Kerbspannungen reduzieren: Wie Festwalzen die Lebensdauer von Bauteilen verlängert

W jaki sposób można na przykład zaprojektować punkty nacięcia w wałach przekładni, aby wytrzymały obciążenia? A przede wszystkim, w jaki sposób można poprawić dokładność predykcyjną wytycznych projektowych? Pracował nad tym zespół badawczy z TU Dresden i TU Chemnitz. Wyniki projektu badawczego zostały zaprezentowane na konferencji VDI "Shafts and Shaft-Hub Connections 2024" w Monachium. Interesujące w tym projekcie jest to, że Stefanie Günther i jej koledzy skupili się w szczególności na tym, w jaki sposób można przeprowadzić ocenę wytycznych, biorąc pod uwagę właściwości powierzchni i strefy krawędziowej [1].

W pierwszym semestrze inżynierii mechanicznej studenci uczą się, jak ważne jest prawidłowe zaprojektowanie przejść wałów. Obciążenia mechaniczne są szczególnie wysokie w punktach wycięcia w każdym elemencie i są zwykle odpowiedzialne za mechaniczne uszkodzenie elementu. Można to szczególnie dobrze zilustrować na przykładzie wałów zębatych. W skrzyni biegów na komponenty działają różne rodzaje obciążeń, od nacisku rozciągającego, przez zginanie, aż po skręcanie, które zwykle nakładają się na siebie. Obciążenia mechaniczne są wtedy szczególnie wysokie na piętach wału, co prowadzi do inicjacji pęknięć.

Aby projektant mógł łatwo zaprojektować te punkty, istnieją pewne wytyczne w tym zakresie. Ramy te są zasadniczo metodami obliczeniowymi służącymi do określania prawdopodobieństwa awarii dla danej geometrii. Wytyczne takie jak wytyczne FKM, DIN 743 lub nowe wytyczne FVA standaryzują projekt, a tym samym zapewniają niezawodne wymiarowanie komponentów.

Wytyczne uwzględniają różne czynniki, takie jak materiał, obciążenie zewnętrzne lub kształt karbu. Ponieważ inicjacja pęknięcia zasadniczo zawsze rozpoczyna się od powierzchni elementu, a lokalne właściwości występujące w tym miejscu mogą przyspieszyć lub opóźnić ten proces, właściwości powierzchni i strefy krawędziowej mają szczególne znaczenie w obliczeniach wytrzymałościowych. Niemniej jednak nadal trudno jest uwzględnić w wytycznych procesy produkcyjne, takie jak mechaniczna obróbka powierzchni, chociaż ich pozytywny wpływ jest znany i naukowo udowodniony od prawie 100 lat.

Trzy wspomniane wytyczne uwzględniają właściwości powierzchni i strefy krawędziowej w różnym stopniu szczegółowości i dokładności. Chropowatość jest brana pod uwagę we wszystkich trzech wytycznych. Wydaje się to również całkowicie logiczne, ponieważ chropowatość powierzchni reprezentuje mikrowgłębienia, z których mogą powstawać pęknięcia. Twardość i istniejące naprężenia szczątkowe są uwzględniane w różny sposób. Nowsze wytyczne FVA już wykorzystują te właściwości w obliczeniach. Bardziej powszechne ramy FKM i DIN 743 podsumowują twardość i naprężenia szczątkowe w tak zwanym współczynniku Kv. Jeśli projektant chce uwzględnić te właściwości, stosuje ten współczynnik korekcyjny. Na przykład, jeśli element ma być walcowany na twardo lub śrutowany, współczynnik Kv jest ustawiany na wartość nieco powyżej 1. Im wyższa wartość, tym większy oczekiwany efekt głębokiego walcowania lub śrutowania. Im wartość jest bliższa 1, tym mniejszy jest spodziewany wpływ obróbki skrawaniem. Ponieważ projektant jest odpowiedzialny za wytrzymałość komponentu, zawsze wybierze tę wartość zachowawczo i blisko 1. Konsekwencją tego jest to, że z czysto matematycznego punktu widzenia mechaniczna obróbka powierzchni zwykle nie przynosi żadnych korzyści i dlatego nie jest stosowana. Jeśli jednak zasoby mają zostać zaoszczędzone w dłuższej perspektywie dzięki zastosowaniu głębokiego walcowania, młotkowania powierzchniowego lub śrutowania, wówczas dokładność predykcyjna wytycznych musi zostać dodatkowo zwiększona.

Pani Günther i jej koledzy zajęli się właśnie tym pytaniem w swoim badaniu: W jaki sposób można ocenić dokładność analiz wytrzymałościowych głęboko walcowanych elementów z karbem?

Badania zostały przedstawione na różnie karbowanych elementach testowych wykonanych z 42CrMo4 + QT. Części testowe miały trzy różne kształty karbu: bez karbu, z łagodnym karbem i z ostrym karbem. Średnica próbek testowych wahała się od 10 do 36 milimetrów. Analizie poddano zarówno małe próbki testowe, jak i rzeczywiste komponenty. W celu oceny żywotności przeprowadzono testy pod obciążeniem rozciągająco-ściskającym, zginającym i skręcającym, a następnie dokonano porównania z teoretycznie obliczonymi przewidywaniami.

Głębokie walcowanie promieni karbu przeprowadzono przy użyciu jednowalcowego mechanicznego narzędzia do walcowania typu EG5-1 z rolką 40M. Promień rolki został zaprojektowany tak, aby pasował do promienia karbu w każdym przypadku. We wstępnych testach opracowano odpowiednie siły walcowania głębokiego i prędkości posuwu. Próbki zostały przetworzone przez producenta kontraktowego w warunkach produkcji seryjnej o stałej jakości w celu zminimalizowania rozrzutu testów.

Porównanie z wartościami obliczonymi na podstawie wytycznych można znaleźć w publikacji. Wyniki pokazują jednak, że głębokie walcowanie oferuje ogromną przewagę, szczególnie w przypadku próbek z karbem pod obciążeniem zginającym, a wytrzymałość wałów może zostać prawie podwojona. Wykres pokazuje porównanie pomiędzy łagodnie karbowanym i ostro karbowanym wałem z i bez głębokiego walcowania. Pokazano dwa obciążenia: rozciąganie-ściskanie i zginanie.

Można zauważyć, że nominalna amplituda naprężeń zmniejsza się, gdy karb staje się ostrzejszy, tj. elementy mogą wytrzymać mniejsze obciążenie. Dotyczy to zarówno przypadku ściskania przy rozciąganiu, jak i obciążenia zginającego. Głębokie walcowanie może zwiększyć nominalną amplitudę naprężeń w każdym przypadku, przy czym efekt ten ponownie wzrasta wraz z ostrzejszą geometrią karbu. W najkorzystniejszym przypadku walcowanie głębokie może zwiększyć nominalną amplitudę naprężeń o 94% przy ostrym karbie pod obciążeniem zginającym, co odpowiada niemal podwojeniu wytrzymałości.

Walcowanie głębokie ma zatem ogromny potencjał w zakresie wydłużania żywotności, a tym samym efektywnego wykorzystania zasobów przy projektowaniu wałów. Badanie przeprowadzone przez panią Günther i jej współpracowników pokazuje, że możemy wykorzystać ten potencjał przy odpowiednim podejściu do obliczeń.