Research on Electrochemical-Mechanical Composite Polishing Electrode Design and Process Testing of 316 Stainless Steel Deep Long Holes

Tief im Inneren der Maschinerie von Kernkraftwerken, Luftfahrtantrieben und fortschrittlichen Energiesystemen befinden sich schmale, tunnelartige Gänge, die makellos sein müssen. Dabei handelt es sich um tiefe Bohrungen in 316-Edelstahl, einem Material, das aufgrund seiner Festigkeit und seiner Fähigkeit zur Korrosionsbeständigkeit in den härtesten Umgebungen ausgewählt wurde. Die Innenwände dieser Tunnel sind jedoch berüchtigt dafür, schwer zu bearbeiten zu sein. Wenn Hersteller versuchen, sie mit herkömmlichen mechanischen Werkzeugen zu glätten, sind die Ergebnisse oft ungleichmäßig und hinterlassen mikroskopische Kratzer und Rauheiten, welche die Sicherheit und Effizienz der gesamten Maschine beeinträchtigen können. Die Herausforderung besteht darin, tief in ein winziges Rohr zu gelangen, das nur 3,5 Millimeter breit und 80 Millimeter lang ist, um die Oberfläche so glatt wie Glas zu machen, ohne die empfindliche Struktur zu beschädigen.

Um dies zu lösen, wandten sich Forscher der Xi'an Technological University einer Methode zu, die zwei unterschiedliche Kräfte kombiniert: Elektrizität und mechanisches Schleifen. Dieser Ansatz, bekannt als elektrochemisch-mechanische Verbundpolitur, funktioniert durch den Einsatz eines spezialisierten Werkzeugs, das sowohl als elektrischer Leiter als auch als mechanischer Schleifer fungiert. Der Prozess beruht auf einem einfachen, aber kraftvollen Prinzip: Wenn Elektrizität durch eine leitfähige Flüssigkeit zwischen zwei Metalloberflächen fließt, löst sie die Erhebungen der Metalloberfläche auf, während die physische Bewegung des Werkzeugs die hartnäckigen, unlöslichen Partikel abträgt. Durch die Abstimmung dieser beiden Aktionen zielte das Team darauf ab, eine Oberfläche zu schaffen, die so glatt ist, dass sie für das bloße Auge unsichtbar wäre, um den extremen Standards gerecht zu werden, die für hochwertige industrielle Komponenten erforderlich sind.

Die Forscher begannen damit, eine neue Art von Polierelektrode zu entwerfen – das Werkzeug, das die eigentliche Arbeit im Inneren des Lochs verrichtet. Sie erkannten, dass der Schlüssel zum Erfolg nicht nur in der Geschwindigkeit oder dem Druck lag, sondern in dem spezifischen Verhältnis der Werkzeugoberfläche, die Strom leitet, gegenüber dem Teil, der mechanisch schleift. Sie erstellten ein mathematisches Modell, um zu verstehen, wie dieses Verhältnis, das sie als Anteil der elektrochemisch aktiven Grenzflächen bezeichneten, die endgültige Oberfläche beeinflussen würde. In ihrem Modell wurde das Werkzeug in Abschnitte unterteilt: Einige Teile wurden so konzipiert, dass sie den Stromfluss und das Auflösen des Metalls ermöglichen, während andere Teile mit Keramikfasern bedeckt waren, um die Oberfläche physisch zu schleifen. Sie simulierten, wie sich unterschiedliche Mischungen dieser beiden Zonen innerhalb des tiefen, engen Lochs verhalten würden.

Durch diese Computersimulationen entdeckte das Team, dass das Gleichgewicht zwischen Elektrizität und Schleifen entscheidend war. Wenn das Werkzeug zu viel Schleiffläche und zu wenig elektrischen Kontakt besaß, war der Glättungseffekt schwach. Wenn sie jedoch die elektrische Kontaktfläche erhöhten, wurde die Stromverteilung über die gesamte Innenwand des Lochs gleichmäßiger. Diese gleichmäßige Verteilung ermöglichte es der Elektrizität, die mikroskopischen Spitzen auf der Metalloberfläche gleichmäßiger aufzulösen. Die Simulationen zeigten, dass eine bestimmte Konfiguration am besten funktionierte: ein Werkzeug, bei dem 80 Prozent der Oberfläche darauf ausgelegt waren, Strom zu leiten, und 20 Prozent der mechanischen Bearbeitung gewidmet waren. Bei diesem Verhältnis konnte das Werkzeug die raue Oberfläche effektiv ebnen und eine chaotische Landschaft aus winzigen Hügeln und Tälern in eine flache, gleichmäßige Ebene verwandeln.

Nachdem das Design am Computer optimiert worden war, gingen die Forscher in das Labor, um ihre Kreation an echten 316-Edelstahlrohren zu testen. Sie bauten eine präzise Versuchsstation auf, in der die neue Elektrode im Inneren der tiefen Löcher rotieren konnte, während eine kontrollierte Spannung und ein kontrollierter Druck angewendet wurden. Sie führten den Prozess für exakt 144 Sekunden durch, wobei eine Spannung von 3,25 Volt und ein Polierdruck von 0,08 Megapascal bei einer Drehzahl des Werkzeugs von 564 Umdrehungen pro Minute verwendet wurden. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Vor der Behandlung wiesen die Innenflächen der Löcher eine Rauheit von Ra 3,2 auf, eine Textur, die unter der Mikroskopie körnig wirken und stumpf erscheinen würde. Nach nur zwei und einem halben Minuten dieser Verbundpolitur verwandelte sich die Oberfläche vollständig.

Als das Team die fertigen Löcher unter leistungsstarken Mikroskopen untersuchte, fand es eine makellose Oberfläche vor. Es gab keine sichtbaren Kratzer, Gruben oder Defekte. Die Rauheitsmessung sank drastisch auf Ra 0, 1, ein Glattheitsgrad, der mit hochpräzisen optischen Komponenten konkurriert. Die Studie bestätigte, dass es durch die sorgfältige Abstimmung des Verhältnisses von elektrischer zu mechanischer Wirkung des Werkzeugs möglich ist, ein Oberflächenfinish in tiefen, engen Löchern zu erreichen, das zuvor schwer erreichbar war. Diese Arbeit bietet einen klaren Weg zur Verbesserung der Qualität kritischer Komponenten in Branchen, in denen die Integrität jedes Quadratmillimeters einer Oberfläche entscheidend ist, und beweist, dass eine ausgewogene Kombination aus Elektrizität und Mechanik einige der hartnäckigsten Fertigungsprobleme lösen kann.