CNC broušení pro požadavky na povrchovou úpravu

Dosahování přesných povrchových úprav (Ra < 0,4 μm) zůstává kritické pro vysoce namáhané komponenty v leteckém a lékařském průmyslu. Tato studie hodnotí účinnost víceosého CNC broušení pomocí strukturovaných experimentů. Měření drsnosti povrchu (profilometr Taylor Hobson Surtronic S128) a metalografická analýza (mikroskop Zeiss Axio Imager) byly provedeny na vzorcích z nerezové oceli 316L a slitiny Inconel 718 za kontrolovaných parametrů. Výsledky ukazují, že adaptivní protokoly upravování brusných kotoučů ve spojení s minimalizačním mazáním (MQL) snižují hodnoty Ra o 32 % ± 3 % ve srovnání s konvenčním chlazením proudem vody. Analýza zbytkových napětí (rentgenová difrakce) potvrdila vznik kompresní vrstvy (≥150 MPa), což koreluje s vylepšenou únavovou odolností. Tyto závěry prezentují reprodukovatelné metody dosahující submikronních povrchových úprav, které jsou zásadní pro těsnicí plochy a biokompatibilní rozhraní.

1. Úvod
Požadavky na úpravu povrchu pod Ra 0,4 μm se staly zásadními v mnoha přesných průmyslových odvětvích (Lechner et al., 2023). Povrchy kloubních náhrad v medicíně a komponenty palivových systémů v leteckém průmyslu jsou příklady aplikací, kde integrita povrchu vzniklá broušením přímo ovlivňuje funkční výkon. Mezi současné výzvy patří dosažení stálých výsledků na úrovni mikronů a zároveň kontrola tepelně ovlivněných zón a zbytkových napětí. Tato studie stanovuje měřitelné souvislosti mezi parametry CNC broušení a výslednými vlastnostmi povrchu.

2. Metodologie

2.1 Návrh experimentu
Plně faktorový návrh (Tabulka 1) testoval tři klíčové parametry:

• Rychlost kotouče: 30/45 m/s

• Posuv: 2/5 μm/průběh

• Chladicí strategie: Povrchové chlazení/MQL

Tabulka 1: Experimentální parametry

2.2 Materiály a zařízení

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

• Bruska: Studer S41 CNC s CBN kotouči (B181N100V)

• Metrologie:

  • Drsnost povrchu: Taylor Hobson Surtronic S128 (ISO 4288)

  • Mikrostruktura: Zeiss Axio Imager A2m, zvětšení 500×

  • Zbytkové napětí: Proto LXRD Cr-Kα záření

2.3 Protokol reprodukovatelnosti

1. Broušení kotouče: Jeden bodový diamantový kalibrátor (5 μm hloubka, 0,1 mm/ot)

2. Prostředí: 20°C ± 1°C, 45% ± 5% RH

3. Validace: 5 opakování testů na každou sadu parametrů

3. Výsledky a analýza

Obrázek 1: Drsnost povrchu vs. brousící parametry

Klíčové zjištění:

• MQL snížila průměrné hodnoty Ra o 29,7 % (316L) a 34,2 % (Inconel 718) ve srovnání s povrchovým chlazením

• Optimální kombinace: 45 m/s rychlost kotouče + 2 μm/průběh posuvu + MQL (Ra 0,21 μm ± 0,03)

• Vyšší rychlosti kotouče snížily mikrotrhliny v subsurface oblasti o 60 % (p<0,01)

4. Diskuse

4.1 Interpretace mechanismu
Snížení Ra při použití MQL odpovídá sníženým tepelným gradientům (Marinescu et al., 2021). Nižší přívod tepla minimalizuje změknutí obrobku a následnou plastickou deformaci během abrazivní interakce. Výsledky XRD potvrzují vznik tlakových napětí (-210 MPa) při optimálních parametrech, což zvyšuje únavovou životnost.

4.2 Omezení
Výsledky jsou specifické pro materiál; slitiny titanu vyžadují samostatnou optimalizaci parametrů. Studie vyloučila složité geometrie vyžadující profilové broušení.

4.3 Průmyslové použití
Zavedení adaptivních cyklů broušení každých 50 dílů udržovalo konzistenci Ra v rámci 8 %. U těles hydraulických ventilů tato metoda snížila úniky o 40 % během kvalifikačních testů (ISO 10770-1).

5. Závěr
Víceosé CNC broušení dosahuje submikronových povrchů při kombinaci vysokých obvodových rychlostí kotouče (≥45 m/s), nízkých posuvů (≤2 μm/průběh) a chlazení MQL. Tato metodika vytváří metalograficky kvalitní povrchy s kompresními zbytkovými napětími, která jsou kritická pro dynamicky zatížené komponenty. Budoucí výzkum by měl zaměřit na optimalizaci broušení zakřivených ploch a integraci monitorování procesu v reálném čase.