ĆWICZENIE NR X

KSZTAŁTOWANIE WŁASNOŚCI WARSTWY

WIERZCHNIEJ

- NAGNIATANIE -

1. Cel ćwiczenia

Ćwiczenie zaznajamia z technologią nagniatania, której głównym celem jest konstytuowanie w drodze odkształceń plastycznych własności warstwy wierzchniej, korzystnych z punktu widzenia jakości użytkowej obrabianych przedmiotów. Szczególną uwagę zwraca się na wpływ warunków obróbki na własności stereometryczne warstwy wierzchniej i zmiany wymiarowe przedmiotów po nagniataniu tocznym głowicami wielorolkowymi. Proces ten jest często stosowany w praktyce przemysłowej. Ponadto celem ćwiczenia jest poszerzenie wiadomości z zakresu metrologii warstwy wierzchniej, dotyczących sposobów wyznaczania wybranych parametrów charakterystyki chropowatości powierzchni.

2. Tematyka prac badawczych i technicznych

Tematyka prac obejmuje:

• Pokaz oprzyrządowania do realizacji różnych rodzajów nagniatania.

• Zapoznanie się z konstrukcją głowic wielorolkowych różnych typów oraz z normatywami doboru warunków obróbki i wynikami badań wpływu tych warunków na wybrane parametry charakterystyki chropowatości powierzchni.

• Badanie wpływu chropowatości wstępnej (temat 1) i naddatku (temat 2) na chropowatość powierzchni i zmiany wymiarowe przedmiotów po nagniataniu tocznym głowicami wielorolkowymi.

3. Schemat badanego procesu

Rys. X/1. Schemat nagniatania powierzchni zewnętrznej walcowej głowicą wielorolkową oraz podstawowe zależności wymiarowe

4. Zalecenia

4.1. Przedstawienie wyników pomiarów

Temat 1. Badania wpływu chropowatości wstępnej R_ap na zmiany wymiarowe i chropowatość powierzchni po nagniataniu

Tabela X/1 Wyniki badań wpływu chropowatości wstępnej R_ap na zmiany wymiarowe i chropowatość powierzchni po nagniataniu

Narzędzie:............................................................................................................................ Materiał obrabiany:.............................................................................................................. Obróbka wstępna:................................................................................................................ Prędkość nagniatania:........... [m/s] Posuw: ......... [mm/obr] Liczba przejść: ............. Ośrodek chłodząco - smarujący: ..........................................................................................

Lp

Średnica przed nagnia-taniem d0 [mm]

Wymiar głowicy dg [mm]

Naddatek (gniot bez-względny) u [mm]

Wymiar po nagnia- taniu d1 [mm]

Trwała zmiana średnicy dp [mm]

Część sprężysta zmiany średnicy ds [mm]

Chropowatość powierzchni Rap

przed nagnia-taniem Rap m]

po nagnia-taniu Ra m]

1

2

3

u = d0 - dg dp =d0 - d1 ds =d1 - dg

Temat 2. Badania wpływu naddatku (gniotu bezwzględnego) u na zmiany wymiarowe i chropowatość powierzchni po nagniataniu

Tabela X/II. Wyniki badań wpływu naddatku (gniotu bezwzględnego) u na zmiany wymiarowe i chropowatość powierzchni po nagniataniu

Narzędzie:............................................................................................................................ Materiał obrabiany:.............................................................................................................. Obróbka wstępna:................................................................................................................ Prędkość nagniatania:........... [m/s] Posuw: ......... [mm/obr] Liczba przejść: ............. Ośrodek chłodząco - smarujący: ..........................................................................................

Lp

Średnica przed nagnia-taniem d0 [mm]

Wymiar głowicy dg [mm]

Naddatek (gniot bez-względny) u [mm]

Wymiar po nagnia- taniu d1 [mm]

Trwała zmiana średnicy dp [mm]

Część sprężysta zmiany średnicy ds [mm]

Chropowatość powierzchni Rap

przed nagnia-taniem Rap m]

po nagnia-taniu Ra m]

1

2

3

u = d0 - dg dp =d0 - d1 ds =d1 - dg

4.2. Opracowanie wyników pomiarów

Należy wykonać wykresy zależności: R_a(R_ap), d_s(R_ap), d_p(R_ap) - przy ustalonym naddatku (temat 1) oraz R_a(u), d_s(u), d_p(u) - przy ustalonej chropowatości wstępnej (temat 2).

