Analiza doświadczalna obróbki nagniataniem metodą NSNT

DYL Tomasz 1 Analiza doświadczalna obróbki nagniataniem metodą NSNT WPROWADZENIE Obróbka nagniataniem jest jednym ze sposobów bezwiórowej obróbki wykończeniowej części maszyn, która pozwala na uzyskanie wyrobu o korzystnej jakości technologicznej. W wyniku termodynamicznego oddziaływania narządzi na przedmiot obrabiany następuje nie tylko pożądane zmniejszenie chropowatości powierzchni i ich spłaszczenie (tzw. zarys plateau), o korzystnym udziale nośnym materiałowym, ale również kształtowanie korzystnych własności stref warstwy wierzchniej - rozdrobnienie ziaren, przemiany fazowe, rozpad austenitu szczątkowego, zaleganie naprężeń ściskających o korzystnym rozkładzie, itp. Jakość wyrobu nagniatanego zależy od wielu czynników z których najważniejszymi są: właściwości materiału części i jego historia, własności materiału narządzi, geometria i właściwości WW części po obróbce poprzedzającej, geometria i własności WW narządzi i warunki realizacji procesu nagniatania. Obróbka nagniataniem zewnętrznych powierzchni walcowych jest stosowana jako wykończeniowa obróbka elementów typu: wały gładkie i stopniowe, czopy wałów korbowych, zwrotnic oraz długich osi, tłoczysk i innych. Celem stosowania danego sposobu obróbki nagniataniem może być np. zwiększenie gładkości i dokładności przedmiotu, względy ekonomiczne oraz zwiększenie odporności na korozję i na zmęczenie. Głębokość zalegania odkształceń plastycznych i stopień umocnienia oraz dokładność obróbki to główne różnice efektów obróbkowych dla poszczególnych sposobów nagniatania. Obróbkę nagniataniem wałków stosuje się najczęściej w operacjach wykonywanych dotychczas przez szlifowanie kłowe. Dla stali ulepszanych cieplnie bardziej ekonomiczna od operacji szlifowania jest operacja krążkowania sprężystego lub rolkowania z dociskiem sztywnym. Dobieranie warunków nagniatania zależy w dużym stopniu od celu zastosowania obróbki nagniataniem [1, 2,3, 4, 5, 6, 7, 8]: obróbka umacniająca o danym i kontrolowanym stopniu umocnienia przy mniejszym znaczeniu chropowatości powierzchni, obróbka gładkościowa, gdzie mniejsze znaczenie ma dokładność wymiarowa oraz stopień umocnienia warstwy wierzchniej, a istotne jest uzyskanie danej chropowatości powierzchni, obróbka gładkościowo - wymiarowa o kontrolowanej toleraji wymiarów i chropowatości. Przy projektowaniu procesu technologicznego wytwarzania czy regeneracji części maszyn należy wybrać sposób nagniatania, warunki obróbkowe oraz kształt i liczbę elementów nagniatających narzędzia. Projektując proces technologiczny, z zastosowaniem krążkowania promieni przejść wałków stopniowych, warto pamiętać, że rolki nagniatające przemieszczając się po przejściach ze średnicy mniejszej na większą, są obciążone dużą siłą wzdłużną skierowaną w kierunku przeciwnym do posuwu. Dobór warunków nagniatania naporowego jest zależny od sposobu wywierania docisku elementów nagniatających do obrabianej powierzchni, który może być sprężysty (siłowy) lub sztywny (naprężeniowy) [2, 3, 5, 6]. W przypadku sprężystego docisku narzędzia do przedmiotu obrabianego najważniejszym wymogiem obróbkowym procesu nagniatania jest wartość siły docisku. Określenie tego parametru jest możliwe przy zastosowaniu metody obliczeniowej. Ogranicza się ona przede wszystkim do wyznaczenia przybliżonych wartości siły nagniatania, potrzebnej do całkowitego odkształcenia nierówności po obróbce poprzedzającej. 1 Akademia Morska w Gdyni; Wydział Mechaniczny; 81-225 Gdynia; ul. Morska 81-87,. Tel: + 48 58 6901549, dylu@am.gdynia.pl 1176

