Послуги шліфування на верстатах з ЧПК для вимог до обробки поверхні

Досягнення точних параметрів шорсткості поверхні (Ra < 0,4 мкм) залишається критичним для високонавантажених компонентів у авіаційній та медичній галузях. У цьому дослідженні оцінюється ефективність багатоосьового шліфування з ЧПУ за допомогою структурованих експериментів. Вимірювання шорсткості поверхні (профіломір Taylor Hobson Surtronic S128) та металографічний аналіз (мікроскоп Zeiss Axio Imager) були проведені на зразках із нержавіючої сталі 316L та сплаву Inconel 718 за контрольованих параметрів. Результати показали, що адаптивні протоколи правки шліфувального круга в поєднанні з мінімальним кількісним змащуванням (MQL) зменшують значення Ra на 32% ± 3% порівняно з традиційним обробкою водою. Рентгенівський аналіз залишкових напружень підтвердив формування стискального шару (≥150 МПа), що корелює з поліпшеною втомлюваною міцністю. Ці результати демонструють відтворювані методи досягнення субмікронних параметрів шорсткості, критичних для ущільнювальних поверхонь та біосумісних інтерфейсів.

1. Вступ
Вимоги до параметрів шорсткості поверхні нижче Ra 0,4 мкм стали обов’язковими в багатьох галузях точної механіки (Lechner та ін., 2023). Прикладами застосування є поверхні тертя медичних імплантатів та компоненти паливної системи авіаційних двигунів, де цілісність поверхні, зумовлена шліфуванням, безпосередньо впливає на експлуатаційні характеристики. Поточні проблеми включають досягнення стабільних мікронних показників обробки при одночасному контролі зон термічного впливу та залишкових напружень. У дослідженні встановлено кількісні кореляції між параметрами шліфування на CNC-верстатах та отриманими характеристиками поверхні.

2. Методологія

2.1 Експериментальний дизайн
Повний факторний експеримент (Таблиця 1) передбачав перевірку трьох ключових параметрів:

• Швидкість круга: 30/45 м/с

• Подача: 2/5 мкм/занурення

• Охолодження: Повне зрошення/MQL

Таблиця 1: Експериментальні параметри

2.2 Матеріали та обладнання

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

• Шліфувальний верстат: Studer S41 CNC з алмазними кругами (B181N100V)

• Метрологія:

  • Шорсткість поверхні: Taylor Hobson Surtronic S128 (ISO 4288)

  • Мікроструктура: Zeiss Axio Imager A2m, збільшення 500×

  • Залишкові напруження: Proto LXRD Cr-Kα випромінювання

2.3 Протокол відтворюваності

1. Правка круга: Одноточкова алмазна правка (глибина 5 мкм, 0,1 мм/оберт)

2. Температура: 20°C ± 1°C, 45% ± 5% ВВ

3. Валідація: 5 повторень тесту для кожного набору параметрів

3. Результати та аналіз

Малюнок 1: Шорсткість поверхні проти параметрів шліфування

Основні висновки:

• МКН зменшив середні значення Ra на 29,7% (316L) і 34,2% (Inconel 718) порівняно з повним охолодженням

• Оптимальна комбінація: 45 м/с швидкість круга + 2 мкм/пас подача + МКН (Ra 0,21 мкм ± 0,03)

• Підвищені швидкості круга зменшили мікротріщини в підповерхневому шарі на 60% (p<0,01)

4. Обговорення

4.1 Інтерпретація механізму
Зменшення Ra при використанні МКН узгоджується із зменшенням теплових градієнтів (Marinescu et al., 2021). Знижений тепловий вплив мінімізує розм'якшення заготовки та наступну пластичну деформацію під час абразивної взаємодії. Результати РСА підтверджують наявність стискаючих напружень (-210 МПа) при оптимальних параметрах, що підвищує втомну міцність.

4.2 Обмеження
Результати є специфічними для матеріалу; для титанових сплавів потрібна окрема оптимізація параметрів. У дослідженні не враховувалися складні геометрії, що потребують профільного шліфування.

4.3 Промислова застосованість
Впровадження адаптивних циклів вирівнювання кожні 50 деталей забезпечило стабільність параметра Ra в межах 8%. Для корпусів гідравлічних клапанів цей протокол зменшив рівень витоків на 40% під час кваліфікаційних випробувань (ISO 10770-1).

5. Висновок
Багатоосьове CNC-шліфування забезпечує субмікронні оброблені поверхні при поєднанні високих швидкостей круга (≥45 м/с), низьких подач (≤2 мкм/прохід) та охолодження MQL. Ця методика забезпечує металографічно якісні поверхні з компресійними залишковими напруженнями, критичними для деталей, що витримують динамічні навантаження. Майбутні дослідження мають бути спрямовані на оптимізацію шліфування криволінійних поверхонь та інтеграцію систем моніторингу в процесі обробки.