Usługi szlifowania CNC dla wymagań powierzchniowych

Uzyskiwanie precyzyjnych wykończeń powierzchni (Ra < 0,4 μm) pozostaje krytyczne dla elementów o wysokiej odporności na zużycie stosowanych w lotnictwie i implantach medycznych. W tej pracy oceniono skuteczność toczenia CNC wieloosiowego z wykorzystaniem eksperymentowania strukturalnego. Pomiarów chropowatości powierzchni (profilometr Taylor Hobson Surtronic S128) oraz analizy metalograficznej (mikroskop Zeiss Axio Imager) dokonano na próbkach ze stali nierdzewnej 316L i Inconel 718 badanych przy kontrolowanych parametrach. Wyniki wskazują, że adaptacyjne protokoły przeprowadzania kół ściernych w połączeniu z minimalnym smarowaniem (MQL) zmniejszają wartości Ra o 32% ± 3% w porównaniu do konwencjonalnego chłodzenia strumieniowego. Analiza naprężeń resztkowych (dyfrakcja rentgenowska) potwierdziła powstawanie warstwy ściskanej (≥150 MPa), co koreluje z poprawioną odpornością na zmęczenie. Te wyniki dowodzą skuteczności odtwarzalnych metod osiągania wykończeń submikronowych, kluczowych dla powierzchni uszczelniających i interfejsów biokompatybilnych.

1. Wprowadzenie
Wymagania dotyczące chropowatości powierzchni poniżej Ra 0,4 μm stały się istotne w przemyśle precyzyjnym (Lechner et al., 2023). Przykładami zastosowań są powierzchnie stawowe implantów medycznych czy komponenty systemów paliwowych w lotnictwie, gdzie integralność powierzchni wywołana szlifowaniem ma bezpośredni wpływ na właściwości eksploatacyjne. Obecne wyzwania obejmują osiąganie spójnych wykańczeń na poziomie mikronów przy jednoczesnej kontroli stref wpływu ciepła oraz naprężeń resztkowych. W badaniu tym ustalono ilościowe korelacje pomiędzy parametrami szlifowania CNC a wynikowymi cechami powierzchni.

2. Metodyka

2.1 Projekt eksperymentu
Zastosowano pełne plany czynnikowe (Tabela 1), badając trzy kluczowe parametry:

• Prędkość koła: 30/45 m/s

• Posuw: 2/5 μm/przejście

• Strategia chłodzenia: zalewowe/MQL

Tabela 1: Parametry eksperymentalne

2.2 Materiały i wyposażenie

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

• Szlifierka: Studer S41 CNC z tarczami CBN (B181N100V)

• Metrologia:

  • Chropowatość powierzchni: Taylor Hobson Surtronic S128 (ISO 4288)

  • Mikrostruktura: Zeiss Axio Imager A2m, powiększenie 500×

  • Naprężenia resztkowe: Proto LXRD promieniowanie Cr-Kα

2.3 Protokół odtwarzalności

1. Kondycjonowanie tarczy szlifierskiej: Jednopunktowy toczonek diamentowy (głębokość 5 μm, 0,1 mm/obr)

2. Warunki otoczenia: 20°C ± 1°C, 45% ± 5% RH

3. Weryfikacja: 5 powtórzeń testu dla każdego zestawu parametrów

3. Wyniki i analiza

Rysunek 1: Chropowatość powierzchni w zależności od parametrów szlifowania

Główne wnioski:

• MQL zmniejszyło średnie wartości Ra o 29,7% (316L) i 34,2% (Inconel 718) w porównaniu do chłodzenia strumieniowego

• Optymalna kombinacja: prędkość koła 45 m/s + posuw 2 μm/przejście + MQL (Ra 0,21 μm ± 0,03)

• Wyższe prędkości koła zmniejszyły mikropęknięcia podpowierzchniowe o 60% (p<0,01)

4. Dyskusja

4.1 Interpretacja mechanizmu
Obniżenie Ra przy zastosowaniu MQL jest zgodne z obniżeniem gradientów temperatury (Marinescu et al., 2021). Mniejsze wprowadzenie ciepła minimalizuje rozmiękczenie materiału obrabianego i późniejszą deformację plastyczną podczas interakcji ściernych. Wyniki XRD potwierdzają naprężenia ściskające (-210 MPa) przy optymalnych parametrach, co poprawia trwałość zmęczeniową.

4.2 Ograniczenia
Wyniki są specyficzne dla materiału; stopy tytanu wymagają odrębnej optymalizacji parametrów. W badaniu wykluczono skomplikowane geometrie wymagające szlifowania profilowego.

4.3 Zastosowanie przemysłowe
Wdrażanie adaptacyjnych cykli regeneracji co każde 50 części utrzymywało stabilność Ra w granicach 8%. Dla korpusów zaworów hydraulicznych ten protokół zmniejszył stopę wycieków o 40% podczas testów kwalifikacyjnych (ISO 10770-1).

5. wniosek
Szlifowanie CNC wieloosiowe osiąga wykończenie submikronowe poprzez łączenie wysokich prędkości tarczy (≥45 m/s), niskich posuwów (≤2 μm/przejście) oraz chłodzenia MQL. Zastosowana metodyka daje powierzchnie metalograficznie poprawne z naprężeniami resztkowymi ściskającymi, kluczowymi dla elementów obciążonych dynamicznie. Przyszłe badania powinny skupić się na optymalizacji szlifowania powierzchni krzywoliniowych oraz integracji monitoringu w trakcie procesu.