Podczas obróbki nagniataniem kształtowane są właściwości użytkowe warstwy wierzchniej. Właściwości te mają w ustalonych warunkach eksploatacji znaczący wpływ na trwałość i niezawodność części maszyn, zespołów i gotowych urządzeń. Niezawodność pracy urządzeń i maszyn jest bardzo istotna w transporcie i logistyce. Przykładowo na statkach w trakcie rejsu dokonuje się napraw wielu części maszyn okrętowych. Często regeneruje walcowe powierzchnie zewnętrzne (np. czopy wału),można wtedy zaproponować jako obróbkę wykończeniową nagniatanie statyczne naporowo toczne (NSNT), które umożliwia spełnienie wymagań jakości technologicznej warstwy wierzchniej wyrobów. 1. METODYKA BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH Do celów badawczych zostało zaprojektowane i wykonane stanowisko laboratoryjne do obróbki wykończeniowej poprzez nagniatanie statyczne naporowo toczne (NSNT) bazujące na istniejących obrabiarkach uniwersalnych. Całkowicie nowym aspektem stanowiska laboratoryjnego było wykonanie nagniataka krążkowego z dociskiem sztywnym z wymiennymi elementami nagniatającymi o różnych promieniach zaokrągleń części roboczych. W pracy zaprezentowano badania doświadczalne wykonane w laboratorium Katedry Materiałów Okrętowych i Technologii Remontów. Badania eksperymentalne przeprowadzono dla próbek ze stali niestopowej C45 i stali odpornej na korozję X5CrNiMo17-12-2 o średnicy zewnętrznej 48mm i o wymiarach podanych na rysunku 1. Powierzchnie zewnętrzne walcowe przygotowano do nagniatania poprzez toczenie na tokarce uniwersalnej. Podczas obróbki zastosowano następujące parametry skrawania: posuw p = 0,5 mm/obr, głębokość skrawania a p = 0,5 mm, prędkość obrotową n = 1220 obr/min, prędkość skrawania v c = 190 m/min. Do smarowania i chłodzenia podczas toczenia zastosowano Emulgol ES-12. Toczenie wykonano nożem tokarskim wyposażonym w płytki wieloostrzowe wykonane z węglików spiekanych typu GC4015 (TNMX 160408 - WM) firmy Sandvik Coromant. Nagniatanie statyczne naporowo toczne (NSNT) powierzchni walcowych zewnętrznych wykonano za pomocą nagniataka krążkowego NK-01 produkcji Katedry Materiałów Okrętowych i Technologii Remontów, na tokarce uniwersalnej CDS 500x1000. Podczas obróbki nagniataniem zastosowano następujące parametry technologiczne: posuw p= 0,08 1,2 mm/obr; głębokość dosuwu nagniataka a n = 0,6 1 mm; siła nagniatania F= 0,7 1,1 kn; prędkość obrotową 450 900 obr/min, prędkość nagniatania v n = 65 135 m/min ilość przejść obróbkowych maksymalnie równą 3. Do smarowania i chłodzenia użyto olej maszynowy. Rys. 1. Schemat próbkiwalcowej do badań powierzchniowej obróbki plastycznej powierzchni walcowych zewnętrznych, k powierzchnia poddana nagniataniu Przeprowadzone badania wykonane zostały w oparciu o wykorzystanie nagniataka krążkowego z dociskiem sztywnym, dla tego przypadku siła nacisku wywoływana jest przez wzajemne oddziaływanie naprężeniowe narzędzia i przedmiotu (rys. 2). Nagniatanie toczne ze sztywnym dociskiem elementu nagniatającego powoduje wzrost dokładności wymiarowo kształtowej. Warstwa wierzchnia uzyskana w ten sposób charakteryzuje się nieregularnością chropowatości, nośności i umocnienia, co może niekorzystnie wpływać na właściwości eksploatacyjne wyrobu. Nieodpowiedni dobór parametrów technologicznych, głównie sił nagniatania może doprowadzić do zniszczenia warstwy wierzchniej przedmiotu, w postaci jej złuszczenia, pęknięć powierzchniowych itp. Przyczyną 1177

