内部空洞構造の表面処理をどのように実現するか?

一、技術原理：複数の物理場の複合効果による表面改質
内部キャビティ構造の表面処理の主な目的は、機械的、化学的、または複合的な方法によって性能を向上させ、表面形態を最適化することです。技術原則には主に 3 つのグループがあります。
機械的除去タイプ: 研磨粒子の微細な切断効果を利用して、表面の欠陥層を除去します。たとえば、アブレイシブフロー研磨法では、圧力下で流動する半固体ポリマー研磨材を使用して、クロスホールや内部キャビティなどの複雑な構造を均一に研磨し、Ra0.1 μ m の表面粗さを実現します。
化学溶解タイプ: この種の化学溶解では、電気化学または化学腐食の概念を使用して、表面からバンプを選択的に除去します。電解研磨技術は陽極溶解の速度を制御し、表面の微細幾何学的形態をより滑らかにします。また、厚い酸化皮膜を作り、表面を腐食しにくくします。 316L ステンレス鋼の内部空洞の処理により、粗さは Ra6 μm から Ra0.2 μm まで下げることができます。
複合強化タイプ：物理蒸着と化学修飾を併用して傾斜機能を持たせた表面を形成します。たとえば、PVD (物理蒸着) 技術により、金型キャビティに TiN コーティングが施されます。このコーティングは最大 2200HV の硬度があり、耐摩耗性が 3 倍優れています。希土類浸透技術では、窒化プロセス中に Ce や La などの元素を添加して浸透層を 40% 深くし、耐疲労性を大幅に向上させます。
2、プロセスの実装: それぞれの状況に対する正確な答え
1. 深穴内部キャビティ研磨: 砥粒流動技術の革新的な使用
従来の研磨手順は、航空機エンジンのブレードや自動車の燃料インジェクターの内部空洞などの深い穴の構造では、アクセスが難しく、あまりうまく機能しないため、うまく機能しません。砥粒流動技術は、次のような新しいアイデアを使用して進歩しています。
中程度の最適化: 炭化ケイ素粒子とポリマー担体の半固体研磨剤混合物が採用されており、確実に切断でき、表面を傷つけません。-
チャネル設計: 数値流体力学 (CFD) を使用してツーリング チャネルをシミュレートおよび改善することで、0.3 mm の微細孔内の研磨剤の流速が 95% 以上均一であることを確認できます。
パラメータの制御: たとえば、特定のタイプのタービンブレードの内部キャビティを処理する際、3 サイクル (各 5 分) 後に粗さを Ra3.2 μ m から Ra0.4 μ m に減少させることができます。圧力は0.5MPa、流量は15mm/sです。
2. 複雑なキャビティのバリ取りには、電気化学的および機械的複合アプローチを使用します。
トランスミッションバルブボディや油圧バルブブロックなどのクロスホール構造からバリを除去する場合、速度と品質の妥協点を見つける必要があります。ある会社が「電気化学的バリ取り+研磨剤流研磨」プロセスを考案しました。
電気化学ステージ: 10% NaCl 溶液を電解液として使用し、周波数 10kHz、デューティ サイクル 30% のパルス電源を使用して、電流密度 0.5A/cm2 でバリの 90% を除去します。このプロセスには 2 分もかかりません。
研削粒子流動ステージでは800メッシュの炭化ケイ素砥粒を使用し、圧力0.3MPaで2分間研磨します。これにより、電気化学的残留物が除去され、Ra0.2 μm の表面品質が残ります。
3. 電解研磨とコーティング技術の併用によりキャビティ内部の耐腐食性を実現
人工関節を含む医療機器インプラントの内部は、生体適合性と耐腐食性の両方を備えていなければなりません。ある企業は「電解研磨 + DLC (ダイヤモンド ライク カーボン) コーティング」というプロセスを使用しています。
電解研磨：リン酸と硫酸の混合電解液中で電圧15V、電流20Aで5分間行うことにより、Ti6Al4Vの表面粗さをRa1.6μmからRa0.08μmに低減し、厚さ100nmの酸化皮膜を形成した。
DLCコーティング：マグネトロンスパッタリング技術を使用して、厚さ2μmのDLCコーティングを塗布します。模擬体液環境では、硬度は 20 GPa に近づき、摩擦係数は 0.05 に低下し、耐食性は 10 倍向上します。
3、ビジネスでの使用: ハイエンド製造部門での一般的な例-
1. 航空宇宙分野
選択的レーザー溶解 (SLM) 技術は、GE Aviation によって LEAP エンジン用の燃料ノズルの製造に使用されています。製造後、内部流路は研磨流で研磨され、表面がより滑らかになり（Ra12μmからRa0.8μm）、燃料の流れがより均一になり（8％）、エンジンの燃料効率が向上します（1.5％）。{4}}。
2. 自動車を作るビジネスにおいて
ボッシュは、コモン レール システムの高圧オイル ポンプ キャビティを洗浄および研磨する新しい方法を考案しました。{0}超音波洗浄と電解研磨を併用しています。
超音波洗浄: 加工時に残った切削液を除去するために、周波数 40kHz、電力 100W で 10 分間洗浄します。
電解研磨: リン酸塩-ベースの電解液と 12V の電圧を 3 分間使用して、316L ステンレス鋼のキャビティの粗さを軽減し（Ra2.5 μm から Ra0.4 μm に）、塩水噴霧腐食に耐えられる期間を延長します（500 時間から 2000 時間）。
3. 医療機器分野
Johnson&Johnson DePuy Synthes では、「電解研磨+マイクロアーク酸化」法により寛骨臼カップを製造しています。
電解研磨：Ti6Al4V基板の表面粗さをRa3.2μmからRa0.2μmまで下げるとともに、SLM成形時に発生した未融着粒子を除去します。
マイクロアーク酸化：300Vを5分間印加することにより、ケイ酸塩電解液中でヒドロキシアパタイトによる厚さ20μmの酸化物コーティングが形成されます。インプラントの生存率は99.2%で、骨結合の強度は40%向上します。