Techniki Wytwarzania NAGNIATANIE NAPOROWE CZĘŚCI MASZYN Cele: - opanowanie zagadnień dotyczących nagniatania naporowego; - opanowanie umiejętności analizy uzyskiwanych (wady powierzchni, chropowatość, stopień umocnienia); - praktyczne ćwiczenia nagniatania naporowego rolkowanie. Zagadnienia: 1. Podstawowe pojęcia dotyczące obróbki nagniataniem (cel, zalety, wady, podział). 2. Rodzaje nagniatania i ich charakterystyka. 3. Podstawy fizyczne procesu nagniatania (fizyczny model nagniatania, umocnienie ww., struktura, budowa ww. po nagniataniu). 4. Praktyczne zapoznanie z techniką nagniatania naporowego. 5. Analiza efektów nagniatania w materiale (chropowatość, twardość). Literatura: 1) W. Przybylski Technologia obróbki nagniataniem, WNT, Warszawa 1987; 2) J. Łunarski Nowe technologie nagniatania i ich zastosowanie w przemyśle elektromaszynowym, ODK-SIMP, Rzeszów 1986. CZĘŚĆ ZASADNICZA Cel i zakres stosowania nagniatania Obróbka nagniataniem jest jedną z metod obróbki wykańczającej, stosowanej po obróbce wiórowej lub ściernej, polegającą na wykorzystaniu miejscowego odkształcenia plastycznego wytwarzanego w warstwie wierzchniej przedmiotu wskutek określonego, stykowego współdziałania twardego i gładkiego narzędzia (o kształcie kuli, krążka, wałka lub innym) z powierzchnią obrabianą. Proces nagniatania odbywa się na zimno", tzn. bez dodatkowego podgrzewania przedmiotu i narzędzia. Istotne jest, że nagniatanie nie jest obróbką kształtującą, gdyż kształt przedmiotu uzyskano w wyniku operacji poprzedzających. Odkształcenia plastyczne są wywołane przez układ sił powodujących naciski powierzchniowe przekraczające wartość naprężenia uplastyczniającego materiału obrabianego. Powodują one oprócz przemieszczania nierówności także zgniot w warstwie wierzchniej obrabianego przedmiotu. Efektem przemieszczania nierówności powierzchni jest zmniejszenie chropowatości powierzchni obrobionej, natomiast efektem zgniotu - zasadnicza zmiana własności warstwy wierzchniej przedmiotu. W wyniku przeprowadzonej obróbki możliwe jest również zwiększenie dokładności wymiarowej i dokładności kształtu obrabianych przedmiotów. Zmiany wymiarowe podczas nagniatania są niewielkie.
Obróbka wykańczająca Obróbka zgrubna Celem obróbki nagniataniem jest: zmniejszenie wysokości nierówności powierzchni po wcześniejszych obróbkach; zmianę własności fizycznych materiału w warstwie wierzchniej przedmiotu, powodujących uodpornienie go na działanie takich czynników eksploatacyjnych, jak zmęczenie, zużycie ścierne, korozja i in.; zwiększenie dokładności wymiarowej z jednoczesnym zmniejszeniem chropowatości; o wytworzenia mikrorowków smarnych na powierzchniach współpracujących w warunkach tarcia (czopów, panewek, prowadnic) w celu zwiększenia ich odporności na zatarcie i zużycie ścierne; o wytworzenia różnorodnych wzorów (reliefów) na powierzchniach (w celu podwyższenia ich walorów dekoracyjnych), np. naczyń aluminiowych, długopisów, zapalniczek i innej galanterii metalowej. W praktyce przemysłowej obróbce nagniataniem poddaje się części ze stali węglowych i stopowych (nisko- i średniowęglowych), stopów miedzi, aluminium i żeliw ferrytycznych, dla których wymagana jest duża gładkość powierzchni (R a = 0.32 1.25 m) i średnia dokładność wymiarowo-kształtowa (IT7-IT8), oraz różne części o wymaganej dużej wytrzymałości zmęczeniowej. Rys. 1. Przeciętne zakresy dokładności dla różnych sposobów obróbki Klasy dokładności 5 6 7 8 9 10 11 12 toczenie struganie frezowanie wiercenie rozwiercanie szlifowanie wytaczanie toczenie wielonożowe frezowanie struganie toczenie rozwiercanie nagniatanie sprężyste nagniatanie sztywne szlifowanie docieranie Zalety i wady nagniatania W porównaniu z tradycyjnymi metodami wykańczającej obróbki skrawaniem, obróbka nagniataniem - jako bezwiórowa powierzchniowa obróbka plastyczna - ma wiele istotnych zalet: a) zalety związane z jakością przedmiotu obrabianego: możliwość uzyskania powierzchni o bardzo małej chropowatości (R a = 0.08 m) oraz dużych promieniach zaokrągleń wierzchołków i wrębów (większych niż po szlifowaniu); duży udział nośny profilu nierówności (ok. 90%) oraz duża obciążalność powierzchni, gwarantująca znaczną trwałość pasowań i połączeń (np. wtłaczanych); brak na powierzchni poddanej nagniataniu twardych odprysków narzędzi (ziaren ścierniwa, cząstek narostu) i wiórów; możliwość uzyskania powierzchni o dużym współczynniku odbicia światła; dobra przyczepność i równomierność nakładanych galwanicznie twardych powłok;
zachowanie ciągłości wewnętrznych włókien metalu oraz minimalne nagrzewanie się przedmiotu, wykluczające powstawanie przypaleń, odwęglenia i deformacji cieplnych; wytwarzanie w warstwie wierzchniej zgniotu (do głębokości kilku milimetrów), trwałych naprężeń wewnętrznych ściskających, zwiększenie twardości; zwiększenie odporności na działanie czynników eksploatacyjnych, jak ścieranie, zmęczenie postaciowe i powierzchniowe, korozja powierzchniowa; możliwość konstytuowania warstwy wierzchniej o określonych własnościach; możliwość likwidacji lokalnych spiętrzeń naprężeń wewnętrznych (np. poprzez nagniatanie promieni zaokrągleń w śrubach i czopach wałów wykorbionych); mały współczynnik tarcia i dobra przyczepność środków smarujących do powierzchni obrobionych nagniataniem. b) zalety związane z technologią nagniatania: duża efektywność wygładzenia powierzchni w jednym przejściu roboczym narzędzia oraz duża wydajność obróbki (ok. 4 razy większa w porównaniu ze szlifowaniem); duża trwałość narzędzi nagniatających, co ułatwia automatyzację procesu nagniatania; obróbka na uniwersalnych obrabiarkach skrawających; małe zapotrzebowanie na moc i lepsze wykorzystanie materiału obrabianego ze względu na bezwiórową obróbkę; zastąpienie nagniataniem pracochłonnych