Prozesssicheres Festwalzen mit hydrostatischen Walzwerkzeugen

Wiele komponentów jest zaprojektowanych tak, aby wytrzymać obciążenia dynamiczne. Aby osiągnąć wystarczającą wytrzymałość, można użyć odpowiedniego materiału lub odpowiednio zaprojektować geometrycznie komponent. Jednak pod względem efektywności wykorzystania zasobów lepiej byłoby użyć materiałów niższej jakości lub ogólnie mniejszych i lżejszych komponentów. W tym celu komponent może zostać poddany mechanicznej obróbce powierzchni po obróbce skrawaniem. Procesy te obejmują na przykład mechaniczne młotkowanie powierzchni, śrutowanie lub głębokie walcowanie. Ten ostatni proces omówimy bardziej szczegółowo poniżej.

Podczas głębokiego walcowania, centrum walcownicze jest wciskane w powierzchnię elementu z określoną siłą. Odkształca to plastycznie obszary blisko powierzchni i wpływa na tak zwaną strefę krawędziową. Powoduje to hartowanie robocze, zwiększoną twardość i szczątkowe naprężenia ściskające. Głównym wyzwaniem związanym z walcowaniem głębokim jest jednak to, że wynik procesu nie może być zwykle testowany w sposób nieniszczący po zakończeniu procesu. Aby sprawdzić, czy zastosowano niezbędne naprężenia szczątkowe ściskające, gotowy przedmiot obrabiany musi zostać zniszczony. Z tego powodu stosowane narzędzia muszą być szczególnie niezawodne i jak najbardziej odporne na wahania procesu.

Jednym z rodzajów narzędzi, które optymalnie spełniają te wymagania, są narzędzia do walcowania hydrostatycznego. Obok narzędzi mechanicznych, jest to druga grupa narzędzi stosowanych do nagniatania rolkowego i walcowania głębokiego. W przypadku narzędzi mechanicznych korpus walcujący, walec, jest mechanicznie podparty i dociskany do powierzchni z określoną siłą. W narzędziach hydrostatycznych, znanych również jako narzędzia HG, jako korpus walcujący wykorzystywana jest tocząca się kula. Kula ta jest poddawana ciśnieniu z jednej strony przez medium hydrauliczne. Generuje to siłę, która rośnie proporcjonalnie do stosowanego ciśnienia.

Ponieważ kulka praktycznie unosi się w medium, narzędzia te charakteryzują się bardzo niskim tarciem i niskim zużyciem, ale nadal mogą generować bardzo wysokie ciśnienia między kulką a powierzchnią, powodując wysokie szczątkowe naprężenia ściskające.

Rozróżnia się narzędzia z systemem śledzenia i bez niego. System śledzenia zapewnia, że kulka jest zawsze dociskana do powierzchni ze stałą siłą w zakresie skoku wynoszącym kilka milimetrów. Oznacza to na przykład, że można obrabiać również elementy nieokrągłe lub nierówne. Zasadniczo, możliwa geometria elementu jest bardzo zróżnicowana i może wahać się od prostego cylindra do powierzchni o dowolnym kształcie. Jedynymi wyjątkami są powierzchnie, które kończą się bardzo blisko krawędzi, takie jak wgłębienia lub oczywiście gwinty wewnętrzne lub zewnętrzne.

Narzędzia HG są wykorzystywane w wielu różnych zastosowaniach. W szczególności są one używane, gdy konieczne jest niezawodne zwiększenie wytrzymałości elementu poprzez wprowadzenie szczątkowych naprężeń ściskających lub utwardzanie robocze, nawet przy twardości elementu większej niż 45 HRC, tj. w tak zwanej obróbce na twardo.

Dzięki łożysku hydrostatycznemu, kulka toczy się swobodnie w uchwycie kulowym i dlatego jest znacznie trwalsza w porównaniu z alternatywnymi procesami, takimi jak polerowanie diamentowe. W porównaniu do kulkowania, proces ten nie tylko powoduje utwardzenie, ale także zapewnia znaczne wygładzenie powierzchni.

Oprócz narzędzia, które jest dostępne w różnych wersjach i z różnymi rozmiarami kulek od 2 do 25 mm, proces obejmuje również jednostkę wysokociśnieniową. W zależności od materiału i wymaganego szczątkowego naprężenia ściskającego, siła walcowania może wynosić do 600 barów. Przy wielkości kulki _dk = 6 mm, siła walcowania ok. _Fw = 1000 N działa przy ciśnieniu _pw = 400 bar. Połączenie rozmiaru kulki i siły skutkuje ciśnieniem Hertza (ciśnienie kontaktowe między dwoma komponentami)_pmax > 6 GPa. Jest to znacznie powyżej wytrzymałości stali, ale jest to konieczne do wygenerowania wystarczających szczątkowych naprężeń ściskających.

Aby zapewnić niezawodne działanie narzędzia, układ hydrauliczny jest częścią jednostki technologicznej narzędzia do walcowania HG. Chociaż używanym medium może być medium maszyny CNC, tj. oleje do cięcia lub smary chłodzące, wymagane są odpowiednie natężenia przepływu, systemy filtrowania i chłodzenia, aby zapewnić, że wystarczająca ilość jest zawsze dostępna, nawet w trybie pracy 24/7. Największym zagrożeniem związanym z tą technologią jest ryzyko wyczerpania się medium. W najgorszym przypadku doprowadziłoby to do dociśnięcia kulki do powierzchni z pełną siłą, powodując natychmiastową awarię wkładki kulkowej.

Jak już pokrótce wspomniano, podczas walcowania głębokiego narzędziami HG stosowany jest bardzo wysoki nacisk Hertza. Ze względu na efekt głębokości jest to również odpowiedzialne za wprowadzenie szczątkowych naprężeń ściskających. Wysokie ciśnienie zapewnia, że zasadniczo wszystkie wcześniej wprowadzone zmiany strefy krawędziowej są ponownie wyrównywane. Na przykład w 2003 r. Röttger wykazał, że różne szczątkowe naprężenia ściskające spowodowane zużyciem krawędzi skrawającej podczas toczenia na twardo można wyrównać za pomocą tego samego procesu głębokiego walcowania. Tak długo, jak efekt głębokości walcowania jest większy niż poprzednio wprowadzona zmiana strefy krawędzi, walcowanie głębokie jest procesem dominującym. Oznacza to, że "błędy" z poprzednich procesów mogą być również niezawodnie kompensowane.

Podsumowując, można powiedzieć, że konstrukcja narzędzi hydrostatycznych zapewnia utrzymanie stałej wartości krytycznej zmiennej procesu, jaką jest siła toczenia. Odchylenia geometryczne lub zmiany w strefie krawędziowej wynikające z obróbki mogą być niezawodnie kompensowane i można wygenerować stały stan strefy krawędziowej. Zastosowanie zharmonizowanych jednostek hydraulicznych pozwala również na bezpieczne zarządzanie mediami i znaczne wydłużenie żywotności kulek tocznych.