tego zjawiska jest brak wytycznych, bez których łatwo jest przekroczyć wartość siły wymaganej dla danego rodzaju materiału oraz warunków przeprowadzenia obróbki poprzedzającej. Zazwyczaj zastosowanie nagniatania jako obróbki wykończeniowej wiąże się z przeprowadzeniem każdorazowo badań eksperymentalnych procesu i na ich podstawie określeniem parametrów technologicznych. Rys. 2. Nagniatanie statyczne naporowo toczne (NSNT) powierzchni walcowych zewnętrznych (1) za pomocą nagniataka krążkowego NK-01 (2) z możliwością stosowania wymiennych elementów nagniatających w postaci krążka (3) Do pomiaru twardości używano twardościomierza FM-800, który umożliwiał precyzyjne i półautomatyczne pomiary wg metody Vickers a (HV) i Knoop a (HK) oraz współczynnika odporności na kruche pękanie (Kc). Pomiary twardości i mikrotwardości wykonano metodą Vickersa według normy PN-EN ISO 6507-1:1999, przy sile nacisku wynoszącej 20 N, czas obciążenia wynosił 10 s, a następnie wyznaczono stopień względnego umocnienia (S u ) warstwy wierzchniej z równania (1). Celem przeprowadzenia oceny wpływu parametrów procesu technologicznego na twardość obrabianej powierzchni, wyznaczono stopień względnego umocnienia warstwy powierzchniowej z równania [1, 2, 5]: HV1 HV0 Su 100% (1) HV0 gdzie: HV 0 twardość WW przed nagniataniem, HV 1 twardość WW po nagniataniu. Parametry stereometryczne SGP przed i po nagniataniu mierzono w pięciu punktach pomiarowych równo rozmieszczonych na powierzchni próbek w laboratorium Inżynierii Powierzchni znajdującym się na Wydziale Mechanicznym Akademii Morskiej w Gdyni. Do tych pomiarów użyto profilometru Hommel - Etamic T8000. Odcinek pomiarowy był o długości równej 4,8 mm, a odcinek elementarny był równy 0,8 mm. Dokonano pomiarów wielu parametrów stereometrycznych powierzchni po powierzchniowej obróbce plastycznej, między innymi przeprowadzono pomiar średniej arytmetycznej rzędnych profilu chropowatości (parametr Ra) i wyznaczono wskaźnik zmniejszenia chropowatości powierzchni z równania [1, 2, 5]: R' a K Ra Ra (2) gdzie:ra średnia arytmetyczna rzędnych profilu chropowatości powierzchni przed nagniataniem, [ m], Ra średnia arytmetyczna rzędnych profilu chropowatości powierzchni po nagniataniu, [ m]. 2. WYNIKI BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH Na podstawie przeprowadzonych analiz z wykorzystaniem programu Statistica, naporowego nagniatania tocznego stwierdzono, że dobór zastosowanych parametrów procesu technologicznego 1178

powinien zależeć od celu zastosowania powierzchniowej obróbki plastycznej. Proces technologiczny mający na celu uzyskanie małej chropowatości powierzchni powinien być przeprowadzony z możliwie największą siła dociskającą element roboczy do obrabianej powierzchni, natomiast prędkość nagniatania i posuw powinny być jak najmniejsze. Obróbka nagniataniem, której celem jest zwiększenie właściwości wytrzymałościowych warstwy wierzchniej elementów części maszyn, przykładowo twardości, stopnia względnego umocnienia, granicy wytrzymałości na rozciąganie, granicy wytrzymałości na zmęczenie, powinna się cechować zastosowaniem dużej siły nagniatania dla małej prędkości nagniatania oraz przy małym posuwie. Zależność pomiędzy parametrami technologicznymi powierzchniowej obróbki plastycznej zewnętrznych powierzchni walcowych a stopniem względnego umocnienia warstwy wierzchniej przedstawiona jest równaniem (3), a wskaźnikiem zmniejszenia chropowatości powierzchni przedstawiona jest równaniem (4). Podane zależności wyznaczono statystycznie na podstawie analizy wyników badań własnych nagniatania statycznego naporowo tocznego powierzchni walcowych zewnętrznych. Su 0,08vn 4,26p 13,75F 13,46 2,4 (3) KRa 0,02vn 6,3 p 9,53F 2,29 1,6 (4) gdzie: S