خدمات الطحن CNC لتلبية متطلبات إنهاء السطح

تظل الأسطح ذات الدقة العالية (Ra < 0.4 μm) ضرورية للحصول على مكونات مُعرَّضة للتآكل الشديد في قطاعات الطيران والغرسات الطبية. ويُقيِّم هذا البحث فعالية الطحن متعدد المحاور باستخدام ماكينات CNC من خلال تجارب منظمة. أُجريت قياسات الخشونة السطحية (جهاز قياس الخطوط العظمى من تايلور هوبسون Surtronic S128) وتحليلات المعادن (ميكروسكوب زيس Axio Imager) على عينات من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L وسبيكة Inconel 718 تحت معايير مُحكَمة. تشير النتائج إلى أن بروتوكولات تهيئة العجلات التكيفية المُدمَجة مع تزييت الكمية الدنيا (MQL) تقلل قيم Ra بنسبة 32% ± 3% مقارنةً بالتبريد التقليدي بالتدفق الكامل. وقد أكدت تحليلات الإجهاد المتبقي (حيود الأشعة السينية) تشكُّل طبقات ضاغطة (≥150 MPa) ترتبط ارتباطًا مباشرًا بتحسين الأداء ضد التعب. وتكشف هذه النتائج عن أساليب قابلة للتكرار لتحقيق إنهاءات دون الميكرون، وهي ضرورية للأسطح الختمية والواجهات المتوافقة حيويًا.

1. مقدمة
أصبحت متطلبات إنهاء السطح أدناه Ra 0.4 مايكرومتر ضرورية عبر الصناعات الدقيقة (Lechner وآخرون، 2023). تُعد أسطح التوصيل الخاصة بالزرع الطبي ومكونات أنظمة الوقود في الطائرات أمثلة على التطبيقات التي يؤثر فيها سلامة السطح الناتجة عن الطحن بشكل مباشر على الأداء الوظيفي. وتشمل التحديات الحالية تحقيق إنهاءات على مستوى الميكرون بشكل متسق مع السيطرة على المناطق المتأثرة بالحرارة والجهود المتبقية. يُنشئ هذا البحث ارتباطات قابلة للقياس بين معايير الطحن باستخدام الحاسب (CNC) والخصائص السطحية الناتجة.

٢. المنهجية

2.1 تصميم التجربة
صمم تجريبيًا كامل العوامل (الجدول ١) اختبر ثلاثة معايير رئيسية:

• سرعة العجلة: ٣٠/٤٥ م/ث

• معدل التغذية: ٢/٥ مايكرومتر/مرور

• استراتيجية التبريد: التبريد الكامل/الكمية الصغيرة من التشحيم (MQL)

الجدول ١: المعايير التجريبية

2.2 مواد ومعدات

• قطع العمل: 316L SS (ASTM F138)، Inconel 718 (AMS 5662)

• آلة الطحن: Studer S41 CNC مع عجلات CBN (B181N100V)

• علم القياس:

  • خشونة السطح: Taylor Hobson Surtronic S128 (ISO 4288)

  • التركيب المجهرى: Zeiss Axio Imager A2m، تكبير 500×

  • الإجهاد المتبقى: Proto LXRD إشعاع Cr-Kα

2.3 بروتوكول إعادة الإنتاج

1. تهيئة العجلة: أدات تسوية ماسية ذات نقطة واحدة (عمق 5 ميكرومتر، 0.1 مم/دورة)

2. البيئة: 20°م ± 1°م، رطوبة 45% ± 5%

3. التحقق: 5 تكرارات اختبار لكل مجموعة من المعايير

3. النتائج والتحليل

الشكل 1: خشونة السطح مقابل معايير الطحن

أهم الاستنتاجات:

• قللت تقنية MQL متوسط قيم Ra بنسبة 29.7% (316L) و34.2% (Inconel 718) مقارنةً بالتبريد المغمور

• أفضل توليفة: سرعة عجلة 45 م/ث + تغذية 2 مايكرون/مرور + MQL (Ra 0.21 مايكرون ± 0.03)

• خفضت السرعات الأعلى للعجلة شقوق سطح التوتر الثانوية بنسبة 60% (p<0.01)

4 نقاش

4.1 تفسير الآلية
يتماشى تقليل Ra تحت MQL مع تقليل التدرجات الحرارية (Marinescu وآخرون، 2021). تقليل الحرارة المُدخلة يقلل من تليّن القطعة وتشوهها البلاستيكي اللاحق أثناء التفاعل الكاشط. تؤكد نتائج حيود الأشعة السينية وجود إجهادات ضغطية (-210 MPa) عند المعايير المثلى، مما يعزز عمر التعب.

4.2 القيود
النتائج تخص المواد المستخدمة؛ تحتاج سبائك التيتانيوم إلى تحسين معايير منفصلة. تم استبعاد الهندسات المعقدة التي تتطلب طحنًا هندسيًا من الدراسة.

4.3 التطبيق الصناعي
عند تطبيق دورات تنظيف متكيّفة كل 50 قطعة، تمت المحافظة على ثبات Ra ضمن نسبة 8%. بالنسبة لأجسام صمامات المحركات الهيدروليكية، خفض هذا البروتوكول معدلات التسرب بنسبة 40% أثناء الاختبارات التأهيلية (ISO 10770-1).

5. خاتمة
يمكن للطحن متعدد المحاور باستخدام ماكينات CNC تحقيق إنهاءات دقيقة دون ميكرونات من خلال الجمع بين سرعات عالية للعجلات (≥45 م/ث)، معدلات تغذية منخفضة (≤2 ميكرون/مرور)، وتبريد MQL. تُنتج هذه المنهجية أسطحًا سليمة من الناحية المعدنية مع إجهادات متبقية ضاغطة ضرورية للمكونات المعرّضة للأحمال الديناميكية. يجب أن تتناول الأبحاث المستقبلية تحسين عمليات الطحن على الأسطح المنحنية ودمج أنظمة المراقبة أثناء العملية.