Wojciech Labuda Akademia Morska w Gdyni PROCES NAGNIATANIA JAKO METODA OBRÓBKI WYKAŃCZAJĄCEJ CZOPÓW WAŁÓW POMP OKRĘTOWYCH W artykule przedstawiono metodę obróbki wykańczającej czopów wałów pomp okrętowych. W związku z licznymi korzyściami stosowania obróbki nagniataniem proponuje się jej zastosowanie zamiast wykańczającej obróbki skrawaniem (toczenie wykańczające, szlifowanie, polerowanie). Do badań wykorzystano stal odporną na korozję X5CrNi18-10, a proces nagniatania przeprowadzono nagniatakiem jednorolkowym SRMD firmy Yamato. Podczas nagniatania zastosowano zróżnicowane parametry procesu technologicznego, takie jak: siła nagniatania, prędkość nagniatania oraz posuw. 1. WPROWADZENIE Technologia wykorzystana w procesie produkcyjnym ma istotny wpływ na trwałość i niezawodność części maszyn. Podczas obróbki wykańczającej nadawane są ostateczne wymiary i właściwości użytkowe danego elementu. Osiąga się to poprzez zastosowanie odpowiedniego rodzaju obróbki oraz dobór właściwych parametrów technologicznych danego procesu. Jedną z mechanicznych metod obróbki wykańczającej, która umożliwia otrzymanie warstwy wierzchniej o szczególnie korzystnych właściwościach, jest obróbka nagniataniem. Wykorzystuje ona zjawisko powierzchniowych odkształceń plastycznych na zimno wytwarzanych w warstwie wierzchniej przedmiotu. Dlatego ważną rolę odgrywa układ obróbkowy, który musi zapewnić stykowe współdziałanie narzędzia i przedmiotu obrabianego. Istotny jest układ sił dociskających oraz wzajemny względny ruch obrotowo-posuwowy przedmiotu i narzędzia nagniatającego. Ze względu na dużą liczbę rozwiązań konstrukcyjnych układu obróbkowego w obecnym okresie rozwoju nagniatania można wyróżnić wiele sposobów wykonywania tej obróbki. Ze względu na działanie sił nagniatających na przedmiot wyróżnia się sposoby statyczne (zwykłe, oscylacyjne, mechaniczne, elektromechaniczne oraz z jednoczesnym skrawaniem, jak i bez jednoczesnego skrawania) i dynamiczne (mechaniczne, pneumatyczne, ultradźwiękowe). Natomiast w zależności od sposobu kontaktu narzędzia z powierzchnią do metod statycznych można zaliczyć nagniatanie naporowe toczne (krążkowanie, rolkowanie, kulkowanie)
52 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009 i ślizgowe (przetłaczanie, wygładzanie) [8]. Do dynamicznych metod należą nagniatanie uderzeniowe skoncentrowane i rozproszone. Do metod skoncentrowanych zaliczane są odśrodkowe (krążkowanie, kulkowanie) oraz impulsowe (rolkowanie impulsowe, młotkowanie). Metody rozproszone dzielą się na strumieniowe (kulkowanie) oraz wibracyjne (kulkowanie) [4, 5, 6]. Analiza literatury przedmiotu wykazała trzy podstawowe cele stosowania obróbki nagniataniem w procesach produkcyjnych części maszyn. Są to: obróbka gładkościowa, która powoduje zmniejszenie nierówności powierzchni po obróbce poprzedzającej nagniatanie; obróbka umacniająca, która podwyższa właściwości eksploatacyjne (tj. odporność na zużycie zmęczeniowe, cierne i korozyjne), przez zmianę właściwości materiału w warstwie wierzchniej; obróbka wymiarowo-gładkościowa, która wraz ze zwiększeniem dokładności wymiarowej powoduje jednoczesne zmniejszenie chropowatości powierzchni do wymaganej wartości. Odmiany nagniatania, takie jak oscylacyjne i wibracyjne, umożliwiają osiągnięcie dodatkowych celów, takich jak: ukształtowanie nierówności powierzchni o odpowiednich parametrach stereometrycznych, np. wysokości, kształcie, odstępach, w celu otrzymania określonych cech użytkowych powierzchni obrobionych, np. obciążalności; wytworzenie mikrorowków smarnych na powierzchniach współpracujących w warunkach tarcia, np. czopów, panewek, prowadnic i innych, w celu zwiększenia ich odporności na zatarcie lub zużycie ścierne; wytworzenie różnorodnych wzorów na powierzchniach (walory dekoracyjne). Obróbka nagniataniem stosowana jest również w celu zwiększenia