4.3. Wnioski

Wnioski mają dotyczyć wpływu badanych warunków obróbki na chropowatość powierzchni i zmiany wymiarowe. Ponadto należy dokonać oceny jakości technologicznej wyrobów nagniatanych.

5. Zagadnienia kontrolne

• Definicja i sposoby obróbki nagniataniem.

• Charakterystyka jakości technologicznej i użytkowej wyrobów po nagniataniu.

• Główne cele i zakres stosowania obróbki nagniataniem.

• Konstrukcja przyrządów i narzędzi do obróbki nagniataniem.

• Parametry wpływające na chropowatość powierzchni i stopień wzmocnienia oraz głębokość warstwy umocnionej.

• Warunki obróbki przy nagniataniu tocznym oraz sposób ich doboru.

• Parametry charakterystyki chropowatości powierzchni i metody ich wyznaczania.

6. Informacja merytoryczna

6.1. Określenie i klasyfikacja procesu

Nagniatanie jest specyficznym procesem wykańczającej obróbki plastycznej, stosowanej po obróbce wiórowej lub ściernej, polegającym na odkształcaniu plastycznym materiału w obrębie warstwy wierzchniej. Odkształcenia plastyczne otrzymuje się przez oddziaływanie na powierzchnię obrabianą gładkiego elementu narzędzia o odpowiednich krzywiznach, który może się po niej toczyć bez poślizgu, ślizgać lub zderzać się z nią.

Istotne jest, że nagniatanie (w odróżnieniu od innych procesów obróbki plastycznej) nie jest procesem kształtowania. Zasadniczo kształt przedmiotu jest wynikiem operacji poprzedzających. Zmiany wymiarowe podczas nagniatania są niewielkie. Głównym celem procesu jest konstytuowanie (w drodze odkształceń plastycznych, przeważnie na zimno) pożądanych własności warstwy wierzchniej przedmiotu obrabianego.

Procesy nagniatania są zazwyczaj realizowane na obrabiarkach skrawających za pomocą odpowiedniego oprzyrządowania. Spotyka się również specjalne obrabiarki do nagniatania.

Rozróżnia się następujące sposoby nagniatania:

• nagniatanie statyczne, gdy siła oddziaływania elementu narzędzia (który ma ciągły kontakt z powierzchnią obrabianą) jest stała lub wolnozmienna:

• toczne: kulkowanie, krążkowanie, rolkowanie (zwykłe i oscylacyjne),

• ślizgowe: przeciąganie (przepychanie) kulki lub trzpienia, wygładzanie ślizgowe,

• nagniatanie dynamiczne, gdy podczas obróbki zachodzą zderzenia elementów roboczych z powierzchnią obrabianą i charakterystyka impulsu siły w pojedynczym zderzeniu zależy od energii zderzenia i własności materiału obrabianego:

• skoncentrowane (gdy elementy robocze są związane z narzędziem) - krążkowanie, kulkowanie, rolkowanie odśrodkowe i impulsowe oraz młotkowanie,

• rozproszone (gdy elementy robocze są swobodne) - kulkowanie strumieniowe i wibracyjne.

Ponadto, ze względu na założony główny cel, obróbkę nagniataniem można podzielić na:

• nagniatanie „gładkościowe” i „gładkościowo - wymiarowe”, gdzie głównym celem jest uzyskanie określonej charakterystyki chropowatości powierzchni (zazwyczaj bardzo małej wartości parametru R_a), a w pewnych przypadkach również założonej dokładności wymiarowo - kształtowej;

• nagniatanie wzmacniające, gdzie głównym celem jest osiągnięcie odpowiedniego stopnia oraz głębokości wzmocnienia materiału w warstwie wierzchniej.

Bardziej szczegółową klasyfikację można znaleźć w [5]. Schematy różnych odmian nagniatania pokazano na rys. X/2 - X/9.

6.2. Charakterystyka jakości technologicznej wyrobów nagniatanych

6.2.1. Dokładność wymiarowo - kształtowa

Uzyskiwana dokładność zależy w znacznym stopniu od obróbki poprzedzającej i stosowanego sposobu nagniatania. W zasadzie końcowy wymiar i tolerancję można otrzymać pod warunkiem ustalenia zależności pomiędzy trwałą zmianą wymiaru przedmiotu i warunkami obróbki oraz zastosowania odpowiednio dokładnej obróbki wstępnej. Zagadnienie to będzie omówione w dalszym ciągu. Możliwości poprawienia błędów kształtu (owalizacji, stożkowatości itp.) istnieją przy stosowaniu narzędzi z dociskiem sztywnym, a więc także głowic rolkowych, oraz podczas nagniatania ślizgowego, są jednak ograniczone wielkością dopuszczalnych odkształceń plastycznych (dopuszczalnego gniotu).

