Walzen hartgedrehter Oberflächen

Do połowy lat 90-tych hartowana stal mogła być obrabiana wyłącznie przy użyciu procesów szlifowania. Rozwój materiałów skrawających o wysokiej twardości, takich jak CBN lub ceramika, sprawił, że nawet stale o twardości powyżej 45 HRC mogą być obrabiane z geometrycznie zdefiniowaną krawędzią skrawającą. Od tego czasu toczenie na twardo lub frezowanie na twardo stało się powszechne i jest często stosowane jako ekonomiczna alternatywa dla konwencjonalnego szlifowania. W połączeniu z wysoce precyzyjnymi maszynami, możliwe jest teraz toczenie wykańczające elementów, takich jak łożyska toczne, bezpośrednio na tokarce.

Dziś jednak wiemy również, że postępujące zużycie narzędzia może uszkodzić strefę krawędzi komponentów. Może to skutkować niższą jakością powierzchni, szczątkowymi naprężeniami rozciągającymi lub tak zwanymi białymi warstwami. Są to niezwykle twarde, cienkie warstwy, które w połączeniu z leżącą poniżej lokalną strefą odpuszczania mogą prowadzić do łuszczenia się powierzchni.

Mechaniczna obróbka powierzchni może również pomóc w dostosowaniu właściwości powierzchni i strefy krawędziowej po toczeniu na twardo. Jeśli hartowany materiał o twardości powyżej 45 HRC jest obrabiany podczas walcowania, jest to określane jako walcowanie na twardo. Do walcowania na twardo używane są hydrostatyczne narzędzia do głębokiego walcowania. W tego typu narzędziach kula jest poddawana ciśnieniu hydrostatycznemu za pośrednictwem medium hydraulicznego. Średnica kuli z twardego materiału może być różna; powszechne są średnice od dk = 3 mm do 13 mm.

Kulka jest utrzymywana bezpośrednio nad równikiem, aby nie mogła wypaść. Ciśnienie hydrauliczne jest następnie przykładane do całej połowy powierzchni kuli. Ciśnienie walcowania powyżej pw = 200 bar jest zwykle używane do walcowania na twardo. Dlaczego tak jest, zostanie opisane później.

Ważnym celem walcowania na twardo jest poprawa jakości powierzchni, na przykład w przypadku postępującego zużycia narzędzia. W ramach mojej pracy doktorskiej "Walcowanie powierzchni toczonych na twardo" próbowałem odpowiedzieć na to pytanie w 2003 roku [Roet03]. Użyłem powierzchni z nowymi (szerokość śladu zużycia VB = 0 µm), używanymi (VB = 100 µm) i zużytymi (VB = 200 µm) krawędziami skrawającymi, a następnie wygładziłem je przez walcowanie.

Stwierdzono, że chropowatość powierzchni pogarsza się wraz ze wzrostem zużycia narzędzia. Jeśli powierzchnia jest następnie walcowana na gładko z różnymi naciskami walcowania, chropowatość również wzrasta po głębokim walcowaniu. Warto jednak zauważyć, że względna poprawa powierzchni jest niezależna od obróbki wstępnej i zależy tylko od ciśnienia walcowania. Wraz ze wzrostem ciśnienia, poprawa wzrasta, jak pokazano na rysunku 1.

Efekt ten można również zaobserwować dla różnych stopni twardości materiału (rys. 2). Jednak wartość odpowiedniej poprawy jest tym mniejsza, im większa jest twardość elementu. Jest to zrozumiałe, ponieważ materiał zapewnia większy opór toczącej się kulce wraz ze wzrostem twardości.

Dwa inne ważne parametry to średnica kulki i posuw toczenia fw. Jeśli średnica kulki jest zmieniana, powierzchnia staje się gładsza, im większa jest średnica kulki. Jeśli zwiększa się prędkość posuwu, poprawa jakości powierzchni początkowo pozostaje stała, a następnie maleje. Punkt przegięcia, w którym prędkość posuwu ma wpływ, zależy od rozmiaru kulki. Przy średnicy dk = 3 mm punkt wyboczenia występuje przy posuwie ok. 0,1 mm; w przypadku kulki o średnicy 13 mm występuje on jednak dopiero przy posuwie 0,35 mm. Jest to związane z tak zwanym stopniem nakładania się. Później wykazano również, że przy różnych kombinacjach ciśnienia, średnicy kulki i prędkości posuwu uzyskuje się porównywalną jakość powierzchni, jeśli stopień pokrycia jest taki sam [Mais19].

W odniesieniu do właściwości strefy krawędziowej, walcowanie na twardo jest również procesem o dużych zaletach. Negatywne właściwości strefy krawędziowej wprowadzone przez toczenie na twardo, takie jak szczątkowe naprężenia rozciągające na powierzchni lub zmniejszona twardość poniżej białych warstw, mogą zostać odwrócone przez walcowanie na twardo. Ze względu na wysoką twardość, punkt styku między kulką a powierzchnią można w uproszczeniu opisać za pomocą ciśnienia Hertza. W przypadku stali miękkich bardziej istotny jest jednak efekt rozciągania plastycznego.

Ze styku Hertza można wywnioskować, że maksymalne naprężenia podczas obróbki znajdują się pod powierzchnią. Z tego powodu istnieje również bardzo typowa krzywa głębokości naprężeń szczątkowych dla walcowania głębokiego, jak pokazano na rysunku 3. Wartość maksymalnego szczątkowego naprężenia ściskającego wzrasta wraz ze wzrostem nacisku walcowania, a głębokość penetracji szczątkowych naprężeń ściskających wzrasta wraz z większą średnicą kulki.