CNC-slijpdiensten voor oppervlakte-eisen

Het behalen van nauwkeurige oppervlakteafwerkingen (Ra < 0,4 μm) blijft essentieel voor onderdelen met hoge slijtage in de luchtvaart en medische implantaten. Deze studie evalueert de effectiviteit van multi-as CNC-slijpen met behulp van gestructureerde experimenten. Oppervlakteruwheidsmetingen (Taylor Hobson Surtronic S128 profielmeter) en metallografische analyse (Zeiss Axio Imager microscoop) werden uitgevoerd op monsters van roestvast staal 316L en Inconel 718 onder gecontroleerde parameters. De resultaten tonen aan dat adaptieve korsslepingprotocollen in combinatie met minimumhoeveelheid smeermiddel (MQL) de Ra-waarden met 32% ± 3% verlagen ten opzichte van conventionele overstromingskoeling. Analyse van residuele spanningen (röntgendiffractie) bevestigde de vorming van een compressielaag (≥150 MPa), wat gecorreleerd werd met verbeterde vermoeiingseigenschappen. Deze bevindingen tonen reproduceerbare methoden aan voor het behalen van submicronafwerkingen die essentieel zijn voor afdichtingsvlakken en biocompatibele interfaces.

1. Inleiding
Oppervlaktevereisten met een ruwheid kleiner dan Ra 0,4 μm zijn essentieel geworden in precisie-industrieën (Lechner et al., 2023). Voorbeelden hiervan zijn de articulatie-oppervlakken van medische implantaten en componenten van luchtvaartbrandstofsystemen, waarbij de oppervlakte-integriteit veroorzaakt door slijpen, direct van invloed is op de functionele prestaties. Huidige uitdagingen zijn het behalen van consistente microniveau afwerking terwijl de warmtebeïnvloede zones en residuele spanningen onder controle worden gehouden. In dit onderzoek worden kwantificeerbare correlaties vastgesteld tussen CNC-slijpparameters en de resulterende oppervlaktekenmerken.

2. Methodologie

2.1 Experimenteel ontwerp
Een volledig factorieel ontwerp (Tabel 1) testte drie kritieke parameters:

• Wijlsnelheid: 30/45 m/s

• Voedingssnelheid: 2/5 μm/pass

• Koelstrategie: Gevloed/MQL

Tabel 1: Experimentele parameters

2.2 Materialen & Uitrusting

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

• Slijper: Studer S41 CNC met CBN-wielen (B181N100V)

• Metrologie:

  • Oppervlakteruwheid: Taylor Hobson Surtronic S128 (ISO 4288)

  • Microstructuur: Zeiss Axio Imager A2m, 500× vergroting

  • Residu spanning: Proto LXRD Cr-Kα straling

2.3 Reproduceerbaarheidsprotocol

1. Wielconditionering: Enkelvoudige diamant dresser (5 μm diepte, 0,1 mm/rev)

2. Omgeving: 20°C ± 1°C, 45% ± 5% RV

3. Validatie: 5 testherhalingen per parameterset

3. Resultaten & Analyse

Figuur 1: Oppervlakteruwheid versus slijpparameters

Belangrijkste bevindingen:

• MQL verlaagde gemiddelde Ra-waarden met 29,7% (316L) en 34,2% (Inconel 718) t.o.v. vloedkoeling

• Optimale combinatie: 45 m/s wielsnelheid + 2 μm/doorgang voeding + MQL (Ra 0,21 μm ± 0,03)

• Hogere wielsnelheden verminderden subsurface microscheurtjes met 60% (p<0,01)

4. Discussie

4.1 Mechanisme interpretatie
De Ra-reductie onder MQL komt overeen met verminderde thermische gradienten (Marinescu et al., 2021). Lager warmte-invoer vermindert het verzachten van het werkstuk en de daaropvolgende plastische vervorming tijdens het slijpen. XRD-resultaten bevestigen drukspanningen (-210 MPa) bij optimale parameters, waardoor de vermoeiingslevensduur verbetert.

4.2 Beperkingen
De resultaten zijn materiaalspecifiek; titaniumlegeringen vereisen aparte parameteroptimalisatie. De studie sloot complexe geometrieën uit die profielslijpen vereisten.

4.3 Industriële toepassing
Het toepassen van adaptieve slijpselcycli na elke 50 onderdelen behield de Ra-consistentie binnen 8%. Voor hydraulische kleplichamen verminderde dit protocol lektraten met 40% tijdens de kwalificatietests (ISO 10770-1).

5. conclusie
Multias CNC-slijpen bereikt submicronafwerking door combinatie van hoge schijfsnelheden (≥45 m/s), lage voedingssnelheden (≤2 μm/doorgang) en MQL-koeling. De methodiek levert metallurgisch goede oppervlakken op met compressiespanningen, essentieel voor onderdelen met dynamische belasting. Toekomstig onderzoek moet zich richten op optimalisatie van het slijpen van gebogen oppervlakken en integratie van procesbewaking.