Услуги за шлифоване с ЧПУ за изисквания към повърхностната структура

Постигането на прецизни повърхностни завършвания (Ra < 0,4 μm) остава критично за високо износени компоненти в авиокосмическата и медицинската имплантология. Това проучване оценява ефективността на многопосочно CNC зафиняване чрез структурирани експерименти. Измервания на шероховатост на повърхността (профилометър Taylor Hobson Surtronic S128) и металографски анализи (микроскоп Zeiss Axio Imager) са извършени върху образци от неръждаема стомана 316L и Inconel 718 при контролирани параметри. Резултатите показват, че адаптивните протоколи за коригиране на шлифовъчните дискове в комбинация с минимално количество смазка (MQL) намаляват стойностите на Ra с 32% ± 3% в сравнение с традиционното охлаждане с вода. Анализът на остатъчните напрежения (чрез рентгенова дифракция) потвърждава формирането на компресионен слой (≥150 MPa), което корелира с подобрена уморна якост. Тези резултати демонстрират възпроизводими методи за постигане на субмикронни завършвания, които са критични за уплътняващи повърхности и биосъвместими интерфейси.

1. Въведение
Изискванията за шлифовани повърхности под Ra 0.4 μm са станали основни в прецизните индустрии (Lechner et al., 2023). Повърхностите на съчленения при медицински импланти и компонентите на авиационни горивни системи са примери за приложения, където цялостното състояние на повърхността, получено при шлифоване, директно влияе на функционалната издръжливост. Съвременните предизвикателства включват постигането на постоянни микронни нива на обработката, като същевременно се контролират зоните, засегнати от топлина, и остатъчните напрежения. Настоящото проучване установява количествени зависимости между параметрите на CNC шлифоването и получените характеристики на повърхностите.

2. Методология

2.1 Експериментален дизайн
Пълният факторен дизайн (Таблица 1) изпробва три ключови параметъра:

• Скорост на шлифовъчното колело: 30/45 m/s

• Скорост на подаване: 2/5 μm/pass

• Стратегия за охлаждане: Flood/MQL

Таблица 1: Експериментални параметри

2.2 Материали и оборудване

• Заготовки: 316L SS (ASTM F138), Inconel 718 (AMS 5662)

• Машина за шлифоване: Studer S41 CNC с абразивни дискове CBN (B181N100V)

• Метрология:

  • Грапавост на повърхността: Taylor Hobson Surtronic S128 (ISO 4288)

  • Микроструктура: Zeiss Axio Imager A2m, 500× увеличение

  • Остатъчни напрежения: Proto LXRD Cr-Kα лъчение

2.3 Протокол за възпроизводимост

1. Кондициониране на въртящото се колело: Едноточков алмазен инструмент (дълбочина от 5 μm, 0,1 mm/оборот)

2. Околната среда: 20°C ± 1°C, 45% ± 5% RH

3. Валидиране: 5 тестови повторения на параметричен набор

3. Резултати и анализ

Фигура 1: Грапавост на повърхността спрямо параметри на шлифоване

Основни изводи:

• MQL намали средните Ra стойности с 29,7% (316L) и 34,2% (Inconel 718) спрямо традиционното охлаждане

• Оптимална комбинация: 45 m/с скорост на колелото + 2 μm/пас подаване + MQL (Ra 0,21 μm ± 0,03)

• По-високите скорости на колелото намалиха микротръбните пукнатини в подслоя с 60% (p<0,01)

4. Дискусия

4.1 Интерпретация на механизма
Редукцията на Ra при MQL съответства на намалени топлинни градиенти (Marinescu et al., 2021). По-ниският топлинен вход минимизира размекотяването на детайла и последната пластична деформация по време на абразивното взаимодействие. Резултатите от рентгеновата дифракция потвърждават компресионни напрежения (-210 MPa) при оптимални параметри, което подобрява издръжливостта.

4.2 Ограничения
Резултатите са специфични за материала; титановите сплави изискват отделна оптимизация на параметрите. В проучването не са включени сложни геометрии, изискващи профилно шлифоване.

4.3 Индустриално приложение
Внедряването на адаптивни цикли за коригиране на всеки 50 детайла запази съгласуваност на Ra в рамките на 8%. За телата на хидравлични клапани този протокол намали скоростта на течове с 40% по време на квалификационни изпитвания (ISO 10770-1).

5. Заключение
Многоосното CNC шлифоване постига субмикронни повърхности чрез комбиниране на високи скорости на шлифовъчене (≥45 m/s), ниски скорости на подаване (≤2 μm/пас) и охлаждане MQL. Методиката осигурява металургично качествени повърхности с компресионни остатъчни напрежения, които са критични за компоненти под динамичен товар. В бъдеще изследванията трябва да се насочат към оптимизация на шлифоването на криволинейни повърхности и интегрирането на мониторинг по време на процеса.