przyczepności i równomierności powłok galwanicznych (obróbka poprzedzająca), zmniejszenia naprężeń po obróbce cieplnej lub cieplno-chemicznej, podwyższenia wytrzymałości zmęczeniowej kontaktowej, zmniejszenia zużycia uszczelnień gumowych, zwiększenia trwałości warstwowych łożysk ślizgowych. Technologia nagniatania może być stosowana w zakładach przemysłu maszynowego zarówno w produkcji jednostkowej, jak i seryjnej. Umożliwia ona wyeliminowanie tradycyjnej obróbki ściernej, takiej jak szlifowanie, dogładzanie, gładzenie czy polerowanie. Dlatego ostateczne kształtowanie wymiarów i właściwości użytkowych przez nagniatanie jest obróbką bezwiórową i bezpyłową. Pozwala to na zaliczenie jej do ekologicznych metod obróbki [7]. W praktyce przemysłowej proces ten jest realizowany na obrabiarkach uniwersalnych oraz obrabiarkach CNC, ale określa się go jako obróbkę plastyczną. Proces nagniatania umożliwia obróbkę powierzchni z dużą dokładnością wymiarową (w 7. i 6. klasie dokładności) pozwala to na osiągnięcie wielu korzyści. W porównaniu z tradycyjnymi metodami wykańczającej obróbki skrawaniem obróbka nagniataniem ma wiele istotnych zalet, do których należy zaliczyć: możliwość uzyskania powierzchni o dużej gładkości (R a = 0,32 0,04 µm) i dużym udziale nośnym profilu chropowatości (90%),
W. Labuda: Proces nagniatania jako metoda obróbki wykańczającej czopów wałów pomp okrętowych 53 brak na nagniatanej powierzchni ziaren ściernych, ostrych i twardych fragmentów narostu oraz wiórów, wzrost twardości powierzchni, zwiększenie odporności na zmęczenie (powierzchniowe i objętościowe), zwiększenie odporności na zużycie ścierne i zacieranie, możliwość stosowania narzędzi nagniatających na tokarkach uniwersalnych (koncepcja obróbki na jednym stanowisku), eliminację lub ograniczenie czasochłonnych operacji takich jak gładzenie, docieranie, szlifowanie, polerowanie, możliwość eliminacji obróbki cieplnej w określonych przypadkach, dużą wydajność procesu (jedno przejście robocze narzędzia) i redukcje kosztów wytwarzania, dużą trwałość nagniataków, zmniejszenie kosztów wytwarzania części maszyn. Głównym ograniczeniem nagniatania jest warunek materiałowy. Nagniatane przedmioty muszą być wykonane z materiałów umożliwiających ich zgniot w temperaturze otoczenia, a narzędzia nagniatające stalowe muszą mieć ograniczoną twardość. Dla poszczególnych metod nagniatania powyższe ograniczenia mają różne znaczenie. Inne ograniczenie wynika z układu OUPN (obrabiarka uchwyt przedmiot narzędzie) i jego sztywności. Powinien mieć jak największą sztywność, gdyż to decyduje o dokładności wymiarowej obrobionego przedmiotu. Wiele ośrodków naukowych na całym świecie zajmuje się obróbką nagniataniem [1 10]. Programy badawcze obejmują między innymi zagadnienia dotyczące nagniatania żeliw [10], niektórych stopów żaroodpornych i stali nierdzewnych, stopów miedzi i aluminium, tytanu i jego stopów [1, 3], powłok galwanicznych, dyfuzyjnych i napawanych [3, 4] oraz części wykonanych przez spiekanie proszków metali. W związku z wieloma zaletami wynikającymi ze stosowania obróbki nagniataniem proponuje się wyznaczenie optymalnych parametrów nagniatania dla uzyskania największego stopienia względnego umocnienia warstwy wierzchniej i zmniejszenia chropowatości powierzchni czopów wałów okrętowych pomp krętnych wykonanych ze stali nierdzewnej X5CrNi1810. W artykule przedstawiono wyniki badań wstępnych dotyczących parametrów nagniatania. W dalszych badaniach planowane są badania właściwości eksploatacyjnych dla czopów nagniatanych z optymalnymi parametrami. 2. PRZYGOTOWANIE PRÓBEK Wałki ze stali nierdzewnej X5CrNi1810 poddano wstępnej obróbce skrawaniem w celu przygotowania czopów pod obróbkę nagniataniem. Proces toczenia przeprowadzono na tokarce TUC 40 nożem z wymiennymi płytkami typu WNMG 080408 WF firmy Sandvik Coromant (rys. 1).
