Rollieren und Glattwalzen – zwei im Grunde unterschiedliche Verfahren zur Oberflächenbearbeitung

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej na temat procesu produkcyjnego "nagniatania rolkowego", musisz zdać sobie sprawę, że termin ten jest dziś powszechnie używany w inny sposób niż został zdefiniowany. Termin "nagniatanie rolkowe" jest obecnie zwykle używany do opisania miejscowego formowania szczytów chropowatości za pomocą walcowania. Mówiąc prościej: Nagniatanie rolkowe jest utożsamiane z nagniataniem rolkowym lub walcowaniem głębokim.

Z historycznego punktu widzenia walcowanie i nagniatanie walcowe to jednak dwa zupełnie różne procesy, które nawet ze sobą konkurują. Jednak w wielu dostępnych obecnie publikacjach, tekstach i opisach procesów prawie niemożliwe jest znalezienie dobrej definicji lub wyjaśnienia tych terminów. W tym miejscu chcemy to nadrobić.

Kiedy stosuje się nagniatanie rolkowe?

Oba procesy były z powodzeniem stosowane w przeszłości do produkcji komponentów o wyjątkowo wysokiej jakości powierzchni. Nagniatanie rolkowe było stosowane w szczególności w produkcji małych części, np. w przemyśle zegarmistrzowskim. Zakres średnic dla nagniatania rolkowego wynosi D = 0,1 - 8 mm. Z drugiej strony, za pomocą nagniatania rolkowego można również obrabiać bardzo duże średnice do D = 400 mm i więcej. Obecnie dostępnych jest również wiele różnych narzędzi, które mogą obrabiać szeroką gamę geometrii.

Główną różnicą między nagniataniem walcowym a dogniataniem walcowym jest jednak rodzaj wygładzania. Nagniatanie rolkowe wiąże się z minimalnym usuwaniem materiału, dlatego jest klasyfikowane jako proces obróbki skrawaniem. Z drugiej strony, w przypadku nagniatania rolkowego powierzchnia jest wygładzana przez formowanie. Szczyty chropowatości są lokalnie odkształcane przez walec, co zmniejsza chropowatość. Aby bardziej szczegółowo opisać różnice między tymi dwiema metodami, procesy te zostały opisane osobno poniżej.

Nagniatanie rolkowe - proces obróbki gładkich powierzchni

Proces nagniatania walcowego odpowiada kinematyce zewnętrznego szlifowania walcowego. Jako narzędzia wykorzystywane są specjalnie ukształtowane tarcze wykonane z twardego materiału. Zazwyczaj są one wykonane ze stali narzędziowej, węglików spiekanych lub ceramiki tlenkowej. Tak zwana rolkowa tarcza do nagniatania obraca się z prędkością obwodową _vR = 180 - 300 m/min i jest dociskana do powierzchni elementu z niewielką siłą. Element obrabiany obraca się ze znacznie mniejszą prędkością _vWst = 3 - 7 m/min w przeciwnym kierunku. Powoduje to względny ruch między dwiema powierzchniami.

Ważne jest, aby obrabiany przedmiot nie obracał się swobodnie, ale był podparty w rodzaju tulei zwanej broszką. Rysunek 1 przedstawia schemat procesu nagniatania rolkowego.

Bardzo niska szybkość usuwania metalu podczas nagniatania rolkowego jest generowana przez ścierną i chropowatą powierzchnię ściernicy do nagniatania rolkowego. Oznacza to, że w przeciwieństwie do narzędzi szlifierskich, ściernica walcowa do nagniatania nie składa się z trzech elementów: ziarna ściernego, spoiwa i porów, a jedynie z twardego materiału.

Proces nagniatania rolkowego dla różnych konturów przedmiotu obrabianego

Dogniatanie wałków jest zwykle stosowane do końcowej obróbki małych czopów wałów. Cylindryczna powierzchnia zewnętrzna jest obrabiana za pomocą rolkowej tarczy do nagniatania. W celu usunięcia materiału, tarcza do nagniatania rolkowego jest dociskana do obrabianej powierzchni z siłą tylko_FR = 10-30 N podczas nagniatania rolkowego. Jest to znane jako nagniatanie rowków lub form. Tarcza do nagniatania rolkowego jest podawana wyłącznie promieniowo. Poprzez profilowanie tarczy, można obrabiać również elementy niecylindryczne.

W przypadku wzdłużnego nagniatania rolkowego, ruch osiowy tarczy jest dodawany do podawania promieniowego. Podobnie jak w przypadku zewnętrznego szlifowania cylindrycznego, tarcza porusza się z prędkością posuwu w kierunku osiowym nad elementem w celu obróbki większej powierzchni.

Powierzchnie czołowe lub ramiona mogą być obrabiane za pomocą nagniatania walcowego powierzchni czołowych. Podobnie jak w przypadku szlifowania wzdłużnego, wykorzystywany jest tu ruch osiowy. Jednak w tym przypadku służy on jedynie do osiowego dociskania rolkowej tarczy nagniatającej do ramienia.