6.2.2. Stan warstwy wierzchniej

Nagniatanie wywołuje szereg istotnych zmian stanu warstwy wierzchniej. Charakter tych zmian zależy od sposobu nagniatania i warunków obróbki oraz od rodzaju i stanu materiału obrabianego. Stan warstwy wierzchniej można scharakteryzować, podając jej własności stereometryczne i fizyczne. Własności stereometryczne określone są głównie przez parametry charakterystyki chropowatości powierzchni. Własności fizyczne określają:

- własności mechaniczne materiału w obrębie warstwy wierzchniej (np. mikrotwardość),

- parametry charakteryzujące strukturę (wymiary i kształt ziarn, skład fazowy itp.),

- tekstura,

- naprężenia ostateczne.

Wszystkie te wielkości należy traktować jako funkcje odległości od powierzchni.

Stan warstwy wierzchniej po nagniataniu można scharakteryzować jak następuje.

• Wskutek odkształceń plastycznych, wywołanych przez gładki element narzędzia, zachodzi spłaszczenie wierzchołków mikronierówności i zmniejszenie chropowatości powierzchni. Przez odpowiedni dobór sposobu i warunków nagniatania można otrzymać powierzchnię o żądanych parametrach chropowatości. Szczególnie małą chropowatość, porównywalną z chropowatością elementów narzędzia (R_a = 0,04 [m]), otrzymuje się stosując sposoby statyczne. Nagniatanie dynamiczne nie daje tak małej chropowatości.

• W warstwie wierzchniej występuje zgniot (gdy nagniatanie przeprowadza się na zimno). Materiał ulega wzmocnieniu. Podstawowym (mierzalnym w obrębie warstwy wierzchniej) parametrem charakteryzującym wzmocnienie jest mikro - lub mezotwardość. Stopień i głębokość wzmocnienia zależy od sposobu i warunków nagniatania oraz od rodzaju i stanu materiału. Dla stali największy względny przyrost twardości występuje przy strukturze ferrytycznej (do 100%). Głębokość warstwy umocnionej może wynosić od ok. 0,1 do kilkunastu [mm].

• Struktura i tekstura materiału warstwy wierzchniej są charakterystyczne dla stanu zgniotu. Występuje rozdrobnienie i zmiana pierwotnego kształtu ziarn (wydłużenie w kierunku największego odkształcenia). Mogą zachodzić przemiany fazowe (np. austenitu szczątkowego w martenzyt). Podczas tzw. nagniatania elektromechanicznego (sposoby toczne i ślizgowe z nagrzewaniem elektrooporowym strefy kontaktu elementu narzędzia z przedmiotem) zmiany strukturalne wynikają z połączonego oddziaływania temperatury i odkształceń plastycznych.

• Naprężenia ostateczne w warstwie wierzchniej są ściskające i wynikają ze zwiększenia objętości właściwej materiału w stanie zgniotu. Maksymalne (co do bezwzględnej wartości) naprężenia występują w pobliżu powierzchni.

Stan warstwy wierzchniej określa tzw. charakterystyka podstawowa, zawierająca profilogram, zdjęcia obrazujące stan powierzchni i strukturę (na zgładzie metalograficznym przekroju warstwy wierzchniej) oraz wykresy zależności naprężeń ostatecznych i względnego przyrostu mikrotwardości w funkcji odległości od powierzchni [1].

6.3. Charakterystyka jakości użytkowej wyrobów nagniatanych

6.3.1. Wytrzymałość zmęczeniowa

Nagniatanie powoduje istotny wzrost wytrzymałości zmęczeniowej, spowodowany wzmocnieniem materiału warstwy wierzchniej, korzystnym stanem naprężeń ostatecznych i zmniejszeniem chropowatości powierzchni. Wzrost ten zależy głównie od stopnia i głębokości wzmocnienia. W przypadku, gdy wyrób w warunkach eksploatacyjnych podlega obciążeniom zmiennym przy zginaniu lub skręcaniu, maksymalne naprężenia występują przy powierzchni (rys. X/10). Pełne wykorzystanie przyrostu wytrzymałości zmęczeniowej Z jest możliwe pod warunkiem uzyskania głębokości warstwy umocnionej δ₀. Dalsze zwiększanie tej głębokości nie jest już celowe. Badania wykazały, że optymalna głębokość warstwy umocnionej mieści się w granicach:

δ = (0,05 ÷ 0,10) r ( X.1)

gdzie r jest promieniem (lub innym podobnym wymiarem) części. Istotny jest także wpływ naprężeń ostatecznych, które, sumując się z naprężeniami pochodzącymi od obciążeń zewnętrznych, powodują asymetrię cyklu obciążenia (przesunięcie w kierunku ściskania). Wpływa to korzystnie na wytrzymałość zmęczeniową.

