Eigenspannungsentstehung beim Festwalzen
Walcowanie głębokie jest jednym z procesów mechanicznego wykańczania powierzchni. Podobnie jak w przypadku innych procesów z tej kategorii, celem głębokiego walcowania jest dostosowanie właściwości powierzchni i strefy krawędziowej w ukierunkowany i niezawodny sposób, aby nadać komponentowi dodatkową funkcję.
Ogromną zaletą głębokiego walcowania jest to, że oprócz właściwości strefy krawędziowej, jakość powierzchni jest również znacznie poprawiona; praktycznie jako produkt uboczny. Jednakże, podobnie jak w przypadku śrutowania lub młotkowania powierzchni, rzeczywisty cel procesu polega na wprowadzeniu tak zwanych szczątkowych naprężeń ściskających [1].
Naprężenia szczątkowe to naprężenia w elemencie, które są wprowadzane przez proces produkcyjny i różnią się od stanu struktury podstawowej. Ogólnie rzecz biorąc, szczątkowe naprężenia rozciągające mają negatywny wpływ na żywotność dynamicznie obciążonego elementu. Działają one jak wzmacniacze pęknięć i sumują się z naprężeniami rozciągającymi. Z drugiej strony występują szczątkowe naprężenia ściskające. Przeciwdziałają one propagacji pęknięć i generalnie prowadzą do znacznego wydłużenia żywotności.
Podczas walcowania głębokiego walcowany korpus jest dociskany do powierzchni elementu. Kształt elementu walcowanego jest zaprojektowany w taki sposób, aby powierzchnia styku była jak najmniejsza. Oznacza to, że umiarkowana siła walcowania może prowadzić do dużego nacisku powierzchniowego, co może mieć znaczący wpływ na materiał.
W zależności od materiału, w strefie styku występuje efekt rozciągania plastycznego lub nacisk Hertza. W obu przypadkach następuje znaczny wzrost lokalnego rozkładu naprężeń w materiale. Materiał wyraźnie przekracza granicę plastyczności, pozostawiając naprężenia w obrabianym przedmiocie (rys. 1).
W przypadku rozciągania plastycznego największe odkształcenia znajdują się bezpośrednio na powierzchni, a zatem maksymalne szczątkowe naprężenia ściskające są również obecne bezpośrednio na powierzchni. Ma to tendencję do występowania w przypadku bardziej miękkich materiałów.
W przypadku twardych materiałów na pierwszy plan wysuwa się efekt kompresji Hertza. Tutaj maksymalne naprężenia znajdują się poniżej powierzchni. Wynika to zasadniczo z różnych rozkładów i staje się szczególnie wyraźne, gdy spojrzymy na naprężenia ścinające w styku Hertza. W odniesieniu do naprężenia równoważnego, typowy kontakt Hertza ma swoje maksimum tuż pod powierzchnią. Oznacza to, że maksymalne szczątkowe naprężenie ściskające jest również generowane poniżej powierzchni.
W szczególności zastosowanie narzędzi do walcowania hydrostatycznego zostało bardzo dobrze zbadane naukowo. Przeprowadzono różne badania na różnych materiałach stalowych lub na magnezie, aluminium lub tytanie [2, 3, 4, 5, 6].
Czynniki wpływające na rozwój naprężeń szczątkowych
Trzy główne parametry procesu walcowania to ciśnienie walcowania, stosunek posuwu walcowania do pokrycia oraz rozmiar kuli walcowniczej. Korelacje te można bardzo dobrze wyjaśnić efektami kontaktu Hertza. Analogicznie do kontaktu Hertza, maksymalne szczątkowe naprężenie ściskające również wzrasta, gdy zwiększa się siła walcowania (analogicznie do nacisku walcowania). Warto zauważyć, że położenie, tj. głębokość, na której występuje maksymalne szczątkowe naprężenie ściskające, zmienia się tylko minimalnie w wyniku działania siły walcowania (rys. 2).