54 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009 Rys. 1. Widok układu OUPN (obrabiarka, uchwyt, przedmiot, narzędzie): 1 tokarka TUC 40, 2 tarcza zabierakowa, 3 przedmiot obrabiany, 4 nóż tokarski, 5 imak narzędziowy Podczas operacji toczenia zastosowano następujące parametry skrawania: prędkość skrawania V c = 112 m/min, posuw f = 0,27 mm/obr, głębokość skrawania a p = 0,5 mm. Pomimo użycia niezmiennych parametrów technologicznych obróbki skrawaniem uzyskano zróżnicowane wyniki pomiaru chropowatości powierzchni badanych wałków. Wartość średniego arytmetycznego odchylenia profilu nierówności wahała się w przedziale 0,5 do 1,18 µm. Średnia wartość współczynnika chropowatości R a wyniosła 0,83 µm (tab. 1). Obrabiana stal charakteryzowała się po operacji toczenia średnią twardością 307 HV, wyniki podstawowej analizy statystycznej przedstawiono w tabeli 2. Wyniki podstawowej analizy statystycznej pomiaru chropowatości (liczba pomiarów 48) Tabela 1 Średnia Mediana Minimum Maksimum Odchylenie standardowe Błąd standardowy 0,83 0,79 0,50 1,18 0,14 0,02 Tabela 2 Wyniki podstawowej analizy statystycznej pomiaru twardości (liczba pomiarów 48) Średnia Mediana Minimum Maksimum Odchylenie standardowe Błąd standardowy 307 307 284 325 8,75 1,26 3. METODYKA BADAŃ Proces nagniatania przeprowadzono nagniatakiem jednorolkowym SRMD firmy Yamato (rys. 2), który charakteryzuje się, w odróżnieniu od najczęściej wykorzystywanych, równoległością osi części roboczej do osi obrabianego wałka.
W. Labuda: Proces nagniatania jako metoda obróbki wykańczającej czopów wałów pomp okrętowych 55 Nagniataniu zostały poddane czopy wałków ze stali odpornej na korozję X5CrN1810 o średnicy φ 39 mm. Zastosowane parametry procesu technologicznego powierzchniowej obróbki plastycznej przedstawiono w tabeli 3. Rys. 2. Nagniatak Tabela 3 Parametry procesu technologicznego obróbki nagniataniem Parametr (zmienne niezależne) Wartości Siła nagniatania F [kn] 0,7; 0,9; 1,1 Prędkość nagniatania V c [m/min] 35; 56; 88; 112 Posuw f [mm/obr] 0,13; 0,54; 0,94; 1,2 Pomiar twardości zrealizowano metodą Vickersa za pomocą przyrządu WPM, przy sile nacisku wynoszącej 50 N. Na podstawie uzyskanych wyników wyznaczono stopień względnego umocnienia warstwy wierzchniej S u : S u HV2 HV = 1 100%, (1) HV 1 przy czym: S u stopień względnego umocnienia warstwy wierzchniej, HV1 twardość materiału przed nagniataniem, HV2 twardość materiału po powierzchniowej obróbce plastycznej. Chropowatość powierzchni zmierzono profilometrem HOMMEL TESTER T1000. Długość odcinka pomiarowego wynosiła 4,8 mm, a odcinka elementarnego 0,8 mm. Na podstawie otrzymanych wyników wyznaczono wskaźnik zmniejszenia chropowatości powierzchni K Ra: K R a Ra =, (2) Ra przy czym: K Ra wskaźnik zmniejszenia chropowatości powierzchni, R chropowatość powierzchni materiału, a R a chropowatość powierzchni materiału po powierzchniowej obróbce plastycznej.
