Walcowanie głębokie to niezwykle skuteczny proces zwiększania wytrzymałości zmęczeniowej elementów poddawanych obciążeniom mechanicznym. Sam proces jest bardzo łatwy do przeprowadzenia i może być stosowany na dowolnej tokarce lub frezarce. Proces ten jest jednym z procesów mechanicznego wykańczania powierzchni i zapewnia wygładzenie chropowatości powierzchni oraz ukierunkowane wzmocnienie strefy krawędziowej, tj. obszaru materiału bezpośrednio pod powierzchnią.

Efekty głębokiego walcowania to odkształcenie plastyczne szczytów chropowatości i wynikające z tego zmniejszenie chropowatości, wzrost gęstości dyslokacji i związane z tym utwardzenie robocze, a także wprowadzenie szczątkowych naprężeń ściskających.

To ostatnie w szczególności prowadzi do wzrostu wytrzymałości zmęczeniowej podczas obciążenia dynamicznego, ponieważ powstawanie pęknięć jest zatrzymywane lub znacznie spowalniane przez obecne szczątkowe naprężenia ściskające. Walcowanie głębokie ma oczywiście największy wpływ w punktach, w których stosowane są największe obciążenia mechaniczne. Z mechanicznego punktu widzenia ma to miejsce w punktach karbu i w przejściach promieniowych na wałach lub elementach podobnych do wałów. Z tego powodu proces ten jest stosowany szczególnie często.

Jak naprężenia karbu wpływają na żywotność wałów

Wały są obciążane na różne sposoby. Mogą to być obciążenia rozciągające lub ściskające, obciążenia skręcające, a nawet obciążenia zginające. We wszystkich przypadkach największe naprężenia występują na przejściu między dwiema średnicami wału lub na przejściu do obszaru kołnierza.

Ilustracja przedstawia uproszczony wspornik koła poddany obciążeniu zginającemu. Wyraźnie widać, że naprężenia są największe w obszarze przejściowym i że uszkodzenie tego elementu rozpocznie się od tego punktu.

Znaczący wzrost żywotności można osiągnąć, jeśli obszar ten zostanie zwinięty w sposób ukierunkowany. Stefanie Günther przedstawiła obszerne badania na ten temat na konferencji VDI "Wały i połączenia wał-piasta" 2024 i była w stanie wykazać wzrost obciążenia nawet o +93% [1].

Wybór narzędzia i optymalizacja procesu w celu uzyskania maksymalnej wytrzymałości zmęczeniowej

Podczas walcowania głębokiego walcowany korpus jest dociskany do powierzchni elementu. Następnie odwija się i powoduje odkształcenie plastyczne powierzchni i leżącej pod nią strefy krawędziowej. Decydującymi parametrami procesu są geometria walca, prędkość posuwu, a przede wszystkim siła walcowania. Określa to, jak wysokie są wprowadzane szczątkowe naprężenia ściskające.

Na rynku dostępne są różne narzędzia do walcowania głębokiego. Często różnią się one geometrią poszczególnych elementów tocznych. Narzędzie - a w szczególności walec - musi być dopasowane do zadania obróbki. Na przykład walec, taki jak ten pokazany na rysunku 2, nie nadaje się do obróbki promieni i innych powierzchni o dowolnym kształcie. Zamiast tego jest idealny do gładkiego walcowania cylindrycznych powierzchni wewnętrznych lub zewnętrznych, ponieważ umożliwia bardzo duże prędkości posuwu.

Jednorolkowe narzędzia mechaniczne, w których rolka jest samonośna, są szczególnie odpowiednie do głębokiego walcowania promieni. Rysunek 3 przedstawia na przykład jednowalcowe narzędzie mechaniczne typu EG45 z walcem 40M. Walec jest bezpośrednio podparty i może absorbować obciążenia osiowe i promieniowe. Ustawienie rolki pod kątem 45° umożliwia obróbkę pod kątem 90°. Sprawia to, że ten wariant rolki jest bardzo odpowiedni do obróbki promieni na wałach.

Rolka może być prowadzona wzdłuż konturu za pomocą sterowania CNC, a tym samym stosować optymalną siłę głębokiego walcowania w dowolnym punkcie. Podczas programowania należy jednak wziąć pod uwagę specjalną cechę tego typu narzędzia. Siła jest przykładana w narzędziu za pomocą elementów sprężynowych, które mogą odchylać się w jednym kierunku; w tym przypadku pod kątem 45°, tj. pod kątem prostym do osi walca.

Kierunek sprężyny musi być brany pod uwagę przy ocenie siły walcowania. Jeśli obrabiana jest powierzchnia cylindryczna, rzeczywista siła toczenia staje się siłą sprężyny pod kątem 45°. Ta ostatnia jest wyświetlana na czujniku zegarowym. Jeśli stała siła toczenia jest stosowana na całym promieniu, wyświetlana siła sprężyny zmienia się. Dlatego błędem byłoby zaprogramowanie procesu tak, aby czujnik zegarowy wyświetlał tę samą wartość na całym promieniu.

Ta korelacja istnieje dla wszystkich narzędzi, w których zainstalowany jest tylko element sprężynowy, ale kierunek obróbki zmienia się w konturze elementu. Ważne jest, aby znać i rozumieć tę korelację. Pojawia się jednak pytanie, jak ważna jest ta korelacja. Jest to ponownie oceniane w zależności od zastosowania. W niektórych przypadkach konieczne jest bardzo precyzyjne określenie i kontrolowanie siły toczenia, w którym to przypadku należy to również uwzględnić w programowaniu. Często jednak wysiłek programistyczny dla użytkownika jest zbyt duży i absolutnie wystarczająca jest praca ze stałym posuwem na całym promieniu. Użytkownik musi zawsze rozważyć, co dokładnie jest ważne dla procesu oddzielnie i indywidualnie.

[1] S. Günther, B. Muhammedi, T. Werner, B. Schlecht, A. Hasse, A, Brosius: Evaluation of the accuracy of strength analyses of deep-rolled, notched components. Raporty VDI nr 2443, Konferencja VDI na temat wałów i połączeń wał-piasta, Monachium, 2024 r.