Podwyższenie wytrzymałości zmęczeniowej występuje przy wszystkich sposobach nagniatania, pozwalających osiągnąć w danych warunkach odpowiedni stopień i głębokość wzmocnienia. Szczególnie godne polecenia są sposoby dynamiczne, w których osiąga się duże grubości warstwy wzmocnionej bez naruszenia spójności i niepożądanych deformacji mniej sztywnych przedmiotów.

Duże znaczenie ma nagniatanie tych fragmentów powierzchni wyrobów, w których występuje koncentracja naprężeń: promieni przejść między stopniami wałów, wycięć, podtoczeń itp. Względny przyrost wytrzymałości zmęczeniowej Z/Z₀*100 % może wynosić dla wałów bez stopni 25 - 90 %, a dla części z koncentratorami naprężeń nawet 150 - 200 %. Największe efekty osiąga się poddając nagniataniu części pracujące przy obciążeniach zmiennych w ośrodkach wywołujących przyspieszoną korozję. Gładka powierzchnia i ostateczne naprężenia ściskające, zamykające wszelkie mikroszczeliny, są czynnikami utrudniającymi penetrację agresywnego ośrodka w głąb warstwy wierzchniej. W tych warunkach przyrost wytrzymałości zmęczeniowej może osiągać 300 - 900 % [2].

6.3.2. Odporność na zużycie ścierne

Podwyższenie twardości i obniżenie chropowatości powierzchni podnosi odporność na zużycie ścierne, zwłaszcza przy tarciu ślizgowym w obecności smaru [2]. Dobre wyniki uzyskuje się, stosując sposoby oscylacyjne. Korzystne jest nagniatanie toczne lub wygładzanie ślizgowe niektórych stali stopowych po obróbce cieplnej w celu wywołania przemiany martenzytycznej w austenicie szczątkowym (względny przyrost odporności na zużycie ścierne może osiągnąć wtedy 50 %). Ponadto nagniatanie powoduje skrócenie czasu docierania współpracujących części oraz zmniejszenie współczynnika tarcia, gdyż osiąga się korzystne parametry charakterystystyki chropowatości powierzchni (płaskie wierzchołki mikronierówności, specyficzny układ śladów obróbki po nagniataniu oscylacyjnym, stwarzający dobre warunki smarowania). Nagniatanie powierzchni pracujących w warunkach tarcia tocznego przy wysokich naciskach nie jest zalecane.

6.3.3. Odporność na korozję

Odporność na korozję wynika z działania dwóch przeciwstawnych czynników. Materiał będący w stanie zgniotu ma obniżoną odporność na korozję. Równocześnie korozji przeciwdziała istnienie gładkiej powierzchni. Nagniatanie poprawia odporność na korozję, jeżeli uzyskuje się bardzo gładką powierzchnię przy małych i jednorodnych odkształceniach. Jest to możliwe przy nagniataniu tocznym z małymi naciskami odpowiednio przygotowanych powierzchni.

6.3.4. Sztywność stykowa

Nagniatanie powoduje wzrost rzeczywistej powierzchni styku , a tym samym obniżenie naprężeń kontaktowych w strefie oddziaływania współpracujących części. Brak ostrych wierzchołków mikronierówności ogranicza w znacznym stopniu możliwość ich plastycznego odkształcania podczas eksploatacji. Sztywność stykowa wzrasta po nagniataniu 2 - 3 razy.

6.3.5. Zdolność powierzchni do odbijania światła i efekty specjalne

Powierzchnie nagniatane sposobami tocznymi mają duże odstępy mikronierówności o płaskich wierzchołkach. Zwiększa to zdolność do odbijania światła (małe rozpraszanie). Stosowanie sposobów oscylacyjnych umożliwia, dzięki sterowaniu układem śladów obróbki, uzyskanie różnorodnych efektów dekoracyjnych.