Dwa nieco bardziej egzotyczne procesy to nagniatanie wałkiem kopiującym lub nagniatanie wałkiem z ręczną stalą do nagniatania wałków. W przypadku nagniatania wałkiem kopiującym, narzędzie jest prowadzone nad grzbietem za pomocą specjalnej kinematyki w celu nagniatania również grzbietu. Wszystkie wymienione do tej pory procesy są zwykle stosowane na maszynach do nagniatania rolkowego. Przeciwieństwem tego jest ręczne nagniatanie stali za pomocą walców. Narzędziem jest tutaj pręt, podobny do pilnika, który jest ręcznie dociskany do powierzchni.

Na początku polerowanie rolkowe było procesem ręcznym, ale wraz ze wzrostem liczby części stawało się coraz bardziej zautomatyzowane. Ostatecznie proces ten był prawie wyłącznie przeprowadzany automatycznie na maszynach, zastępując ręczne nagniatanie rolkowe. Rysunek 2 przedstawia przegląd różnych procesów nagniatania rolkowego i ich specyficzną kinematykę.

Narzędzia do nagniatania rolkowego - konstrukcja i budowa

Narzędzia do nagniatania rolkowego mają bardzo prostą konstrukcję. Z reguły składają się one z tarcz o cylindrycznej lub lekko stożkowej powierzchni zewnętrznej. Stosowane są różne twarde materiały, na przykład stal narzędziowa, węglik spiekany lub ceramika tlenkowa.

Powierzchnia tarczy jest wytwarzana w procesie szlifowania, w którym uzyskuje się określoną głębokość chropowatości Rt = 6 - 15 µm. Warto zauważyć, że rowki szlifierskie mają określoną orientację. Zwykle są one zorientowane osiowo, ale pod kątem 10-30° w stosunku do osi. Taka orientacja struktur chropowatości powoduje usuwanie materiału z powierzchni elementu, tym samym wygładzając go. Przy tej kinematyce obciążenie mechaniczne procesu wzrasta wraz ze wzrostem wygładzania, co nieznacznie zmienia strefę krawędzi. W szczególności prowadzi to do utwardzenia powierzchni.

Oprócz rolkowej tarczy do nagniatania wymagane jest podparcie przedmiotu obrabianego. Ta tak zwana broszka jest zwykle dostosowana dokładnie do średnicy przedmiotu obrabianego i zapewnia, że element jest wkładany do broszki z jednej strony. Broszka jest często używana w sposób pokazany na rysunku 1, dzięki czemu może być używana dłużej, a żywotność narzędzia może zostać zwiększona. Aby jeszcze bardziej to zoptymalizować, broszka jest również wykonana z hartowanego materiału, zwykle węglika spiekanego.

Jakość powierzchni po nagniataniu rolkowym

Wynik nagniatania rolkowego zależy od różnych parametrów, takich jak obróbka wstępna, czas nagniatania rolkowego, siła nagniatania rolkowego i zastosowane smarowanie.

Obróbka wstępna powinna być przeprowadzona przez toczenie precyzyjne lub, alternatywnie, przez szlifowanie precyzyjne. W zależności od średnicy obróbki i materiału, powinien być dostępny naddatek na nagniatanie rolkowe i głębokość chropowatości obróbki wstępnej. W wycofanej wytycznej VDI 2032 "Nagniatanie wałków i dogładzanie wałków", naddatki na nagniatanie wałków i głębokości chropowatości są określone w tabeli 2. Średnio, wytyczne mówią o naddatku na średnicę 15-25 µm, który jest idealnie wytwarzany przez toczenie precyzyjne. Głębokość chropowatości przed nagniataniem walcowym powinna wynosić Rt = 1 - 3 µm. Ogólnie rzecz biorąc, element powinien być już odpowiednio gładki. Gratowanie rolkowe może następnie uzyskać głębokość chropowatości Rt = 0,1 - 0,8 µm, i to dla różnych materiałów, od mosiądzu po stale o twardości do 62 HRC.

Ważne jest, aby podczas tego procesu zapobiegać zacieraniu się elementu, tak aby powierzchnia była zoptymalizowana i nie uległa pogorszeniu. Osiąga się to poprzez niezbędne stosowanie smarów chłodzących. Oprócz chłodzenia procesu, jest to najważniejsze zadanie środka smarnego. Często stosuje się mieszaninę oleju smarowego i ropy naftowej.

Nagniatanie rolkowe, "nowe" nagniatanie rolkowe?

Zależności procesowe są zupełnie inne w przypadku nagniatania rolkowego. W tym przypadku znaczne wygładzenie uzyskuje się poprzez przekształcenie chropowatości od szczytu do doliny. Proces ten został już szczegółowo opisany w innym artykule. Dlatego poniżej opisano tylko najważniejsze właściwości.

