed på grund af komponenternes kritikalitet. I denne branche ligger Ra-værdier typisk mellem 0,8 og 1,6 μm. Lavere Ra-værdier kan være påkrævet i visse tilfælde som motordele, tætninger eller lejer, hvor glattere overflader hjælper med at reducere friktion og slid.

Bilindustrien

I bilindustrien kan det krævede Ra-værdi variere betydeligt afhængigt af den pågældende del. Motordele som cylinderboring eller knastaksler kræver normalt en lav Ra-værdi på omkring 0,2 til 0,8 μm for at minimere friktion. På den anden side kan ikke-kritiske komponenter som karosseripaneler have højere tilladte Ra-værdier.