operacji gładzenia, dogładzania, docierania; możliwość łączenia nagniatania z obróbką skrawaniem w jedną operację; możliwość zastąpienia obróbki cieplnej lub cieplno-chemicznej przez operację nagniatania umacniającego (np. otworów w dużych korpusach spawanych); możliwość obróbki twardych powłok galwanicznych i warstw dyfuzyjnych odpornych na zużycie ścierne (np. nagniatanie diamentem powierzchni azotowanych); obróbka bez chłodzenia strefy nagniatania; duże bezpieczeństwo robotnika podczas pracy (niska temperatura oraz całkowity braku wiórów, szkodliwych pyłów czy iskier). c) szczególne zalety obróbki nagniataniem oscylacyjnym (małą kulką): możliwość łatwego kształtowania na obrabianej powierzchni regularnych nierówności; możliwość sterowania parametrami chropowatości (wysokość, odstęp, promień wierzchołka, kąt zarysu); możliwość wygniatania na powierzchni obrabianej mikrorowków smarnych o dowolnym układzie, które zapobiegają zacieraniu i zmniejszają zużycie ścierne; możliwość stosowania nagniatania oscylacyjnego jako obróbki poprzedzającej klejenie części metalowych; obróbka w celach dekoracyjnych, zastępująca pracochłonne polerowanie (np. miękkich stopów aluminium), oraz wytwarzanie ozdobnych reliefów. Do głównych wad nagniatania zalicza się: małą dokładność wymiarowo-kształtową, dotyczącą szczególnie nagniatania naporowego sprężystego, które nie poprawia zasadniczo dokładności po obróbce poprzedzającej; ograniczenie twardości materiału obrabianego w przypadku nagniatania tocznego elementami stalowymi (praktycznie do ok. 45 HRC); kłopotliwy dobór właściwych parametrów obróbki; możliwość wystąpienia podczas procesu obróbki łuszczenia się powierzchni nagniatanej przy stosowaniu dużych sił docisku; konieczność starannej (bez zadziorów i narostu) oraz dokładnej obróbki poprzedzającej nagniatanie ze względu na możliwość wystąpienia stref nierównomiernego zgniotu; trudności w zastosowaniu do obróbki cienkościennych tulei (gdy d/d > 0.8); występowanie błędów technologicznych w przekroju osiowym przedmiotu, np. rozgniatanie stref wprowadzenia i wyprowadzenia nagniataka z otworu oraz sfałdowań materiału i deformacji krawędzi.
W porównaniu z tradycyjną ścierną obróbką wykańczającą, obróbka nagniataniem pozwala osiągnąć w produkcji lepsze efekty ekonomiczne. Tabela 1. Porównanie pracochłonności i kosztu różnych metod obróbki wykańczającej otworów Metoda obróbki wykańczającej Względny Pracochłonność koszt operacji operacji w minutach Nagniatanie sztywnym nagniatakiem wielorolkowym 1 1.67 Dokładne roztaczanie na wiertarko-frezarce 1.38 1.82 Szlifowanie stali nie obrabianej cieplnie 2.07 2.88 Dokładne roztaczanie na tokarce 2.76 3.12 Wytaczanie nożem 3.79 3.42 Szlifowanie stali ulepszonej cieplnie 2.76 3.42 Rozwiercanie 4.07 5.28 Koszt obróbki nagniataniem jest ok. 4 razy niższy od kosztu gładkościowej obróbki ściernej oraz nieco niższy od kosztu toczenia wykańczającego. Efekty ekonomiczne operacji nagniatania są jeszcze większe w przypadku obróbki przedmiotów, które mogą mieć małą dokładność wymiarowo-kształtową (klasa IT8), lecz ze względu na warunki pracy muszą wykazywać dużą gładkość powierzchni. Do takich przedmiotów zaliczane są np. tłoczyska i cylindry siłowników hydraulicznych, wałki napędowe i sterujące, śruby i inne części ulepszone cieplnie. W takich przypadkach nie jest konieczna obróbka szlifowaniem jako poprzedzająca operację nagniatania. Tabela 2. Porównanie kosztów różnych metod obróbki wykańczającej dwu serii wałków w zależności od wymaganej chropowatości powierzchni. Chropowatość powierzchni R a [ m] 0.32-0.63 0.16-0.32 0.10-0.16 0.05-0.10 Względny koszt obróbki 1000 szt. wałków nagniatanie przyrządem trzykrążkowym 1 1.10 1.31 1.69 szlifowanie kłowe 1.68 2.09 - - szlifowanie i dogładzanie oscylacyjne - - 2.35 2.57 Procentowe zmniejszenie kosztów obróbki nagniataniem w stosunku do szlifowania [%] Najlepsze rezultaty ekonomiczne można osiągnąć, łącząc za pomocą specjalnego narzędzia i oprzyrządowania operację skrawania z nagniataniem. Jest to możliwe w przypadku toczenia, wytaczania i frezowania. Sposób ten jest wyjątkowo korzystny w technologii długich wałów, tłoczysk, przy obróbce dużych płaszczyzn i głębokich otworów (szczególnie w cylindrach hydraulicznych i rurach wiertniczych), które można obrabiać na gotowo w jednym przejściu roboczym narzędzia złożonego. 40 48 40 35
Charakterystyka jakości technologicznej wyrobów nagniatanych Dokładność wymiarowo - kształtowa Uzyskiwana dokładność zależy w znacznym stopniu od obróbki poprzedzającej i stosowanego sposobu nagniatania. W zasadzie końcowy wymiar w zadanej tolerancji można otrzymać, stosując nagniatanie toczne głowicami rolkowymi lub przepychanie kulki (trzpienia). Konieczne jest jednak ustalenie zależności pomiędzy trwałą zmianą wymiaru przedmiotu oraz warunkami obróbki i zastosowanie odpowiednio dokładnej obróbki wstępnej. Możliwości poprawienia błędów kształtu (owalizacji, stożkowatości itp.) istnieją przy stosowaniu narzędzi z dociskiem sztywnym, a także głowic rolkowych oraz nagniatania ślizgowego, są jednak ograniczone wielkością dopuszczalnych odkształceń plastycznych. Stan warstwy wierzchniej Nagniatanie wywołuje szereg istotnych zmian stanu warstwy wierzchniej. Charakter tych zmian zależy od sposobu nagniatania i warunków obróbki oraz od rodzaju i stanu materiału obrabianego. Stan warstwy wierzchniej można scharakteryzować, podając jej własności stereometryczne i fizyczne. Własności stereometryczne określone są głównie przez parametry charakterystyki chropowatości powierzchni. Własności fizyczne określają: własności mechaniczne materiału w obrębie warstwy wierzchniej (np. mikrotwardość), parametry charakteryzujące strukturę (wymiary i kształt ziarn, skład fazowy