u stopień względnego umocnienia warstwy wierzchniej, [-]; K Ra wskaźnik zmniejszenia chropowatości powierzchni, [-]; v n prędkość nagniatania, [m/min]; p posuw, [mm/obr]; F siła nagniatania, [kn]. Współczynnik odkształcenia względnego określono na podstawie równania: d p0 d p1 100%, (5) d gdzie: d p0 średnica zewnętrzna przedmiotu obrabianego po toczeniu, ( 48 mm), d p1 średnica zewnętrzna przedmiotu obrabianego po nagniataniu, [mm]. p0 Przed przystąpieniem do wykonywania pomiarów powierzchnie próbek (po toczeniu i nagniataniu) zostały wyczyszczone i odtłuszczone. Po przeprowadzonych badaniach eksperymentalnych oraz na podstawie wyników obliczeń uzyskanych z równania (5) określono, że po trzech przejściach obróbkowych podczas procesu nagniatania powierzchni walcowych zewnętrznych uzyskano wartości odkształcenia względnego mieszczą się w zakresie = 0,20 0,25 %. Po wykonaniu modelowania analitycznego powierzchniowej obróbki plastycznej dla powierzchni walcowych zewnętrznych i powierzchni płaskich, dla zadanych parametrów obróbkowych, wyznaczono zależność pomiędzy współczynnikiem względnego odkształcenia, dla podanego zakresu, a wskaźnikiem zmniejszenia chropowatości powierzchni wyrażoną równaniem (6) według własnego opracowania. KRa 2 157,35 67,35 9,55 2,4 (6) 1179

Rys. 3. Wpływ wskaźnika odkształcenia względnego ( ) na wartość wskaźnika zmniejszenia chropowatości powierzchni (K Ra ) Z danych przedstawionych na rysunku 3 wynika, że wraz ze wzrostem wskaźnika odkształcenia względnego zwiększa się wartość wskaźnika zmniejszenia chropowatości powierzchni (K Ra ). Zależność ta jest wyrażona równaniem (6). Tab. 1. Przykładowe parametry chropowatości powierzchni po nagniataniu statycznym naporowo tocznym dla próbek ze stali konstrukcyjnej niestopowej C45 (próbki C45-11 do C45-43) i ze stali odpornej na korozję X5CrNiMo17-12-2 (próbki 316-51 do 316-53) Nr próbki v n [m/min] [%] a n [mm] Ra [ m] Rk [ m] Rpk [ m] Rvk [ m] C45-11 65 0,21 0,6 0,58 1,20 0,45 1,90 C45-12 65 0,23 0,8 0,51 1,09 0,31 1,76 C45-13 65 0,25 1,0 0,49 0,98 0,26 1,55 C45-21 85 0,21 0,6 0,76 1,62 0,63 1,93 C45-22 85 0,23 0,8 0,66 1,54 0,53 1,80 C45-23 85 0,25 1,0 0,56 1,37 0,47 1,76 C45-31 105 0,21 0,6 0,78 1,72 0,78 1,93 C45-32 105 0,23 0,8 0,69 1,68 0,63 1,87 C45-33 105 0,25 1,0 0,61 1,49 0,54 1,79 C45-41 135 0,21 0,6 0,75 2,80 1,55 2,09 C45-42 135 0,23 0,8 0,68 2,73 1,42 1,77 C45-43 135 0,25 1,0 0,59 2,68 1,41 1,48 316-51 105 0,21 0,6 0,57 1,52 0,72 1,82 316-52 105 0,23 0,8 0,56 1,31 0,55 1,74 316-53 105 0,25 1,0 0,55 1,11 0,39 1,57 Przykładowe krzywe udziału materiałowego chropowatości powierzchni przed i po obróbce nagniataniem przedstawiono na rysunku 4, gdzie średnia arytmetyczna rzędnych profilu chropowatości powierzchni po toczeniu wynosi Ra = 1,55 m (Rys. 4a). Na ich podstawie i na podstawie danych zawartych w tabeli 1, można stwierdzić, że nastąpiło zmniejszenie chropowatości powierzchni i krzywe udziału materiałowego dla próbek ze stali konstrukcyjnej niestopowej (rys. 4b) i dla próbek ze stali odpornej na korozję (rys.4c) przybierają kształt wypukły. Jest to pozytywna właściwość, ze względu na nośność powierzchni. 1180