6.4. Zastosowanie nagniatania w technologii maszyn

Zakres zastosowań nagniatania wynika z przedstawionej charakterystyki jakości technologicznej i użytkowej części obrabianych oraz techniczno - ekonomicznej efektywności procesu. Korzystne efekty nagniatania osiągane są na ogół w sposób prosty, nie wymagający dużych nakładów. Wykorzystuje się obrabiarki skrawające i niezbyt skomplikowane oprzyrządowanie. Niektóre typy głowic rolkowych są dostępne jako narzędzia handlowe. W wielu przypadkach nagniatanie zastępuje bardziej pracochłonne operacje wykańczającej obróbki ściernej. Wysoka jakość użytkowa powoduje zwiększenie żywotności i niezawodności części podczas eksploatacji. Wynika stąd zastosowanie nagniatania w przemyśle lotniczym i silnikowym oraz w budowie pojazdów szynowych i samochodowych także w tych przypadkach, gdy nie daje to bezpośredniej obniżki pracochłonności (czyli gdy nagniatanie jest operacją dodatkową, np. po uprzedniej obróbce cieplnej i szlifowaniu).

Zakres materiałów obrabianych obejmuje: stale węglowe i stopowe, niektóre gatunki żeliw, stopy miedzi i aluminium oraz inne rodzaje. Pewne trudności występują przy nagniataniu materiałów kruchych i twardych (A₅ < 6 %, HRC > 45), a także bardzo miękkich, których intensywne płynięcie wokół elementu nagniatającego może być przyczyną falistości powierzchni. Materiały powyższe wymagają odpowiedniego doboru kształtu i wymiarów elementów nagniatających i warunków obróbki.

Jak widać, zakres stosowania nagniatania jest szeroki. Można podać następujące przykłady konkretnych zastosowań.

• Osie, wały, trzpienie gładkie i stopniowane. Stosuje się nagniatanie gładkościowo - wymiarowe lub wzmacniające, zwłaszcza toczne i ślizgowe.

• Cylindry, powierzchnie wewnętrzne otworów. Nagniatanie gładkościowo - wymiarowe za pomocą głowic wielorolkowych i podobnych narzędzi skrawająco - nagniatających jest efektywnym sposobem obróbki wykańczającej powierzchni otworów w długich cylindrach siłowników hydraulicznych, kilkakrotnie wydajniejszym i tańszym od tradycyjnych metod obróbki ściernej. Sposoby ślizgowe i toczne (głowicami rolkowymi) stosuje się do wzmacniania powierzchni otworów pod nity w konstrukcjach lotniczych.

• Prowadnice i inne powierzchnie oporowe i ślizgowe. Stosuje się nagniatanie jako obróbkę wzmacniającą i gładkościową, głównie sposobami tocznymi (także oscylacyjnymi).

• Łopatki turbin, wirników, śmigła, płaty, sprężyny, resory. Zastosowanie ma zwłaszcza nagniatanie wzmacniające sposobami dynamicznymi o działaniu rozproszonym.

• Koła zębate, gwinty, wielowypusty. Stosuje się nagniatanie statyczne wzmacniające lub gładkościowe za pomocą narzędzi współpracujących z zarysem uzwojenia.

• Lustra reflektorów i inne powierzchnie odblaskowe lub dekoracyjne. Przeważnie stosuje się nagniatanie toczne, także oscylacyjne.

6.5. Oprzyrządowanie

Przyrządy do nagniatania tocznego można sklasyfikować następująco:

• w zależności od sposobu obróbki: przyrządy do kulkowania, krążkowania, rolkowania;

• w zależności od kształtu przedmiotu obrabianego: przyrządy do obróbki powierzchni walcowych zewnętrznych i wewnętrznych, do płaszczyzn i powierzchni kształtowych;

• w zależności od liczby elementów roboczych i sposobu ich rozmieszczenia: przyrządy jedno - i wieloelementowe, jedno - i wielorzędowe;

• w zależności od sposobu wywarcia nacisku na powierzchnię obrabianą: przyrządy o nacisku sztywnym, sprężystym (podatnym), pneumatyczne, hydrauliczne;

• w zależności od źródła napędu: przyrządy z napędem własnym oraz bazujące na obrabiarkach ogólnego przeznaczenia.

Przykładowe rozwiązania konstrukcyjne przyrządów do nagniatania tocznego podano na rys. X/11 i X/12.