itp.), tekstura, naprężenia. Wszystkie te wielkości należy traktować jako funkcje odległości od powierzchni. Stan warstwy wierzchniej po nagniataniu można scharakteryzować jak następuje. Wskutek odkształceń plastycznych, wywołanych przez gładki element narzędzia, następuje spłaszczenie wierzchołków mikronierówności powierzchni i zmniejszenie chropowatości powierzchni. Przez odpowiedni dobór sposobu i warunków nagniatania można otrzymać powierzchnię o żądanych parametrach chropowatości. Szczególnie małą chropowatość, porównywalną z chropowatością elementów narzędzia (R a = 0.04 μm), otrzymuje się stosując sposoby statyczne. Nagniatanie dynamiczne nie daje tak małej chropowatości. W warstwie wierzchniej występuje zgniot (gdy nagniatanie przeprowadza się na zimno). Materiał ulega wzmocnieniu. Podstawowym (mierzalnym w obrębie warstwy wierzchniej) parametrem charakteryzującym wzmocnienie jest mikro- lub mezotwardość. Stopień i głębokość wzmocnienia zależy od sposobu i warunków nagniatania oraz od rodzaju i stanu materiału. Dla stali największy względny przyrost twardości występuje przy strukturze ferrytycznej (do 100%). Głębokość warstwy umocnionej może wynosić od ok. 0.1 do kilkunastu mm. Struktura i tekstura materiału warstwy wierzchniej są charakterystyczne dla stanu zgniotu. Występuje rozdrobnienie i zmiana pierwotnego kształtu ziarn (wydłużenie w kierunku największego odkształcenia). Mogą zachodzić przemiany fazowe (np. austenitu szczątkowego w martenzyt). Podczas tzw. nagniatania elektromechanicznego (sposoby toczne i ślizgowe z nagrzewaniem elektrooporowym strefy kontaktu elementu narzędzia z przedmiotem) zmiany strukturalne wynikają z połączonego oddziaływania temperatury i odkształceń plastycznych. Naprężenia ostateczne w warstwie wierzchniej są ściskające i wynikają ze zwiększenia objętości właściwej materiału w stanie zgniotu. Maksymalne (co do bezwzględnej wartości) naprężenia występują w pobliżu powierzchni. Stan warstwy wierzchniej określa tzw. charakterystyka podstawowa, zawierająca profilogram, zdjęcia obrazujące stan powierzchni i strukturę (na zgładzie metalograficznym przekroju warstwy wierzchniej) oraz wykresy zależności naprężeń i względnego przyrostu mikrotwardości w funkcji odległości od powierzchni.
Charakterystyka jakości użytkowej wyrobów nagniatanych Wytrzymałość zmęczeniowa Nagniatanie powoduje istotny wzrost wytrzymałości zmęczeniowej, spowodowany wzmocnieniem materiału warstwy wierzchniej, korzystnym stanem naprężeń i zmniejszeniem chropowatości powierzchni. Wzrost ten zależy przede głównie od stopnia i głębokości umocnienia. W przypadku, gdy wyrób w warunkach eksploatacyjnych podlega obciążeniom zmiennym przy zginaniu lub skręcaniu, maksymalne naprężenia występują przy powierzchni. Optymalna głębokość warstwy umocnionej mieści się w granicach 0.05 0.10r, gdzie r jest promieniem części. Istotny jest także wpływ naprężeń, które powodują asymetrię cyklu obciążenia, co wpływa korzystnie na wytrzymałość zmęczeniową. Podwyższenie wytrzymałości zmęczeniowej występuje przy wszystkich sposobach nagniatania, pozwalających osiągnąć w danych warunkach odpowiedni stopień i głębokość wzmocnienia. Szczególnie polecane są sposoby dynamiczne, w których osiąga się duże grubości warstwy wzmocnionej bez naruszenia spójności i niepożądanych deformacji mniej sztywnych przedmiotów. Duże znaczenie ma nagniatanie fragmentów powierzchni wyrobów, w których występuje koncentracja naprężeń: promieni przejść między stopniami wałów, wycięć, podtoczeń itp. Względny przyrost wytrzymałości zmęczeniowej może wynosić dla wałów bez stopni 25 90%, a dla części z koncentratorami naprężeń nawet 150 200%. Odporność na zużycie ścierne Podwyższenie twardości i obniżenie chropowatości powierzchni podnosi odporność na zużycie ścierne, zwłaszcza przy tarciu ślizgowym w obecności smaru. Dobre wyniki uzyskuje się, stosując sposoby oscylacyjne. Korzystne jest nagniatanie toczne lub wygładzanie ślizgowe niektórych stali stopowych po obróbce cieplnej w celu wywołania przemiany martenzytycznej w austenicie szczątkowym (względny przyrost odporności na zużycie ścierne może osiągnąć wtedy 50%). Ponadto nagniatanie powoduje skrócenie czasu docierania współpracujących części oraz zmniejszenie współczynnika tarcia, gdyż osiąga się korzystne parametry charakterystyki chropowatości powierzchni (płaskie wierzchołki mikronierówności, specyficzny układ śladów obróbki po nagniataniu oscylacyjnym, stwarzający dobre warunki smarowania). Nagniatanie powierzchni pracujących w warunkach tarcia tocznego przy wysokich naciskach nie jest zalecane. Odporność na korozję Odporność na korozję wynika z działania dwóch przeciwstawnych czynników: materiał w stanie zgniotu ma obniżoną odporność na korozję oraz korozji przeciwdziała istnienie gładkiej powierzchni. Nagniatanie poprawia odporność na korozję, jeżeli uzyskuje się bardzo gładką powierzchnię przy małych i jednorodnych odkształceniach. Jest to możliwe przy nagniataniu tocznym z małymi naciskami odpowiednio przygotowanych powierzchni. Sztywność stykowa Nagniatanie powoduje wzrost rzeczywistej powierzchni styku, a tym samym obniżenie naprężeń kontaktowych w strefie oddziaływania współpracujących części. Brak ostrych wierzchołków mikronierówności ogranicza w znacznym stopniu możliwość ich plastycznego odkształcania podczas eksploatacji. Sztywność stykowa wzrasta po nagniataniu 2-3 razy. Zdolność powierzchni do odbijania światła i efekty specjalne Powierzchnie nagniatane sposobami tocznymi mają duże odstępy mikronierówności o płaskich wierzchołkach. Zwiększa to zdolność do odbijania światła (małe rozpraszanie). Stosowanie sposobów oscylacyjnych umożliwia, dzięki sterowaniu układem śladów obróbki, uzyskanie różnorodnych efektów dekoracyjnych.
Zastosowanie nagniatania w technologii maszyn Zakres zastosowań nagniatania wynika z charakterystyki jakości technologicznej i użytkowej części obrabianych oraz techniczno - ekonomicznej efektywności procesu. Korzystne efekty nagniatania osiągane są na ogół w sposób prosty, nie wymagający dużych nakładów. Wykorzystuje się obrabiarki skrawające i niezbyt skomplikowane oprzyrządowanie. Niektóre typy głowic rolkowych są dostępne jako narzędzia handlowe. W wielu przypadkach nagniatanie zastępuje bardziej pracochłonne operacje wykańczającej obróbki ściernej. Wysoka jakość użytkowa powoduje zwiększenie żywotności i niezawodności części podczas eksploatacji. Wynika stąd zastosowanie nagniatania w przemyśle lotniczym i silnikowym oraz w budowie pojazdów szynowych i samochodowych także w tych przypadkach, gdy nie daje to bezpośredniej obniżki pracochłonności (czyli gdy nagniatanie jest operacją dodatkową, np. po uprzedniej obróbce cieplnej i szlifowaniu). Przykłady zastosowania obróbki nagniataniem: osie, wały, trzpienie gładkie i stopniowane -stosuje się nagniatanie gładkościowo - wymiarowe lub wzmacniające, zwłaszcza toczne i ślizgowe; cylindry, powierzchnie wewnętrzne otworów - nagniatanie gładkościowo - wymiarowe za pomocą głowic wielorolkowych i narzędzi skrawająco - nagniatających jest efektywnym sposobem obróbki wykańczającej powierzchni otworów w długich cylindrach; siłowników hydraulicznych, kilkakrotnie wydajniejszym i tańszym od tradycyjnych metod obróbki ściernej - sposoby ślizgowe i toczne stosuje się do wzmacniania powierzchni otworów pod nity w konstrukcjach lotniczych; prowadnice i inne powierzchnie oporowe i ślizgowe - stosuje się nagniatanie jako obróbkę wzmacniającą i gładkościową, głównie sposobami tocznymi (także oscylacyjnymi); łopatki turbin, wirników, śmigła, płaty, sprężyny, resory - zastosowanie ma zwłaszcza nagniatanie wzmacniające sposobami dynamicznymi o działaniu rozproszonym; koła zębate, gwinty, wielowypusty - stosuje się nagniatanie statyczne wzmacniające lub gładkościowe za pomocą narzędzi współpracujących z zarysem uzwojenia; lustra reflektorów i inne powierzchnie odblaskowe lub dekoracyjne - przeważnie stosuje się nagniatanie toczne, także oscylacyjne. Warunki obróbki przy nagniataniu tocznym oraz podstawy ich doboru 1. Siła nagniatania P, lub - dla przyrządów wywierających nacisk w sposób sztywny (np. głowic wielorolkowych) - tzw. naddatek u (gniot bezwzględny). 2. Posuw p, będący przemieszczeniem przyrządu względem przedmiotu obrabianego, przypadającym na jeden obrót, podwójny skok lub jeden element roboczy (w zależności od kinematyki procesu i rodzaju przyrządu). 3. Prędkość nagniatania v (prędkość ruchu głównego). 4. Liczba przejść i, lub tak zwana uogólniona liczba przejść f, którą określa się jako liczbę obciążeń siłą nagniatania każdego punktu powierzchni obrabianej. 5. Rodzaj ośrodka chłodząco - smarującego oraz intensywność jego doprowadzania do strefy obróbki (wydatek). 6. Sposób obróbki oraz parametry chropowatości powierzchni przed nagniataniem (zwłaszcza R a ). Warunki obróbki dobiera się dla konkretnego przyrządu, posiadającego określoną liczbę elementów roboczych o ustalonym kształcie i wymiarach oraz dla danego gatunku i stanu materiału obrabianego. Istotne są również: kształt i wymiary przed-miotu obrabianego oraz jego sztywność (ze względu na możliwość przeniesienia sił nagniatania bez niepożądanych deformacji). Cechy te wpływają na wybór sposobu nagniatania i konstrukcję przyrządów. Przystępując do projektowania procesu technologicznego należy więc najpierw określić sposób nagniatania i typ przyrządu. Dobór warunków obróbki przeprowadza się zazwyczaj sposobem doświadczalnym (lub analityczno - doświadczalnym). Dla typowych przyrządów dostępne są odpowiednie normatywy, opracowane na podstawie badań doświadczalnych.
