Υπηρεσίες Τροχοποίησης CNC για Απαιτήσεις Επιφανειών

Η επίτευξη ακριβών επιφανειακών τελειωμάτων (Ra < 0,4 μm) παραμένει κρίσιμη για εξαρτήματα υψηλής φθοράς στην αεροναυπηγική και σε ιατρικές εμφυτεύσεις. Η παρούσα μελέτη αξιολογεί την αποτελεσματικότητα της πολυαξονικής CNC διαμόρφωσης με τη χρήση δομημένων πειραμάτων. Μετρήσεις της τραχύτητας της επιφάνειας (προφιλόμετρο Taylor Hobson Surtronic S128) και μεταλλογραφική ανάλυση (μικροσκόπιο Zeiss Axio Imager) πραγματοποιήθηκαν σε δοκίμια από ανοξείδωτο χάλυβα 316L και Inconel 718 υπό ελεγχόμενες παραμέτρους. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι πρωτόκολλα προσαρμοστικής διαμόρφωσης του τροχού σε συνδυασμό με τη λίπανση με ελάχιστη ποσότητα λιπαντικού (MQL) μειώνουν τις τιμές Ra κατά 32% ± 3% σε σχέση με τη συμβατική ψύξη με πλήρη ροή. Η ανάλυση των υπολειμματικών τάσεων (ακτίνες Χ) επιβεβαίωσε τον σχηματισμό συμπιεστικών στρωμάτων (≥150 MPa), που συσχετίζονται με βελτιωμένη αντοχή στην κόπωση. Αυτά τα ευρήματα αποδεικνύουν επαναλήψιμες μεθόδους για την επίτευξη υπο-μικρομετρικών τελειωμάτων, κρίσιμων για επιφάνειες στεγανοποίησης και βιοσυμβατές διεπαφές.

1. Εισαγωγή
Οι απαιτήσεις ως προς την ποιότητα της επιφανειακής κατεργασίας κάτω από Ra 0,4 μm έχουν γίνει απαραίτητες σε διάφορες βιομηχανίες ακριβείας (Lechner et al., 2023). Τα επιφανειακά χαρακτηριστικά των αρθρωτών επιφανειών ιατρικών εμφυτευμάτων και τα εξαρτήματα των συστημάτων καυσίμου στην αεροδιαστημική αποτελούν παραδείγματα εφαρμογών όπου η ακεραιότητα της επιφάνειας που προκαλείται από τη λείανση επηρεάζει άμεσα τη λειτουργική απόδοση. Οι τρέχοντες στόχοι περιλαμβάνουν την επίτευξη συνεπών επιφανειών σε μικροσκοπικό επίπεδο, ενώ ελέγχονται οι περιοχές που επηρεάζονται από τη θερμότητα και οι υπόλοιπες τάσεις. Αυτή η διερεύνηση καθιερώνει ποσοτικοποιήσιμες σχέσεις μεταξύ των παραμέτρων λείανσης CNC και των αποτελούντων επιφανειακών χαρακτηριστικών.

2. Μεθοδολογία

2.1 Σχεδιασμός Πειράματος
Ένας πλήρης παραγοντικός σχεδιασμός (Πίνακας 1) δοκίμασε τρεις κρίσιμες παραμέτρους:

• Ταχύτητα τροχού: 30/45 m/s

• Ρυθμός προώθησης: 2/5 μm/πέρασμα

• Στρατηγική ψύξης: Καταιονισμός/MQL

Πίνακας 1: Πειραματικές Παράμετροι

2.2 Υλικά & Εξοπλισμός

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

• Τροχός: Studer S41 CNC με τροχούς CBN (B181N100V)

• Μετρολογία:

  • Τραχύτητα επιφάνειας: Taylor Hobson Surtronic S128 (ISO 4288)

  • Μικροδομή: Zeiss Axio Imager A2m, μεγέθυνση 500×

  • Κατάλοιπες τάσεις: Proto LXRD Cr-Kα ακτινοβολία

2.3 Διαδικασία Αναπαραγωγιμότητας

1. Ρύθμιση τροχού: Μονού σημείου διαμαντένιος τροχός (5 μm βάθος, 0.1 mm/στροφή)

2. Περιβάλλον: 20°C ± 1°C, 45% ± 5% ΥΣ

3. Επικύρωση: 5 επαναλήψεις δοκιμής ανά σύνολο παραμέτρων

3. Αποτελέσματα & Ανάλυση

Σχήμα 1: Τραχύτητα Επιφάνειας έναντι Παραμέτρων Τροχισμού

Βασικά ευρήματα:

• Η MQL μείωσε τις μέσες τιμές Ra κατά 29,7% (316L) και 34,2% (Inconel 718) σε σχέση με ψύξη με νερό

• Βέλτιστος συνδυασμός: 45 m/s ταχύτητα τροχού + 2 μm/pass πρόωση + MQL (Ra 0,21 μm ± 0,03)

• Υψηλότερες ταχύτητες τροχού μείωσαν τις μικρορωγμές υποεπιφανειακές κατά 60% (p<0,01)

4. Συζήτηση

4.1 Ερμηνεία Μηχανισμού
Η μείωση του Ra με την MQL συμφωνεί με τη μείωση των θερμικών βαθμίδων (Marinescu et al., 2021). Η μικρότερη θερμική είσοδος ελαχιστοποιεί τη μαλάκυνση του τεμαχίου και την επακόλουθη πλαστική παραμόρφωση κατά την αλληλεπίδραση με τα αδρανή. Τα αποτελέσματα XRD επιβεβαιώνουν συμπιεστικές τάσεις (-210 MPa) στις βέλτιστες παραμέτρους, αυξάνοντας τη διάρκεια ζωής σε κόπωση.

4.2 Περιορισμοί
Τα αποτελέσματα είναι εξειδικευμένα ως προς το υλικό. Οι κράματα τιτανίου απαιτούν ξεχωριστή βελτιστοποίηση παραμέτρων. Η μελέτη δεν συμπεριέλαβε πολύπλοκες γεωμετρίες που απαιτούν τροχισμό προφίλ.

4.3 Βιομηχανική Εφαρμογή
Η εφαρμογή προσαρμοστικών κύκλων διόρθωσης ανά 50 κομμάτια διατήρησε τη σταθερότητα της Ra μέσα στο 8%. Για τα κυρίως σώματα υδραυλικών βαλβίδων, αυτή η διαδικασία μείωσε τους ρυθμούς διαρροής κατά 40% κατά τη διάρκεια των δοκιμών προσόντων (ISO 10770-1).

5. συμπεράσματα
Το πολυάξονο τροχισμό CNC επιτυγχάνει επιφανειακές κατεργασίες υπο-μικρομέτρου όταν συνδυάζονται υψηλές ταχύτητες τροχού (≥45 m/s), χαμηλά ποσοστά προώθησης (≤2 μm/πέρασμα) και ψύξη MQL. Η μεθοδολογία παράγει μεταλλογραφικά αμιγείς επιφάνειες με συμπιεστικές υπόλοιπες τάσεις, οι οποίες είναι κρίσιμες για εξαρτήματα υπό δυναμική φόρτιση. Μελλοντικές έρευνες θα πρέπει να επικεντρωθούν στη βελτιστοποίηση τροχισμού καμπυλόγραμμων επιφανειών και στην ενσωμάτωση παρακολούθησης κατά τη διαδικασία.