a) b) c) Rys. 4. Przykładowe krzywe udziału materiałowego dla stali niestopowej C45 po toczeniu (a), dla stali niestopowej C45 po nagniataniu statycznym naporowo tocznym (b), dla stali odpornej na korozję X5CrNiMo17-12-2 po nagniataniu statycznym naporowo tocznym (c) Występowanie kształtu płaskowyżu krzywej udziału materiałowego jest potejalnie związane z krótszym okresem docierania współpracujących elementów maszyn, a tym samym ich mniejszym zużyciem. Parametry charakteryzujące krzywą udziału materiałowego: głębokość rdzenia profilu chropowatości i zredukowana wysokość wzniesień, przyjmują najmniejszą wartość. Natomiast zredukowana głębokość wgłębień profilu nierówności przyjmuje największą wartość po obróbce nagniataniem przy zadanej dużej wartości głębokości dosuwu nagniataka i dla jak najmniejszej prędkości nagniatania i małej wartości posuwu. Rys. 5. Mikrotwardość w zależności od odległości od powierzchni obrabianej WW ze stali niestopowej C45, poprzez: 1 toczenie, 2 nagniatanie dla v n = 85 m/min, 3 nagniatanie dla v n = 105 m/min Rys. 6.Mikrotwardość w zależności od odległości od powierzchni obrabianej WW ze stali odpornej na korozję X5CrNiMo17-12-2 po obróbce nagniatainiem dla prędkości nagniatania, 1 v n = 85 m/min, 2 v n = 105 m/min, 3 v n = 135 m/min Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono zależności mikrotwardości WW od odległości od powierzchni po toczeniu i po obróbce nagniataniem dla różnych prędkości nagniatania. Na podstawie przeprowadzonych doświadczeń można dokonać oceny następstw technologicznych zmian w procesie 1181

nagniatania powierzchni walcowych zewnętrznych. Stosując różne prędkości obrotowe nagniatania i krążki nagniatające o różnych promieniach zaokrąglenia (3 mm, 5 mm, 7 mm, 10 mm, 12 mm) określono zmiany zachodzące w warstwie wierzchniej obrabianego przedmiotu. Po wykonaniu badań wyznaczono zmianę wzrostu twardości, a także procentowego umocnienia powierzchni metalu. Stwierdzono, że największe umocnienie warstwy wierzchniej wałków ze stali niestopowej i stali odpornej na korozję następuje przy nagniataniu z użyciem krążka o najmniejszym promieniu zaokrąglenia (R k = 3 mm). Dla elementów nagniatających typu krążek o najmniejszym promieniu zaokrąglenia występował największy zgniot. Z kolei dla krążków o dużych promieniach zaokrąglenia, mimo iż względne odkształcenie plastyczne było takie samo co do wartości, krążki nie zagłębiły się znacznie w materiał, występowały wtedy najmniejsze wartości twardości. Po przeprowadzonych badaniach doświadczalnych można stwierdzić, że aby uzyskać jak największy stopień względnego umocnienia dla przedstawionych założeń pracy, należałoby stosować element nagniatający typu krążek o małym promieniu zaokrąglenia, dwa lub maksymalnie trzy przejścia obróbkowe, mały posuw oraz średnie prędkości obrotowe. Po przeprowadzonych badaniach doświadczalnych, przy zadanych parametrach technologicznych nagniatania statycznego naporowego tocznego powierzchni walcowych zewnętrznych i powierzchni płaskich czołowych dla wartości odkształcenia względnego w zakresie = 0,20 0,25 %, określono także, zależność pomiędzy współczynnikiem względnego odkształcenia a stopniem względnego umocnienia dla stali niestopowej C45, którą przedstawiono za pomocą równania: 2 S 714,5 284,6 39 2,2 (7) u Rys. 7. Wpływ wskaźnika odkształcenia względnego ( ) na stopień względnego umocnienia (S u ) Na rysunku 7 przedstawiono zależność stopnia względnego umocnienia warstwy wierzchniej od wskaźnika odkształcenia względnego wyrażoną równaniem (7) dla zakresu odkształcenia względnego = 0,20 0,25 %. WNIOSKI Maksymalne umocnienie warstwy wierzchniej S u =12,5% można uzyskać dla odkształcenia względnego = 0,25 % dla trzech przejść obróbkowych. Wraz ze wzrostem wartości odkształcenia względnego następuje wzrost twardości warstwy wierzchniej, a tym samym wzrasta wartość stopnia względnego umocnienia. To zjawisko może być spowodowane wzrostem stanu energetycznego materiału pod wpływem działania sił zewnętrznych, kiedy to wzrastają wartości ściskających naprężeń własnych występujących w warstwie wierzchniej na określonej głębokości w odległości od powierzchni obrabianej. W przypadku uzyskania odpowiedniej wytrzymałości na zmęczenie materiału przy zachowaniu wymaganej głębokości umocnienia warstwy wierzchniej, konieczne staje się 1182