Wyznaczanie charakterystyki chropowatości Chropowatość powierzchni (PN-73/M-04251) stanowi zbiór nierówności powierzchni rzeczywistej, umownie określanych jako odchyłki profilu zmierzonego od linii odniesienia w granicach odcinka, na którym nie uwzględnia się błędów kształtu i falistości. Stan przestrzenny nierówności ocenia się na podstawie profilu uzyskanego przez przecięcie powierzchni płaszczyzną prostopadłą do powierzchni wyrobu i wyróżnionego kierunku śladów obróbki (jeżeli taki istnieje). Opisuje go szereg parametrów: R a - średnie odchylenie profilu od linii średniej, R z - średnia odległość pięciu najwyżej i najniżej położonych punktów profilu, R max - największa wysokość nierówności, S m - średnia odległość nierówności, S - średnia odległość wierzchołków profilu, N L - udział nośny liniowy (parametr funkcyjny). Zbiór wartości wybranych parametrów charakteryzujących profil nazywamy charakterystyką chropowatości powierzchni. Parametry te wyznacza się na długości tak zwanego odcinka elementarnego L c. Klasyfikacja sposobów nagniatania i narzędzi Kryteria klasyfikacji sposobów nagniatania: sposób działania sił nagniatających, wywieranych przez narzędzie; cechy kinematyczno-konstrukcyjne układu obróbkowego; rodzaj kontaktu narzędzia z powierzchnią obrabianą; rodzaj współpracy narzędzia z przedmiotem; kształt i liczba elementów nagniatających narzędzia. Element nagniatający jest to część narzędzia nagniatającego, która współpracuje bezpośrednio z powierzchnią obrabianą przedmiotu. Elementami nagniatające to kulki, rolki, krążki oraz kształtowe trzpienie nagniatające - wykonane najczęściej ze stali hartowanych. Rolka nagniatająca - obrotowy element o kształcie walca, stożka, baryłki lub inny profil, bez otworu osiowego, dla którego stosunek długości do średnicy wynosi l/d 1; Krążek nagniatający - jest to obrotowy element walcowy, stożkowy lub o złożonym kształcie powierzchni zewnętrznej, z otworem osiowym, o stosunku wymiarów l/d < 1; Trzpień nagniatający - jest to obrotowy lub nieobrotowy element o złożonym kształcie, którego powierzchnia robocza może być wycinkiem kuli, torusa lub mieć inny kształt; jest on stosowany do nagniatania ślizgowego. Nagniatak jest to narzędzie o prostej budowie z jednym elementem nagniatającym, które w czasie pracy nie wykonuje ruchu obrotowego, np. imakowy nagniatak kulkowy używany na tokarkach uniwersalnych; Głowica nagniatająca jest to narzędzie z wieloma elementami nagniatającymi, wykonujące podczas pracy ruch obrotowy lub posuwowy, np. głowica wielorolkowa z precyzyjną regulacją wymiaru nastawczego; Przyrząd nagniatający to urządzenie z własnym napędem, współdziałające z układem kinematycznym obrabiarki, np. przyrząd suportowy do oscylacyjnego lub dynamicznego kulkowania wałków na tokarkach uniwersalnych. Nagniatanie można podzielić na dwie główne grupy: statyczne, w których siły nagniatania mają stałą wartości, tzn. działają statycznie na obrabiany przedmiot poprzez elementy nagniatające, będące podczas obróbki w ciągłym kontakcie z powierzchnią obrabianą: krążkowanie, kulkowanie zwykłe i oscylacyjne, rolkowanie,
przetłaczanie ślizgowe, wygładzanie ślizgowe; dynamiczne - siły nagniatania są okresowo zmienne w czasie obróbki, a więc działają na przedmiot dynamicznie, a elementy nagniatające są lub nie są w ciągłym kontakcie z powierzchnią obrabianą i uderzają o powierzchnię obrabianą z dużą częstotliwością. W przypadku gdy elementy nagniatające nie tracą kontaktu z przedmiotem (nagniatanie wibracyjne), wartość siły nagniatania jest zmienna, lecz nie zerowa (docisk wstępny): kulkowanie i rolkowanie dynamiczne, młotkowanie, kulkowanie strumieniowe i wibracyjne. Nagniatanie statyczne może przebiegać w różnych warunkach cieplnych, jako nagniatanie mechaniczne na zimno oraz elektromechaniczne (termomechaniczne) z elektrycznym kontaktowym podgrzewaniem strefy obróbki. Większość sposobów nagniatania statycznego może być realizowana jako zabieg następujący bezpośrednio po skrawaniu, bądź równocześnie ze skrawaniem w jednym zabiegu złożonym (np. z toczeniem, przeciąganiem). Elementy nagniatające: a) kulka, b) rolki: stożkowa i walcowa, c) krążek z pasmem walcowym, d) krążek z dużym promieniem, e) krążek z zarysem promieniowo - stożkowym, f) krążek z małym promieniem, g) krążek z zarysem specjalnym do nagniatania dużych promieni przejść międzystopniowych wałów
Statyczne sposoby nagniatania Nagniatanie naporowe toczne Podczas nagniatania naporowego tocznego występuje ruch obrotowy elementów nagniatających. Elementy te toczą się po obrabianej powierzchni przedmiotu pod obciążeniem statycznie działających sił naporu. Ruch ten wynika z pokonania sił tarcia tocznego między przedmiotem a elementami nagniatającymi narzędzia i jest nadawany przez obracający się przedmiot lub narzędzie. Rys. 2. Nagniatanie naporowe toczne wałków nagniatakami z dociskiem sprężystym: a) krążkowanie naporowe; b) kulkowanie; c) rolkowanie; 1 - przedmiot obrabiany, 2 - krążek nagniatający, 3 nagniatak imakowy, 4- kulka nagniatająca, 5 - uchwyt kulki, 6,8 - łożyska toczne, 7 - rolka nagniatająca, 9 - sprężyna dociskająca. Krążkowanie naporowe Krążkowanie jest najprostszym i najczęściej stosowanym sposobem obróbki nagniataniem. Istnieje wiele odmian tego sposobu, które można wyodrębnić w zależności od różnych kryteriów, jak: cel obróbki, charakter siły docisku, kierunek posuwu nagniatania i sposób zamocowania w układzie obróbkowym. Krążkowanie wzdłużne stosuje się głównie do nagniatania długich wałków, krążkowanie poprzeczne do obróbki krótkich powierzchni na wałach sztywnych - głównie czopów, natomiast krążkowanie kątowe do nagniatania umacniającego promieni przejść stopniowych lub wykorbionych wałów napędowych. Rys. 3. Odmiany krążkowania naporowego wałków: a wzdłużne, b - poprzeczne, c - kątowe.
