CNC-Schleifdienste für Oberflächenfinish-Anforderungen

Die Erreichung präziser Oberflächenqualitäten (Ra < 0,4 μm) bleibt entscheidend für hochbelastete Komponenten in der Luftfahrt und bei medizinischen Implantaten. Diese Studie bewertet die Wirksamkeit von mehrachsiger CNC-Schleifbearbeitung unter Verwendung strukturierter Experimente. Oberflächenrauheitsmessungen (Profilometer Taylor Hobson Surtronic S128) und metallographische Analysen (Mikroskop Zeiss Axio Imager) wurden an Proben aus Edelstahl 316L und Inconel 718 unter kontrollierten Parametern durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass adaptive Schleifscheiben-Dressierprotokolle in Kombination mit minimaler Mengenschmierung (MQL) die Ra-Werte um 32 % ± 3 % gegenüber konventioneller Flutkühlung reduzieren. Die Restspannungsanalyse (Röntgenbeugung) bestätigte die Bildung einer Druckschicht (≥150 MPa), die mit einer verbesserten Ermüdungsleistungsfähigkeit korreliert. Diese Erkenntnisse demonstrieren reproduzierbare Methoden zur Erreichung von Submikron-Oberflächen, die für Dichtflächen und biokompatible Schnittstellen entscheidend sind.

1. Einleitung
Oberflächenfinish-Anforderungen unter Ra 0,4 μm sind in der Präzisionsindustrie unverzichtbar geworden (Lechner et al., 2023). Medizinische Implantat-Gelenkflächen und Komponenten von Luftfahrt-Brennstoffsystemen sind Beispiele für Anwendungen, bei denen die durch Schleifen verursachte Oberflächenintegrität die funktionale Leistung direkt beeinflusst. Zu den aktuellen Herausforderungen zählt die Erzielung gleichmäßiger Oberflächen im Mikronbereich, während gleichzeitig wärmebeeinflusste Zonen und Restspannungen kontrolliert werden. Diese Untersuchung schafft nachweisbare Zusammenhänge zwischen CNC-Schleifparametern und den resultierenden Oberflächeneigenschaften.

2. Methodik

2.1 Versuchsdesign
Ein vollfaktorieller Versuchsplan (Tabelle 1) untersuchte drei kritische Parameter:

• Schleifscheibengeschwindigkeit: 30/45 m/s

• Vorschubrate: 2/5 μm/Hub

• Kühlstrategie: Flutkühlung/MQL

Tabelle 1: Versuchsparameter

2.2 Materialien & Ausrüstung

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

• Schleifmaschine: Studer S41 CNC mit CBN-Scheiben (B181N100V)

• Messtechnik:

  • Oberflächenrauheit: Taylor Hobson Surtronic S128 (ISO 4288)

  • Mikrostruktur: Zeiss Axio Imager A2m, 500× Vergrößerung

  • Restspannung: Proto LXRD Cr-Kα-Strahlung

2.3 Reprduzierbarkeitsprotokoll

1. Scheiben-Dressierung: Diamant-Dressierwerkzeug mit Einzelpunkt (5 μm Tiefe, 0,1 mm/Umdrehung)

2. Umgebung: 20°C ± 1°C, 45% ± 5% relative Luftfeuchtigkeit

3. Validierung: 5 Testwiederholungen pro Parametersatz

3. Ergebnisse und Analyse

Abbildung 1: Oberflächenrauheit vs. Schleifparameter

Hauptergebnisse:

• MQL reduzierte die durchschnittlichen Ra-Werte um 29,7 % (316L) und 34,2 % (Inconel 718) gegenüber Flutkühlung

• Optimale Kombination: 45 m/s Schleifscheibengeschwindigkeit + 2 μm/Pass Vorverstellung + MQL (Ra 0,21 μm ± 0,03)

• Höhere Schleifscheibengeschwindigkeiten verringerten Mikrorisse im Unterschichtbereich um 60 % (p<0,01)

4. Diskussion

4.1 Mechanistische Interpretation
Die Ra-Reduktion unter MQL stimmt mit geringeren thermischen Gradienten überein (Marinescu et al., 2021). Geringerer Wärmeeintrag minimiert das Werkstückweichwerden und die daraus folgende plastische Verformung während der abrasiven Wechselwirkung. Röntgenbeugungsergebnisse bestätigen Druckspannungen (-210 MPa) bei optimalen Parametern, wodurch die Dauerfestigkeit verbessert wird.

4.2 Grenzen
Die Ergebnisse sind werkstoffspezifisch; Titanlegierungen erfordern separate Parameteroptimierung. Die Studie schloss komplexe Geometrien, die Schleifprofilierung erfordern, aus.

4.3 Industrielle Anwendung
Durch adaptive Dressing-Zyklen alle 50 Teile blieb die Rauheit (Ra) um maximal 8 % konstant. Bei Hydraulikventilgehäusen reduzierte dieses Protokoll die Leckraten während der Qualifikationsprüfung um 40 % (ISO 10770-1).

5. Schlussfolgerung
Mehrachsiges CNC-Schleifen erreicht Submikrofinishs durch Kombination hoher Schleifscheibengeschwindigkeiten (≥45 m/s), geringer Vorschübe (≤2 μm/Hub) und Minimalmengenschmierung (MQL). Diese Methode erzeugt metallurgisch einwandfreie Oberflächen mit druckfesten Eigenspannungen, die für dynamisch belastete Komponenten entscheidend sind. Zukünftige Forschungen sollten sich mit der Optimierung des Schleifens von gekrümmten Oberflächen und der Integration von Prozessüberwachung befassen.