stosownie większych sił docisku, w porównaniu do nagniatania gładkościowego, zmniejszenia promieni zaokrąglenia krążków, rolek i zmniejszenia średnic kulek. Streszczenie W artykule zaprezentowano modelowanie analityczne eksperymentalne procesu nagniatania. Przeprowadzono badania modelowe nagniatania statycznego naporowo tocznego powierzchni walcowych zewnętrznych dla różnych rodzajów materiałów, dla stali niestopowych, stopowych nierdzewnych. Obróbka nagniataniem warstwy wierzchniej wałów napędowych (np. pomp wody morskiej) została przeprowadzona z wykorzystaniem nagniataka krążkowego (NK-01). Istotnym zagadnieniem do rozwiązania podjętego problemu w artykule było uzyskanie odpowiedniej jakości technologicznej, a także ze względu na aspekt ekonomiczny wytwarzania i regeneracji części maszyn, zastosowanie obróbki nagniataniem w zamian za gładkościową obróbkę ścierną. W badaniach eksperymentalnych uzyskano w warstwie wierzchniej wzrost twardości i krzywą udziału materiałowego o kształcie wypukłym, co biorąc pod uwagę nośność powierzchni wpływać będzie bezpośrednio na jej odporność na zużycie ścierne i korozyjne. Analysis of the experimental of burnishing process Abstract The paper was an analysis analytical experimental of the burnishing process. Modeling studies conducted burnishing process external cylindrical surfaces. Burnishing carried out for different types of materials for nonalloyed steels, stainless steels.burnishing processing technology is proposed using burnisher discoid (NK-01) in order to give adequate operational characteristics of the shafts neck centrifugal pumps. An important issue to resolve in the article of the research was to obtain appropriate technological quality, and also because of the economic aspect of the production and regeneration of machine parts, burnishing applied in exchange for abrasive processing. In experimental studies were obtained in the surface layer irease in hardness and the Abbott-Firestone curve a convex shaped, which given load capacity of the surface will be directly affected by its resistae to wear and corrosion. BIBLIOGRAFIA 1. Dyl T., Numeryczna i eksperymentalna analiza procesu nagniatania z wykorzystaniem teorii sprężystości i plastyczności, Prace Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia 2014. 2. Korzyński M., Nagniatanie ślizgowe. Wydawnictwo Naukowo Techniczne. Warszawa 2007. 3. Kukiełka L., Teoretyczne i doświadczalne podstawy powierzchniowego nagniatania tocznego z elektrokontaktowym nagrzewaniem. Wydawnictwo Uczelniane Wyższej Szkoły Inżynierskiej, Koszalin 1994. 4. Odiov L. T., Finisnaja obrabotka detalej vyglazyvaniem i almaznym vyglazyvaniem. Masinostrojenie, Moskva 1981. 5. Przybylski W., Technologia obróbki nagniataniem. Wydawnictwo Naukowo Techniczne. Warszawa 1987. 6. Tubielewicz K., Technologia i oprzyrządowanie w obróbce powierzchniowej. Politechnika Częstochowska. Częstochowa 1996. 7. Vorontsov A. L., The Stress Strain State of Hollow Cylindrical Workpieces when Burnishing Holes. Russian Engineering Research 2 (2007) 108-114. 8. Walton H. W., Deflection methods to estimate residual stress. Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel edited by G. Totten, M. Howes, and T. Inoue, (2002) 89-98. 1183