56 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009 Wyniki określające twardość i chropowatość powierzchni poddano analizie statystycznej regresji wielokrotnej, w celu określenia ich wpływu na badane właściwości. Obliczenia wykonano za pomocą programu komputerowego Statistica 5.5. Ze względu na różne miana zmiennych niezależnych wpływ poszczególnych parametrów analizowano na podstawie standaryzowanych współczynników regresji (BETA). 4. WYNIKI BADAŃ Zastosowane parametry nagniatania wpłynęły zarówno na zmniejszenie wartości chropowatości powierzchni, jak i na zwiększenie umocnienia warstwy wierzchniej materiału obrobionego. W zależności od parametrów obróbki nagniataniem wartości współczynników S u zmieniały się w granicach od 1% do 18%. Najwyższą wartość S u = 18% uzyskano przy następujących parametrach nagniatania: F = 1140 N, V n = 35 m/min, f = 1,2 mm/obr. Natomiast najmniejszą wartość S u = 1% uzyskano przy parametrach nagniatania: F = 1140 N, V n = 112 m/min, f = 1,2 mm/obr. Wyniki analizy regresji wielokrotnej parametru S u dla zmiennych przedstawionych w tabeli 3 bez uwzględnienia posuwu Tabela 4 BETA B poziom p Wyraz wolny 12,05 0,00 Prędkość nagniatania V n 0,79 0,11 0,00 Siła nagniatania F 0,18 0,004 0,04 Równanie regresji wielokrotnej ma postać: S u = 0,004 F 0,11 V n + 12,05 ± 2,42 Rozpatrując wpływ parametrów nagniatania na stopień względnego umocnienia warstwy wierzchniej, posłużono się analizą regresji wielokrotnej. Uzyskane wartości standaryzowanych współczynników regresji (BETA), współczynników regresji wielokrotnej (B) i poziomów istotności (poziom p) podano w tabeli 4. Pozostałe współczynniki przyjmują wartości stałe i wynoszą odpowiednio: współczynnik korelacji R = 0,80, współczynnik determinacji R 2 = 0,65 oraz błąd estymacji: 2,45. Największy wpływ na wartość współczynnika S u ma prędkość nagniatania i wraz z jej wzrostem następuje zmniejszenie stopnia względnego umocnienia materiału. W mniejszym stopniu wpływa siła nagniatania, ale wraz z jej wzrostem następuje umocnienie materiału. Posuw ma najmniejszy wpływ na wartość współczynnika S u. Brak statystycznej istotności zmiennej niezależnej f na stopień względnego umocnienia warstwy wierzchniej potwierdziła analiza statystyczna. W wyniku przeprowadzonej obróbki nagniataniem wartości współczynników KRa określających wskaźnik zmniejszenia chropowatości powierzchni wahały się
W. Labuda: Proces nagniatania jako metoda obróbki wykańczającej czopów wałów pomp okrętowych 57 w przedziale od 1 do 11. Najmniejszą wartość średniego arytmetycznego odchylenia profilu nierówności R a = 0,07 μm i największą wartość wskaźnika K Ra uzyskano stosując następujące parametry obróbki nagniataniem: F = 1140 N, f = 0,13 mm/obr. oraz V n = 56 m/min. Wyniki analizy regresji wielokrotnej parametru logk Ra dla zmiennych przedstawionych w tabeli 3 bez uwzględnienia prędkości nagniatania BETA B poziom p Wyraz wolny 0,64 0,00 Siła nagniatania F 0,52 0,001 0,00 Posuw logf 0,65 0,51 0,00 Równanie regresji wielokrotnej ma postać: 10 0,001 F K Ra = 4,36 f 0,51 Tabela 5 Rozpatrując wpływ parametrów nagniatania na wskaźnik zmniejszenia chropowatości powierzchni posłużono się również analizą regresji wielokrotnej. W celu lepszego dopasowania równania regresji wielokrotnej do uzyskanych wyników pomiarów przeprowadzono logarytmowanie parametru posuwu f i parametru K Ra. Otrzymane wartości BETA, B i poziomu p podano w tabeli 5, natomiast pozostałe współczynniki przyjęły wartości stałe i wyniosły odpowiednio: współczynnik korelacji R = 0,83, współczynnik determinacji R 2 = 0,70, błąd estymacji: 0,17. Po rozpatrzeniu uzyskanych wartości stwierdzono, że