Podczas nagniatania walcowego korpus walca jest dociskany do powierzchni z określoną siłą walcowania. Ruch obrotowy przedmiotu obrabianego lub narzędzia powoduje następnie toczenie się elementu tocznego po powierzchni. Sam walec nie jest jednak napędzany oddzielnie. Można znaleźć różne rozwiązania dla sposobu, w jaki element toczny jest dociskany do powierzchni. Często stosuje się siłę sprężyny lub narzędzie ustawione mechanicznie na nadwymiar. Można jednak również użyć hydrostatycznie zamontowanej kuli tocznej.

Kształt korpusu rolki jest dowolny i może być zaprojektowany w różny sposób w zależności od geometrii elementu. Rolka może być również montowana bezpośrednio lub pośrednio i zawsze musi być dobrana do danego zastosowania. Rysunek 4 przedstawia trzy różne typy narzędzi używanych do nagniatania rolkowego.

Mechaniczny nacisk formy na powierzchnię powoduje plastyczne płynięcie materiału w strefie krawędziowej, tj. pod powierzchnią. Powoduje to wyraźne wygładzenie powierzchni o średniej głębokości chropowatości znacznie poniżej Rz = 1 µm i zauważalną homogenizację powierzchni. Ponadto zmieniają się również właściwości materiału w strefie krawędziowej. Powoduje to utwardzenie robocze, wzrost gęstości dyslokacji, wzrost twardości warstwy powierzchniowej i wprowadzenie szczątkowych naprężeń ściskających. Wszystko to ma pozytywny wpływ na żywotność i odporność elementu na zużycie.

W zależności od celu procesu, jest on określany jako nagniatanie rolkowe lub walcowanie głębokie. W przypadku nagniatania rolkowego głównym celem jest zmniejszenie chropowatości powierzchni. W przypadku walcowania głębokiego proces zawsze koncentruje się na osiągnięciu prawidłowej konsolidacji. W zależności od tego, który cel jest na pierwszym planie, należy zwrócić większą lub mniejszą uwagę na parametry procesu podczas jego kontroli. Na ten temat opublikowano już wiele artykułów i filmów.

Porównanie nagniatania rolkowego i walcowego

Patrząc na tekst opisany do tej pory, pierwszą rzeczą, która rzuca się w oczy, jest to, że oba procesy znacznie wygładzają powierzchnię i że oba procesy są procesami wykańczania powierzchni. Procesy te stanowią bezpośrednią konkurencję dla szlifowania, szlifowania dokładnego, polerowania lub toczenia precyzyjnego, ale mają nad nimi pewne znaczące zalety.

W szczególności, w porównaniu z procesami szlifowania, procesy te są znacznie bardziej produktywne i skutkują niższymi kosztami narzędzi i maszyn. W szczególności, nagniatanie rolkowe i toczenie rolkowe przynoszą dalsze korzyści dla komponentu, ponieważ poprawiają również właściwości strefy krawędziowej dzięki komponentowi mechanicznemu.

W bezpośrednim porównaniu między nagniataniem walcowym i walcowaniem doczołowym, zakres zastosowań nagniatania walcowego jest jednak znacznie większy, a proces jest znacznie bardziej niezawodny i wydajny. Widać to na przykład w wymaganej obróbce wstępnej. Początkowa głębokość chropowatości dla nagniatania rolkowego może wynosić _Rz = 20 µm, a _wartość Rz poniżej 1 µm jest nadal osiągana.

Z czysto językowego punktu widzenia, te dwie nazwy procesów są obecnie używane synonimicznie. Podczas gdy oba procesy były nadal znane w latach 70. i były również traktowane inaczej w podręcznikach, terminu "nagniatanie rolkowe" w jego oryginalnej formie nie można już nigdzie znaleźć. W rezultacie proces ten jest prawdopodobnie rzadko przeprowadzany w rzeczywistości.

Każdy, kto dziś mówi o nagniataniu rolkowym, ma na myśli nagniatanie rolkowe. Termin ten przyjął się w Internecie i jest coraz częściej używany w artykułach prasowych i publikacjach naukowych. Z tego powodu ECOROLL AG, jeden z wiodących producentów narzędzi do nagniatania rolkowego i głębokiego walcowania, również odnosi się do nagniatania rolkowego, narzędzia do nagniatania rolkowego lub procesu nagniatania rolkowego, chociaż oczywiście nie jest to całkowicie poprawne z historycznego punktu widzenia. W naszych dokumentach i tekstach używamy terminów walcowanie doczołowe, walcowanie doczołowe i walcowanie głębokie synonimicznie. Często jednak kładziemy szczególny nacisk na głębokie walcowanie, ponieważ jego cel wykracza poza zwykłe wygładzanie powierzchni, a zatem stawia wyższe wymagania wobec procesu.

Źródła literaturowe: