CNC brúsenie pre požiadavky na povrchovú úpravu

Dosiahnutie presných povrchových úprav (Ra < 0,4 μm) je stále kritické pre veľmi namáhané komponenty v leteckom priemysle a pri lekárskych implantátoch. Táto štúdia hodnotí účinnosť viacosekovej CNC brúsenie pomocou štrukturovaného experimentovania. Merania drsnosti povrchu (profilometer Taylor Hobson Surtronic S128) a metalografická analýza (mikroskop Zeiss Axio Imager) boli vykonané na vzorkách z nehrdzavejúcej ocele 316L a Inconel 718 v kontrolovaných podmienkach. Výsledky ukazujú, že adaptívne protokoly pravidelného broušenia brúsneho kotúča v kombinácii s minimálnym mazaním (MQL) znižujú hodnoty Ra o 32 % ± 3 % vo porovnaní s konvenčným chladením. Analýza zvyškového napätia (RTG difrakcia) potvrdila vznik kompresných vrstiev (≥150 MPa), čo koreluje so zlepšenou únavovou odolnosťou. Tieto zistenia preukazujú reprodukovateľné metódy na dosiahnutie submikrónových povrchových úprav, ktoré sú kritické pre tesniace povrchy a biokompatibilné rozhrania.

1. Úvod
Požiadavky na drsnosť povrchu nižšiu ako Ra 0,4 μm sa stali nevyhnutnosťou v mnohých presných priemyselných odvetviach (Lechner et al., 2023). Príkladom aplikácií, kde integrita povrchu vytvoreného brúsením priamo ovplyvňuje funkčné vlastnosti, sú artikulačné povrchy implantátov určených pre medicínu alebo komponenty palivového systému v leteckom priemysle. Medzi súčasné výzvy patrí dosiahnutie rovnomerných povrchov s mikrometrovou presnosťou a zároveň kontrola oblastí ovplyvnených teplom a zvyškovými napätiami. Táto štúdia preukazuje merateľné súvislosti medzi parametrami CNC brúsenia a výslednými vlastnosťami povrchu.

2. Metodológia

2.1 Návrh experimentu
Plný faktoriálny návrh (Tabuľka 1) testoval tri kľúčové parametre:

• Rýchlosť brúsneho kotúča: 30/45 m/s

• Posuv: 2/5 μm/záber

• Stratégia chladenia: Flood/MQL

Tabuľka 1: Experimentálne parametre

2.2 Materiály a zariadenie

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

• Brúskovacie zariadenie: Studer S41 CNC s CBN kotúčmi (B181N100V)

• Metrológia:

  • Drsnosť povrchu: Taylor Hobson Surtronic S128 (ISO 4288)

  • Mikroštruktúra: Zeiss Axio Imager A2m, 500× zväčšenie

  • Zvyškové napätie: Proto LXRD Cr-Kα žiarenie

2.3 Protokol reprodukovateľnosti

1. Príprava kotúča: Jednohranný diamantový pravák (hĺbka 5 μm, 0,1 mm/ot.)

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

3. Validácia: 5 opakovaní testov na každú súpravu parametrov

3. Výsledky a analýza

Obrázok 1: Drsnosť povrchu vs. Brusné parametre

Kľúčové zistenia:

• MQL znížila priemerné hodnoty Ra o 29,7 % (316L) a 34,2 % (Inconel 718) voči záplavovému chladeniu

• Optimálna kombinácia: 45 m/s rýchlosť kotúča + 2 μm/prechod posuv + MQL (Ra 0,21 μm ± 0,03)

• Vyššie rýchlosti kotúča znížili mikrotrhliny v subsurface oblasti o 60 % (p<0,01)

4 Diskusia

4.1 Interpretácia mechanizmu
Zníženie Ra pri MQL korešponduje so zníženými teplotnými gradientmi (Marinescu et al., 2021). Nižší tepelný vstup minimalizuje zmäkčenie obrobku a následnú plastickú deformáciu počas abrazívneho pôsobenia. Výsledky XRD potvrdzujú kompresné napätia (-210 MPa) pri optimálnych parametroch, čo zvyšuje únavovú životnosť.

4.2 Obmedzenia
Výsledky sú špecifické pre materiál; zliatiny titánu vyžadujú samostatnú optimalizáciu parametrov. Štúdia vylúčila zložité geometrie vyžadujúce profilové broušenie.

4.3 Priemyselné použitie
Implementácia adaptívnych cyklov na preťahovanie po každých 50 súčiastkach udržiavala konzistenciu Ra v rámci 8 %. Pre hydraulické rozvádzače týmto protokolom klesli úniky o 40 % počas kvalifikačných testov (ISO 10770-1).

5. Záver
Obrábanie na viacosekčových CNC brúskach dosahuje submikrónové povrchy vďaka kombinácii vysokých rýchlostí kotúča (≥45 m/s), nízkych posuvov (≤2 μm/prechod) a chladenia MQL. Táto metodika vytvára metalurgicky kvalitné povrchy s kompresnými zvyškovými napätiami, čo je kritické pre súčiastky namáhané dynamickým zaťažením. Budúci výskum by mal riešiť optimalizáciu broušenia na zakrivených plochách a integráciu monitorovania procesu.