6.6. Warunki obróbki przy nagniataniu tocznym oraz podstawy ich doboru

Warunki obróbki przy nagniataniu tocznym są następujące:

• siła nagniatania P, lub - dla przyrządów wywierających nacisk w sposób sztywny (np. głowic wielorolkowych) - tzw. naddatek u (gniot bezwzględny - patrz rys. X/1),

• posuw p, będący przemieszczeniem przyrządu względem przedmiotu obrabianego, przypadającym na jeden obrót, podwójny skok lub jeden element roboczy (w zależności od kinematyki procesu i rodzaju przyrządu),

• prędkość nagniatania v (prędkość ruchu głównego),

• liczba przejść i, lub tak zwana uogólniona liczba przejść f, którą określa się jako liczbę obciążeń siłą nagniatania każdego punktu powierzchni obrabianej:

(X.2)

gdzie: l - długość strefy kontaktu elementu nagniatającego z przedmiotem obrabianym mierzona w kierunku posuwu, z - liczba elementów nagniatających w narzędziu,

• rodzaj ośrodka chłodząco - smarującego oraz intensywność jego doprowadzania do strefy obróbki (wydatek),

• sposób obróbki wstępnej i parametry chropowatości powierzchni przed nagniataniem (zwłaszcza R_a).

Podkreślić należy, że warunki obróbki dobiera się dla konkretnego przyrządu, posiadającego określoną liczbę elementów roboczych o ustalonym kształcie i wymiarach oraz dla danego gatunku i stanu materiału obrabianego. Istotne są również: kształt i wymiary przedmiotu obrabianego oraz jego sztywność (ze względu na możliwość przeniesienia sił nagniatania bez niepożądanych deformacji). Cechy te wpływają na wybór sposobu nagniatania i konstrukcję przyrządów. Przystępując do projektowania procesu technologicznego należy więc najpierw określić sposób nagniatania i typ przyrządu.

Optymalne warunki obróbki winny zapewnić spełnienie wymagań technicznych przy minimalnym koszcie jednostkowym.

Dobór warunków obróbki przeprowadza się zazwyczaj sposobem doświadczalnym (lub analityczno - doświadczalnym). Dla typowych przyrządów dostępne są odpowiednie normatywy opracowane na podstawie badań doświadczalnych [3,4]. W dalszym ciągu będą podane ogólne zasady doboru poszczególnych warunków obróbki.

• Siła nagniatania (lub gniot). Jest to podstawowy parametr, wpływający na chropowatość powierzchni, stopień i głębokość wzmocnienia oraz naprężenia ostateczne. Przy nagniataniu gładkościowym dobiera się (zwykle doświadczalnie) minimalną siłę, wystarczającą do uzyskania wymaganej chropowatości (przy zadanym sposobie obróbki wstępnej i określonych parametrach chropowatości powierzchni przed nagniataniem). Zbyt duże siły mogą wywołać naruszenie spójności (zwłaszcza przy dużej liczbie przejść uogólnionych i twardych materiałach) lub falistość powierzchni (przy materiałach miękkich). Przy nagniataniu wzmacniającym siłę dobiera się w zależności od wymaganej grubości warstwy wzmocnionej (patrz wzór X.1), np. stosując zależność przybliżoną, podaną przez S. G. Hajfeca:

(X.3)

Granicę plastyczności R_p podaje się w [MPa], δ₀ - wg. (X.1) - w [mm]; r_z jest zredukowanym promieniem krzywizny:

(X.4)

gdzie: D - średnica krążka lub kulki, d - średnica przedmiotu, R - promień krzywizny krążka (w płaszczyźnie osiowej); dla kulki: R = D/2. Dla przyrządów o nacisku sztywnym, a więc również dla głowic rolkowych, w miejsce siły nagniatania dobiera się wartość gniotu bezwzględnego (naddatku) u (rys. X/1). Dobór warunków obróbki przy nagniataniu tocznym głowicami rolkowymi przedstawiono w p. 6.7.

• Posuw. Wpływ posuwu na chropowatość wynika z odwzorowania krzywizny elementu nagniatającego na powierzchni obrabianej, co można wyrazić analitycznie. Np. dla kulki lub krążka o promieniu krzywizny R (rys. X/13 a, d, f) parametr R_z wyraża się wzorem:

(X.5)

z którego wynika dopuszczalna wartość posuwu. Największe posuwy można stosować dla krążków lub rolek z pasmem walcowym i małym kątem  (rys. X/13 c, e). Wartość posuwu musi być mniejsza od długości pasma walcowego l lub szerokości strefy kontaktu z przedmiotem obrabianym. Należy jednak pamiętać o zachowaniu odpowiedniej liczby przejść uogólnionych f. Zwiększenie tego parametru powoduje obniżenie chropowatości, jednak stosowanie zbyt dużych wartości f może doprowadzić do naruszenia spójności materiału obrabianego.