Natomiast średnica kulki ma wpływ prawie wyłącznie na głębokość maksymalnego naprężenia szczątkowego ściskającego i głębokość penetracji. W tym przypadku, dla tego samego ciśnienia Hertza pmax, głębokość maksymalnego szczątkowego naprężenia ściskającego znacznie wzrasta wraz ze wzrostem średnicy kulki (Rys. 3). Jednak wartość maksymalnego szczątkowego naprężenia ściskającego pozostaje na podobnym poziomie. Najnowsze badania dotyczą podejścia opartego na sygnaturze procesu, które jest badane w SFB TR136 na Uniwersytecie w Bremie.
Proces walcowania głębokiego jest szczególnie godny uwagi ze względu na wyjątkową powtarzalność. W ramach badania na forum branżowym SMART Surfaces zorganizowanym przez Instytut Inżynierii Produkcji i Obrabiarek (IFW) przeprowadzono 15 identycznych procesów walcowania. Do obróbki 42CrMo4 użyto narzędzia HG6. Ciśnienie walcowania utrzymywano na stałym poziomie pw = 250 bar i ustawiono stopień pokrycia u = 75%. Następnie zmierzono naprężenia szczątkowe powierzchni za pomocą dyfraktometru rentgenowskiego. Rozrzut wyników pomiarów wszystkich 15 próbek mieścił się w zakresie niepewności pomiarowej urządzenia pomiarowego +/- 25 MPa (Rys. 4). Oznacza to, że z naukowego punktu widzenia wszystkie próbki były absolutnie identyczne i nie można było wykryć żadnych różnic.
Walcowanie głębokie, doskonały proces mechanicznej obróbki powierzchni
Walcowanie głębokie jest zatem wyraźnie lepsze od innych procesów mechanicznego wykańczania powierzchni. Z jednej strony, proces ten zapewnia bardzo dobrą jakość powierzchni. Jednocześnie efekty ustawień procesu można bardzo dobrze oszacować pod względem jakości. Oznacza to, że proces nie jest "czarną skrzynką" dla użytkownika procesu. Ponadto walcowanie głębokie charakteryzuje się ponadprzeciętną powtarzalnością. Badanie wyraźnie pokazuje, że pod warunkiem, że proces jest przeprowadzany w ten sam sposób, nie można zidentyfikować żadnych różnic w naprężeniach szczątkowych.
[1] Breidenstein, B.: Powierzchnie i strefy krawędziowe elementów poddanych wysokim naprężeniom. Rozprawa habilitacyjna, Uniwersytet Leibniza w Hanowerze, 2011. [2] Denkena, B., Poll, G., Maiß, O., Pape, F., Neubauer, T.: Zwiększona wytrzymałość zmęczeniowa styku tocznego strefy granicznej dzięki obróbce hybrydowej przez toczenie na twardo. Bearing World Journal, Hanower, 2016 r. [3] Toczenie walców: Podstawy zwiększania trwałości i kompensacji odkształceń. Rozprawa doktorska, Uniwersytet Leibniza w Hanowerze, 2019 r. [4] Juijerm, P., Altenberger, I.: Wpływ temperatury na cykliczne odkształcenie i relaksację naprężeń szczątkowych głęboko walcowanego stopu aluminium AA6110. Materials Science and Engineering: A, Vol. 452-453, 2007, pp. 475-482 [5] Mader, S.: Głębokie walcowanie łopatek wentylatorów i sprężarek. Dr.-Ing. dissertation, RWTH Aachen University, 2006 [6] Denkena, B., Lucas, A.: Biocompatible Magnesium Alloys as Absorbable Implant Materials - Adjusted Surface and Subsurface Properties by Machining Processes. CIRP Annals, Vol. 56/1, 2007, pp. 113-116 [7] Maiß, O.: Zwiększenie trwałości łożysk tocznych poprzez obróbkę skrawaniem. Rozprawa doktorska, Uniwersytet Leibniza w Hanowerze, 2019 r.