największy wpływ na wskaźnik zmniejszenia chropowatości powierzchni K Ra ma posuw. Im mniejsza wartość posuwu użyta w operacji nagniatania, tym wartość średniego arytmetycznego odchylenia profilu nierówności R a jest mniejsza. Drugim istotnym parametrem wpływającym na jakość uzyskanej powierzchni jest siła nagniatania. Wraz ze wzrostem siły następuje spadek wartości parametru R a. Prędkość nagniatania ma najmniejszy wpływ, a brak statystycznej istotności zmiennej niezależnej V n na wartość R a warstwy wierzchniej potwierdziła analiza statystyczna. 5. WNIOSKI Możliwe jest przeprowadzenie procesu nagniatania stali odpornej na korozję X5CrNi1810 w celu zmniejszenia wartości średniego arytmetycznego odchylenia profilu nierówności R a oraz zwiększenia stopnia względnego umocnienia warstwy wierzchniej S u. Proces technologiczny mający na celu uzyskanie małej wartości chropowatości powierzchni powinien być zrealizowany z możliwie największą siłą nagniatania i najmniejszym posuwem. W celu uzyskania dużego współczynnika stopnia względnego umocnienia warstwy wierzchniej proces technologiczny powinien być przeprowadzony z jak największą siłą nagniatania i najmniejszą prędkością
58 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009 nagniatania. W celu uzyskania jak najmniejszej wartości średniego arytmetycznego odchylenia profilu nierówności R a przy jednoczesnym umocnieniu warstwy wierzchniej należy zastosować jak największą siłę nagniatania, jak najmniejszy posuw oraz jak najmniejszą prędkość nagniatania. LITERATURA 1. Golden P.J., Hutson A, Sundaram V., Arps J.H., Effect of surface treatments on fretting fatigue of Ti 6Al 4V, International Journal of Fatigue 29 (2007). 2. Kukiełka L., Teoretyczne i doświadczalne podstawy powierzchniowego nagniatania tocznego z elektrokontaktowym nagrzewaniem, Wydawnictwo Uczelniane Wyższej Szkoły Inżynierskiej, Monografia WM, nr 47, Koszalin 1994. 3. Melechow R., Tubielewicz K., Błaszczuk W., Tytan i jego stopy, Wydawnictwa Politechniki Częstochowskiej, Monografie, nr 107, Częstochowa 2004. 4. Przybylski W., Technologia obróbki nagniataniem, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1987. 5. Przybylski W., Wpływ stanu warstwy wierzchniej konstytuowanej przez nagniatanie na trwałość elementów maszyn. Wybrane problemy trybologii, PWN, Warszawa 1990. 6. Przybylski W., Współczesne problemy w technologii obróbki przez nagniatanie, Wydawnictwa Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2005. 7. Przybylski W., Współczesne problemy w technologii obróbki przez nagniatanie, tom 2, Wydawnictwa Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2008. 8. Przybylski W., Niedojadło J., Optymalizacja parametrów technologicznych nagniatania ślizgowego, Postępy Technologii Maszyn i Urządzeń, PAN KBM 1994, vol. 18, z. 3. 9. Przybylski W., Wojciechowski J., Technological and organizational aspects of cleaner manufacturing, First Cleaner Production International Conference, Rydzyna 1996. 10. Tubielewicz K., Technologia nagniatania żeliwnych części maszynowych, Wydawnictwa Politechniki Częstochowskiej, Monografie, nr 69, Częstochowa 2000. BURNISHING PROCESS AS FINISH MACHINING FOR SHAFT NECKS OF SHIPS PUMPS (Summary) The paper describes finish machining method for shaft necks of ship pumps. Because of many burnishing advantages, the method was proposed to angular momentum pumps shafts treatment instead of finish machining (finish turning, grinding, lapping). For research was used stainless steel X5CrNi18-10 and the tool one roller burnishing tool SRMD type produced by Yamato. During working technological parameters like force, velocity and feed were changed.