Do krążkowania zaliczamy także następujące odmiany specjalne nagniatania: krążkowanie łuskujące, krążkowanie elektromechaniczne, krążkowanie krążkiem toroidalnym, krążkowanie oscylacyjne. Rys. 4. Schemat jednoczesnej obróbki skrawaniem i krążkowania naporowego wałka. Kulkowanie naporowe Wspólną cechą wszystkich odmian kulkowania naporowego jest kształt elementu nagniatającego, który ma postać twardej i gładkiej kulki. Kulki mogą być zamocowane w narzędziach w różny sposób: w indywidualnych oprawkach nagniataków, w specjalnym uchwycie, tzw. koszyczku, zapewniającym równomierne rozmieszczenie kulek na obwodzie kołowych bieżni, w głowicach planetarnych, umieszczone swobodnie w rowkach głowic obrotowych z zamkniętym obiegiem kulek. Rys. 5. Układy kulkowania naporowego wałków: a) na tokarce ze sztywnym sposobem wywierania siły docisku F, 1 - przedmiot, 2 - kulka nagniatająca, 3 - łożysko toczne podpierające, 4 - imak nożowy suportu, b) ze sprężystym dociskiem kulki, c) nagniatakiem dźwigniowym ze sprężyną, d) dźwigniowy z dwupunktowym podparciem kulki i dociskiem pneumatycznym Rys. 6. Schemat układu kulowania tocznego ze sztywnym dociskiem kulki zamocowanej w oprawce obrotowej.
Kulowanie oscylacyjne polega na plastycznym kształtowaniu na obrabianej powierzchni ciągłego rowka przez twardą i gładką kulkę, która oscylując w płaszczyźnie posuwu wzdłużnego pod określonym naciskiem przemieszcza się z posuwem nagniatania wzdłuż obrabianej powierzchni. i = 0 i = 0.5 i 0.5 Rys. 7. Ślady kulowania oscylacyjnego. Rolkowanie naporowe Rolkowanie jest obecnie najbardziej rozwijającym się sposobem obróbki przez nagniatanie. Wynika to z wielu zalet, jakie wykazuje ten sposób nagniatania: możliwość stosowania rolek z łożysk tocznych, małe wymiary narzędzi nagniatających do otworów, duża powierzchnia kontaktu rolek z bieżnią, co zwiększa trwałość narzędzia, możliwość wywoływania samoczynnego posuwu, możliwość stosowania dużych posuwów wzdłużnych, wynoszących 0.l 0.25 m/min, a dla głowic z samoczynnym posuwem 0,4 0,9m/min, możliwość obróbki obrotowych powierzchni płaskich, czołowych i stożkowych bez posuwu, duża dokładność obróbki. Rys. 8. Odmiany rolkowania naporowego: nagniatakiem jednorolkowym z dociskiem sprężystym (a) oraz głowicą z dociskiem sprężystym (b) i sztywnym (c).
Nagniatanie naporowe ślizgowe Ślizgowe sposoby nagniatania należą do grupy sposobów naporowo-statycznych, których cechą charakterystyczną jest technologiczny poślizg, występujący między elementem nagniatającym a powierzchnią obrabianą. Podczas nagniatania twardy i gładki element nagniatający, dociskany do powierzchni obrabianej z odpowiednią siłą, przemieszcza się po obrabianej powierzchni, wywołując w strefie nagniatania tarcie ślizgowe i odkształcenie plastyczne nierówności. Odmianami nagniatania ślizgowego są: przetłaczanie ślizgowe, wygładzanie ślizgowe. Przetłaczanie ślizgowe (nazywane też kalibrowaniem) znane jest jako przepychanie i przeciąganie nagniatające. Odmiany te są stosowane głównie do obróbki otworów przekroju kołowym wykonanych w przedmiotach z materiałów miękkich i o średniej twardości. Charakterystyczną cechą kinematyki przetłaczania ślizgowego jest brak ruchu obrotowego w układzie obróbkowym. Występuje jedynie ruch posuwowy narzędzia. Przetłaczanie ślizgowe jest wykonywane na prasach lub przeciągarkach. Zaletami tego sposobu nagniatania są: duża wydajność, proste oprzyrządowanie i obsługa, możliwość automatyzacji procesu obróbkowego, zwiększenie dokładności otworów, pole tolerancji zmniejsza się o 30-35%. Siła normalna nagniatania powstaje wskutek różnicy wymiarowej (wcisku) narzędzia i obrabianego otworu. Siła ta równoważy się w układzie obróbkowym i nie przenosi się na elementy obrabiarki, co jest zaletą. Narzędzia nagniatające to najczęściej kulki łożyskowe oraz przepychacze trzpieniowe o przekroju kołowym. Rys. 9. Schematy obróbki przepychaniem ślizgowym: a) kulką łożyskową b) przepychaczem trzpieniowym walcowym c) przepychaczem wieloelementowym d) przepychaczem trzpieniowym do otworu nieprzelotowego e) przepychanie otworu łukowego kulką łożyskową Do obróbki wałków, otworów, płaszczyzn i powierzchni kształtowych przedmiotów o dużej twardości (ok. 60 HRC) stosuje się wygładzanie ślizgowe. W odmianie tej stosuje się elementy nagniatające o dużej twardości i małym współczynniku tarcia ślizgowego, wykonane np. z węglików spiekanych, syntetycznego korundu, rubinu a także z diamentów. Wygładzanie ślizgowe może być realizowane również w układach obróbkowych z jednoczesnym skrawaniem. Jest to możliwe przede wszystkim przy stosowaniu kulistych elementów nagniatających, dla których zalecane wartości posuwu pokrywają się z zakresem posuwów wykańczającego toczenia i roztaczania. Wygładzanie ślizgowe umożliwia gładkościową i umacniającą obróbkę nagniataniem materiałów trudno obrabialnych oraz hartowanych, których nagniatanie uważano do niedawna za niemożliwe. Rozwój narzędzi diamentowych, szczególnie syntetycznych, usuwa barierę ekonomiczną związaną ze stosowaniem diamentów naturalnych i stwarza nowe perspektywy rozwojowe dla tej obróbki.