• Liczba przejść. Należy dążyć do uzyskania wymaganych efektów nagniatania w jednym przejściu. Kolejne przejścia (przy ustalonej sile lub gniocie bezwzględnym) nieznacznie wpływają na stan warstwy wierzchniej, powodują natomiast wzrost czasu maszynowego i kosztów obróbki).

• Prędkość nagniatania nie wywiera istotnego wpływu na wyniki obróbki. Stosuje się prędkości rzędu 0,5 - 2,5 [m/s].

• Ośrodek chłodząco - smarujący. Podczas nagniatania tocznego wykorzystuje się środki o działaniu smarującym i myjącym. Jedynie przy nagniataniu ślizgowym twardych materiałów konieczne jest użycie środków o bardzo dobrym działaniu chłodząco - smarującym (emulsji z dodatkiem środków powierzchniowo - aktywnych) oraz ewentualne obniżenie prędkości nagniatania.

• Obróbka wstępna powierzchni przed nagniataniem. Stosuje się toczenie, wytaczanie, rozwiercanie, struganie, frezowanie i szlifowanie (R_ap = 2,5 - 10 [m]). Materiały o dużej twardości (np. po obróbce cieplnej) wymagają mniejszej chropowatości wstępnej (R_ap = 1,2 [m] lub mniej). Powierzchnia winna być czysta, bez narostu, śladów po drganiach i pozostałości ziarn ściernych. Pożądane są: kierunkowa struktura śladów obróbki oraz powtarzalny, symetryczny kształt mikronierówności powierzchni. Dokładność obróbki wstępnej zależy od wymaganych tolerancji po nagniataniu.

6.7. Dobór warunków obróbki przy nagniataniu tocznym głowicami rolkowymi

Przy doborze warunków obróbki korzysta się zazwyczaj z normatywów i zaleceń producentów głowic. Normatywy takie opracowywane są na podstawie badań doświadczalnych dla konkretnych gatunków i własności materiałów. Parametry obróbki zestawione są w formie tabelarycznej dla poszczególnych materiałów lub grup materiałów [4]. Tok postępowania jest następujący.

• Wybór chropowatości wstępnej R_ap. Wymaganą chropowatość po nagniataniu R_a można osiągnąć przy różnych wartościach R_ap.

• Dla wybranej wartości R_ap znajduje się w zestawieniu tablicowym wartość posuwu p i przedział u_max ÷ u_min gniotów bezwzględnych, dla którego otrzymuje się wymaganą wartość R_a.

• Dla wybranego gniotu bezwzględnego znajduje się wartości sprężystej i trwałej zmiany wymiaru d_s oraz d_p oraz względny przyrost mikrotwardości powierzchni. Dobrane wartości oraz związki:

d_p = d₀ - d₁ d_s = d₁ - d_g d_p + d_s = d₀ - d_g = u (X.6)

pozwalają, z wykorzystaniem analizy wymiarów, na określenie wymiaru początkowego d₀ (wraz z tolerancją) oraz wymiaru nastawienia głowicy d_g dla zadanego wymiaru końcowego d₁ i jego tolerancji.

6.8. Charakterystyka chropowatości powierzchni

Chropowatość powierzchni (PN-73/M-04251) stanowi zbiór nierówności powierzchni rzeczywistej, umownie określanych jako odchyłki profilu zmierzonego od linii odniesienia w granicach odcinka, na którym nie uwzględnia się błędów kształtu i falistości.

Stan przestrzenny nierówności ocenia się na podstawie profilu uzyskanego przez przecięcie powierzchni płaszczyzną  (rys. X/14), prostopadłą do powierzchni wyrobu i wyróżnionego kierunku śladów obróbki (jeżeli taki istnieje).

