CNC-hiontapalvelut pinta-vaatimusten täyttämiseksi

Tarkan pinnanlaadun saavuttaminen (Ra < 0,4 μm) on edelleen kriittistä ilmailussa ja lääketieteellisissä implantteihin käytettävissä kappaleissa, joissa on suuri kulumisrasitus. Tämä tutkimus arvioi moniakselisen CNC-hionnan tehokkuutta rakennetun kokeen avulla. Pintakarheusmittaukset (Taylor Hobson Surtronic S128 -profiilimittari) ja metallografiset analyysit (Zeiss Axio Imager -mikroskooppi) tehtiin 316L-ruostumattomasta teräksestä ja Inconel 718 -materiaalista valmistetuille näytteille kontrolloiduilla parametreilla. Tulokset osoittavat, että mukautuvien pyöränpintauksien protokollia ja minimitiivistysjäähdytystä (MQL) käytettäessä Ra-arvot pienenevät 32 % ± 3 % verrattuna perinteiseen kylmäainevirtaustekniikkaan. Jäännösjännitysanalyysi (röntgendiffraktio) vahvisti puristuskerroksen muodostumista (≥150 MPa), mikä korreloi parantuneen väsymiskestävyyden kanssa. Näillä tuloksilla voidaan saavuttaa toistettavasti alle mikronin pinnanlaatuja, jotka ovat kriittisiä tiivisteiden pintojen ja biologisesti yhteensopivien liitospintojen valmistuksessa.

1. Johdanto
Pintakarheuden vaatimukset alle Ra 0,4 μm ovat tulleet oleelliseksi tarkkojen teollisuuden alojen edellytykseksi (Lechner et al., 2023). Lääketieteellisten implanttien liikepintojen ja lentokoneiden polttoainesäiliöiden komponenttien esimerkit osoittavat, että hionnan aiheuttama pinnan laatu vaikuttaa suoraan toiminnalliseen suorituskykyyn. Nykyisiin haasteisiin kuuluu tasalaatuisen mikron tarkkuuden saavuttaminen samalla kun hallitaan lämmön vaikutuksesta syntyviä vyöhykkeitä ja jäännösjännityksiä. Tämä tutkimus perustaa mittaamiskelpoiset yhteydet CNC-hionnan parametrien ja tuloksena syntyvien pintaominaisuuksien välille.

2. Menetelmät

2.1 Kokeellinen suunnittelu
Kokonaiskokeellinen suunnittelu (taulukko 1) testasi kolmea kriittistä parametria:

• Hiomakaran nopeus: 30/45 m/s

• Eteenpäinvievä nopeus: 2/5 μm/kierros

• Jäähdytysstrategia: Flood/MQL

Taulukko 1: Kokeelliset parametrit

2.2 Materiaalit ja varustus

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

• Hionta-kone: Studer S41 CNC CBN-renkailla (B181N100V)

• Mittaus:

  • Pinnankarheus: Taylor Hobson Surtronic S128 (ISO 4288)

  • Mikrorakenne: Zeiss Axio Imager A2m, 500× suurennus

  • Jäännösjännitys: Proto LXRD Cr-Kα säteily

2.3 Toistettavuusprotokolla

1. Rengasjohdin: Yksittäispistekidehiomakivi (5 μm syvyys, 0.1 mm/kierros)

2. Ympäristö: 20°C ± 1°C, 45% ± 5% RH

3. Validointi: 5 testitoistoa parametriryhmää kohti

3. Tulokset ja analyysi

Kuva 1: Pinnankarheus vs. hionnan parametrit

Tärkeimmät havainnot:

• MQL vähensi keskimääräisiä Ra-arvoja 29,7 % (316L) ja 34,2 % (Inconel 718) verrattuna kylmä nestevirta-alueeseen

• Optimaalinen yhdistelmä: 45 m/s pyörän nopeus + 2 μm/käynti syöttö + MQL (Ra 0,21 μm ± 0,03)

• Korkeammat pyörän nopeudet vähensivät alapinnan mikrohalkeamia 60 % (p<0,01)

4. Keskustelu

4.1 Mekanismin tulkinta
MQL:n aiheuttama Ra:n väheneminen vastaa lämpögradientin vähenemistä (Marinescu et al., 2021). Alhaisempi lämmönsyöttö minimoitaa työkappaleen pehmennystä ja sitä seuraavaa plastista muodonmuutosta abraasiivisessa vuorovaikutuksessa. XRD-tulokset vahvistavat puristusjännitykset (-210 MPa) optimaalisilla parametreilla, jotka parantavat väsymisikää.

4.2 Rajoitukset
Tulokset ovat materiaalikohtaisia; titaaniseoksille vaaditaan erillinen parametrioptimointi. Tutkimus rajasi pois monimutkaiset geometriat, joissa vaaditaan profiilihiontaa.

4.3 Teollinen käyttö
Mukautuvien teroitusjaksojen käyttöönotto joka 50:n osan välein ylläpiti Ra-arvon vakautta 8 %:n tarkkuudella. Hydraulisten venttiilirunkojen osalta tämä menettely vähensi vuotoasteita 40 %:lla kelpuutustestauksessa (ISO 10770-1).

5. päätelmä
Moniakselinen CNC-hionta saavuttaa submikronin tasot kun käytetään yhdistelmänä korkeita hiomakierroksia (≥45 m/s), matalia syöttönopeuksia (≤2 μm/kierros) ja MQL-jäähdytystä. Menetelmä tuottaa metallurgisesti terveitä pintoja, joissa on puristusjäännösjännityksiä, jotka ovat kriittisiä dynaamista kuormaa kestävien komponenttien osalta. Tulevan tutkimuksen tulisi käsitellä kaarevien pintojen hionnan optimointia ja prosessinvalvonnan integrointia.