Dynamiczne sposoby nagniatania Głównym celem nagniatania dynamicznego jest umocnienie warstwy wierzchniej części maszyn narażonych na obciążenia zmienne. Charakterystyczną cechą odróżniającą nagniatanie dynamiczne od statycznego (naporowego) jest, oprócz zmienności siły docisku w czasie obróbki, przerywany okresowo kontakt elementów nagniatających z powierzchnią obrabianą przedmiotu. Charakter tego kontaktu jest dynamiczny, gdyż elementy nagniatające uderzają o przedmiot i oddają energię kinetyczną, która zostaje przemieniona w strefie nagniatania w energię odkształcenia plastycznego. Zalety nagniatanie dynamiczne w stosunku do nagniatania statycznego: przerywany kontakt narzędzia z przedmiotem nie powodujący powstawania niekorzystnej, ciągłej fali materiałowej przed narzędziem; lepsze odprowadzenie ciepła ze strefy obróbki; mniejsze siły nagniatania, które wynoszą F = 30-40 N; możliwość obróbki powierzchni kształtowych nieobrotowych; możliwość realizacji obróbki na skrawających obrabiarkach uniwersalnych oraz typowych śrutownicach. Dynamiczne nagniatanie ma również kilka wad, do których zalicza się: hałaśliwość pracy większości narzędzi; stosunkowo niewielką głębokość utwardzenia warstwy wierzchniej; małą dokładność wymiarową obrobionych przedmiotów. Podstawowymi odmianami nagniatania dynamicznego o skoncentrowanym, uderzeniowym charakterze oddziaływania elementów nagniatających na obrabianą powierzchnię są: nagniatanie odśrodkowe - wykorzystujące działanie sił odśrodkowych wirujących elementów nagniatających, luźno zamocowanych w obrotowych narzędziach; nagniatanie impulsowe - wykorzystujące energię kinetyczną elementów nagniatających, wprowadzanych w ruch postępowo-zwrotny przez impulsy wytwarzane w narzędziu. Oddziaływanie dynamiczne rozproszonych elementów nagniatających w postaci kulek (stalowych, żeliwnych i szklanych) na obrabianą powierzchnię może następować w wielu punktach jednocześnie. W takim przypadku można rozróżnić: kulkowanie strumieniowe wykonywane na specjalnych obrabiarkach lub w uniwersalnych śrutownicach, kulkowanie wibracyjne wykonywane w obrotowo-wibracyjnych bębnach lub pojemnikach wibracyjnych.
Nagniatanie uderzeniowe skoncentrowane Do podstawowych metod nagniatania uderzeniowego zaliczamy: nagniatanie dynamiczne (kulkowanie) odśrodkowe, obrotowe rolkowanie impulsowe, szczotkowanie nagniatające. Nagniatanie dynamiczne odśrodkowe polega na cyklicznym skoncentrowanym uderzaniu powierzchni obrabianej przez wirujące elementy nagniatające w postaci kulek, krążków lub trzpieni. Uderzenia te powodują miejscowe odkształcenie plastyczne, będące źródłem umocnienia i wygładzenia nierówności powierzchni. Rys. 10. Schemat odśrodkowego kulkowania dynamicznego. Nagniatanie uderzeniowe rozproszone Do podstawowych metod nagniatania uderzeniowego zaliczamy: kulkowanie strumieniowe, kulkowanie wibracyjne. Kulkowanie strumieniowe polega na uderzaniu powierzchni obrabianej strumieniem kulek poruszających się z dużą prędkością, nadawaną im przez wyrzutnik wirnikowy lub sprężone powietrze. Elementami nagniatającymi są kulki stalowe, żeliwne lub szklane. Zalety tej metody to: możliwość łatwej obróbki przedmiotów kształtowych, zarówno miękkich jak i hartowanych, możliwość zmian struktury warstwy wierzchniej części po obróbce cieplnej, możliwość obróbki na obrabiarkach uniwersalnych. Rys. 11. Schemat pracy wyrzutnika wirnikowego lub pneumatycznego do kulkowania strumieniowego.
Podstawy fizyczne procesu nagniatania Fizyczny model nagniatania tocznego Do najbardziej istotnych sposobów powierzchniowej obróbki plastycznej należy grupa sposobów nagniatania tocznego. Element nagniatający o dużej sztywności, tocząc się po odkształcalnym przedmiocie, wywołuje w jego warstwie wierzchniej odkształcenia plastyczne oraz rozdrobnienie i ukierunkowanie struktury materiału obrabianego. W wyniku zachodzących procesów fizycznych w strefie obróbki występuje umocnienie materiału, będące skutkiem trwałych odkształceń plastycznych. W procesie nagniatania w obszarze warstwy wierzchniej obrabianego przedmiotu mogą wystąpić odkształcenia (deformacje) sprężyste, sprężysto-plastyczne oraz plastyczne, a przy pewnej wartości siły docisku F, powstaje przed narzędziem wypiętrzenie materiału w kształcie fali, która przeciwstawia się tocznemu ruchowi narzędzia. 1. W początkowej fazie procesu odkształcenia następuje deformacja sprężysta materiału. 2. W następnej fazie zostaje przekroczona granica sprężystości materiału obrabianego, a pod powierzchnią w warstwie wierzchniej powstaje strefa uplastyczniona. 3. Przy dalszym zwiększaniu siły docisku strefa plastyczna, otoczona obszarem sprężystym, powiększa się. Strefa sprężysta zaczyna zanikać, a strefa plastyczna rozszerza się w głąb pod powierzchnią, wskutek czego tworzy się fala materiału przed toczącym się elementem nagniatającym. Rys. 12. Modele odkształceń w procesie nagniatania tocznego: a) sprężystych, b) sprężysto-plastycznych, c) plastycznych: e - strefa sprężysta, p- strefa plastyczna, h f - wysokość fali materiału. Umocnienie warstwy wierzchniej Element nagniatający, pod wpływem siły docisku F wywołuje w strefie styku z przedmiotem obrabianym miejscowe odkształcenia sprężyste oraz plastyczne. Ze względu na dużą twardość elementu nagniatającego, odkształcenie zachodzi głównie w warstwie wierzchniej przedmiotu. Wskutek odkształcenia występuje zmiana orientacji krystalograficznej ziaren oraz ich pierwotnego kształtu. Ponadto ziarna ulegają rozdrobnieniu, spłaszczeniu i wydłużeniu w kierunku największych odkształceń, tworząc teksturę zgniotu wykazującą anizotropię własności mechanicznych. Odkształcenie plastyczne zachodzi do pewnej głębokości od powierzchni, która zależy od własności plastycznych materiału i parametrów technologicznych nagniatania. Rys. 13. Schemat odkształceń plastycznych w warstwie wierzchniej wałka podczas nagniatania kulką: a) w przekroju wzdłużnym; b) w przekroju poprzecznym.