Stan przestrzenny nierówności powierzchni opisuje szereg parametrów (rys. X/15):

• R_a - średnie odchylenie profilu od linii średniej,

• R_z - średnia odległość pięciu najwyżej i najniżej położonych punktów profilu,

• R_max - największa wysokość nierówności,

•  - średni kąt nachylenia wierzchołków,

• r - średni promień zaokrąglenia wierzchołków,

• F₁ - pole profilu nad linią średnią (lub dowolną linią do niej równoległą),

• S_m - średnia odległość nierówności,

• S - średnia odległość wierzchołków profilu,

• m - liczba wierzchołków,

• n(0) - liczba punktów przecięć profilu z linią średnią,

• R_q - średnie kwadratowe odchylenie profilu,

• N_L - udział nośny liniowy (parametr funkcyjny).

Zbiór wartości wybranych parametrów charakteryzujących profil nazywamy charakterystyką chropowatości powierzchni.

Parametry te wyznacza się na długości tzw. odcinka elementarnego L_c. Wartości N_L i F_L oblicza się ze wzorów:

(X.7)

Są to ważne parametry, decydujące o sztywności stykowej rzeczywistych powierzchni kontaktowych i szybkości zużycia ściernego.

Istniejące przyrządy pomiarowe umożliwiają pomiar tylko niektórych parametrów. Grupa przyrządów, tzw. profilografometrów, pracuje w ten sposób, że (mówiąc w uproszczeniu), mierzy zmiany przebiegu napięcia wywołane pionowym przemieszczaniem się końcówki roboczej, przesuwanej wzdłuż odcinka pomiarowego. Całkowanie powyższego przebiegu daje parametr R_a. Jeżeli zliczy się, ile razy napięcie zmieniło znak względem napięcia odniesienia, odpowiadającego położeniu linii średniej, to uzyska się wartość n(0).

W metrologii warstwy wierzchniej profil chropowatości powierzchni uważa się za realizację pewnego procesu stochastycznego, stacjonarnego i ergodycznego o normalnym rozkładzie rzędnych. Badania wykazały, że większość powierzchni, zwłaszcza kształtowanych metodami obróbki ściernej i elektroerozyjnej spełnia powyższe założenia. W konsekwencji przy ocenie chropowatości powierzchni stosuje się metody analizy procesów stochastycznych, np. wyznaczanie funkcji autokorelacji. Modyfikacją takiego podejścia jest tzw. metoda punktów szczególnych, która pozwala określić szereg parametrów na podstawie zmierzonych wartości R_a, n(0) i m. Odpowiednie wzory podano w tab. X/3.

Zastosowanie metody punktów szczególnych wymaga testowania założenia normalności rozkładu rzędnych profilu.

Tabela X/3. Wartości oczekiwane wybranych parametrów charakterystyki chropowatości powierzchni
Parametr	Wartość oczekiwana	Parametr	Wartość oczekiwana
Rmax		r
Rq		S
Sm		
Jednostki: Ra [m], Lc [mm], n(0) [mm-1], m [mm-1], r [m]

7. Literatura

1. R. Górecka, Z. Polański: Metrologia warstwy wierzchniej. WNT, Warszawa 1983

2. E. G. Konowałow, W. A. Sidorenko: Gładkościowa i wzmacniająca obróbka powierzchniowa nagniataniem tocznym (w jęz. rosyjskim). Mińsk 1968

3. Z. Polański, T. Sołkowski, S. Okoński: Dogniatanie toczne powierzchni walcowych zewnętrznych. Krążkowanie i kulkowanie. Normatywy technologiczne. WEMA, Warszawa 1974

4. W. Polowski: Technologia i warunki dogniatania tocznego otworów w stalach oraz dogniatania tocznego wałków przy obróbce stali, żeliw, stopów aluminium i stopów mie-dzi. Normatywy technologiczne. IOS, Kraków 1974

5. Poradnik inżyniera mechanika. Tom III. Zagadnienia technologiczne. WNT, Warszawa 1970

6. W. Przybylski: Technologia obróbki nagniataniem. WNT, Warszawa 1987

7. W. Przybylski: Obróbka nagniataniem. Technologia i oprzyrządowanie. WNT, Warszawa 1979

8. Materiały reklamowe i prospekty:

• W. Hegenscheidt GmbH (Erkelenz, Niemcy)

• Rafamet (Kuźnia Raciborska)

• Instytut Obróbki Skrawaniem (Kraków)

J. G. Sznajder: Narzędzia do wykańczającej obróbki nagniataniem (w jęz. rosyjskim). Leningrad 1971

8. Wykaz norm

1. PN-73/M-04251

d₁

d_s/2

d₀

R_ap

R_a

d_g

u/2

d_p/2

d_p = d₀ - d₁

d_s = d₁ - d_g

d_p+d_s = d₀ - d_g = u

---