Przyrost twardości po nagniataniu zależy od zawartości węgla oraz składników stopowych w stali. Dla stali węglowych zwykłych jest on większy niż dla stali stopowych o tej samej zawartości węgla. Ze wzrostem zawartości węgla zmniejszają się proporcjonalnie przyrosty twardości (od 145 do 114 HB) pomimo zwiększania bezwzględnych nacisków nagniatania. Tabela 3. Zmiana twardości powierzchni wałków z różnych stali, nagniatanych kulkowaniem naporowym. Średnia Twardość powierzchni HB Maksymalny zawartość Wzrost jednostkowy Gatunek stali węgla przed po twardości [HB] nacisk nagniatania % nagniataniem nagniataniu [MPa] Żelazo Armco Stal 10 Stal 20 Stal 30 Stal 45 Stal U7 * Stal U10 * Stal U12 * - 0.10 0.20 0.30 0.45 0.7 1.,0 1.0 90 120 140 154 176 185 200 204 235 277 292 298 305 310 315 318 Warunki obróbki nagniataniem: średnica przedmiotu d = 20 mm, D k = 10 mm, posuw p = 0.06mm/obr, prędkość v = 1 m/s, liczba przejść i = 1; * - wg GOST. 145 152 152 144 129 125 115 114 1000 1200 1400 1550 1800 1950 2100 2250 Podczas powierzchniowej obróbki plastycznej, wskutek zgniotu, ulegają zmianie własności mechaniczne materiału, zwiększają się wskaźniki własności wytrzymałościowych (twardość, granica proporcjonalności, granica plastyczności, granica sprężystości i wytrzymałość na rozciąganie), natomiast ulegają zmniejszeniu wskaźniki własności plastycznych (wydłużenie względne, przewężenie względne i udarność). Ze wzrostem stopnia zgniotu granice proporcjonalności i plastyczności stopniowo zbliżają się do wartości granicy wytrzymałości materiału. Strefa deformacji sprężystych zwiększa się w wyniku zmniejszenia strefy odkształceń plastycznych, tzn. że materiał staje się coraz bardziej kruchy. Proces nagniatania jest ograniczony ze względu na dopuszczalny stopień odkształcenia plastycznego, którego przekroczenie powoduje technologiczne pękanie i łuszczenie się powierzchni obrabianej. Dla stali węglowych i stali perlitycznych stan nasycenia" zgniotem, powodujący wystąpienie początków łuszczenia, następuje już dla stopnia zgniotu wynoszącego 40-45%, a dla stali austenitycznych 60-70%.
Temat: Nagniatanie naporowe części maszyn Wydział Nowych Technologii i Chemii Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii Sprawozdanie z ćwiczenia laboratoryjnego z przedmiotu Techniki Wytwarzania Wykonał:................................................................................................................................................................................................ Grupa:............ Data:............ Ocena:............ 1. Na podstawie ćwiczenia laboratoryjnego opracuj schemat algorytmu nagniatania naporowego tocznego, ilustrujący zależności pomiędzy warunkami obróbki i parametrami technologicznymi. Ra 0 Ra 1 d1 d0 d 0 średnica wyjściowa wałka; d 1 średnica wałka po nagniataniu; Ra 0 chropowatość wyjściowa wałka; Ra 1 chropowatość wałka po nagniataniu; P posuw nagniataka. P
2. Badanie wpływu chropowatości wstępnej na zmiany wymiarów obrabianego przedmiotu i jego chropowatość końcową. Narzędzie:........................... Materiał obrabiany:..................... Obróbka wstępna:........................................................................... Prędkość nagniatania:........... [m/s] Posuw:........... [mm/obr.] Liczba przejść:........... Lp. Posuw [mm/obr] Wałek przed nagniataniem Wałek po nagniataniu d 0 [mm] Ra 0 [ m] Wt 0 [ m] d 1 [mm] Ra 1 [ m] Wt 1 [ m] d = d 0 d 1 1 2 3 Twardość 3. Badania wpływu liczby przejść narzędzia na zmiany wymiarów obrabianego przedmiotu i jego chropowatość końcową. Narzędzie:................................... Materiał obrabiany:............................. Obróbka wstępna:............................ Prędkość nagniatania:........... [m/s] Chropowatość wyjściowa Ra 0 :........... [ m] Posuw:........... [mm/obr.] Lp. Liczba przejść Wałek przed nagniataniem Wałek po nagniataniu d 0 [mm] Ra 0 [ m] Wt 0 [ m] d 1 [mm] Ra 1 [ m] Wt 1 [ m] d = d 0 d 1 1 2 3 4. Opracowanie wyników: Należy sporządzić wykresy Ra 1 (Ra 0 ), Ra 1 (liczby przejść), d(ra 0 ). Sformułować wnioski dt. wpływu badanych warunków obróbki na chropowatość powierzchni i zmiany wymiarowe.