Beata Borkowska, Halina Kolenda

Tomasz Dyl
Akademia Morska w Gdyni
I
WPŁYW ODKSZTAŁCENIA WZGLĘDNEGO
NA WSKAŹNIK ZMNIEJSZENIA CHROPOWATOŚCI
STOPIEŃ UMOCNIENIA WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ
PO OBRÓBCE NAGNIATANEM
W artykule określono wpływ odkształcenia względnego (ε h = 0,1%) po każdym przejściu obróbkowym
oraz całkowitego odkształcenia względnego po trzech przejściach obróbkowych (ε hc = 0,3%) na
stopień względnego umocnienia warstwy powierzchniowej i wskaźnik zmniejszenia chropowatości
walcowych powierzchni zewnętrznych. Nagniatanie wykonano za pomocą nagniataka krążkowego
NK-01 produkcji Katedry Materiałów Okrętowych i Technologii Remontów Wydziału Mechanicznego
Akademii Morskiej w Gdyni
1.
WPROWADZENIE
Technologię obróbki nagniataniem (powierzchniową obróbkę plastyczną) coraz
szerzej wykorzystuje się w celu przeprowadzenia regeneracji oraz do wytwarzania
elementów części maszyn stosowanych w okrętownictwie, a także w przemyśle
maszynowym. Technologia nagniataniem jest to obróbka plastyczna na zimno.
Cechuje się czystością i szybkością procesu oraz możliwością łatwego stosowania
w praktyce, na przykład w warunkach morskich podczas rejsu jednostki pływającej. Obróbką nagniataniem można kształtować powierzchnie walcowe zewnętrzne, wewnętrzne, płaskie i kształtowe. Obróbka nagniataniem jest stosowana jako
wykańczająca obróbka umacniająca i gładkościowa, może być realizowana na
uniwersalnych obrabiarkach i centrach obróbkowych, skutecznie zastępuje takie
operacje obróbki skrawaniem, jak szlifowanie, rozwiercanie, gładzenie i docieranie
[2, 4].
2.
ZAKRES
BADAŃ
EKSPERYMENTALNYCH
Badania eksperymentalne wykonano w ramach prac własnych prowadzonych
w Akademii Morskiej w Gdyni, dla próbek walcowych ze stali C45. Powierzchnie
zewnętrzne walcowe przygotowano do nagniatania poprzez toczenie. Przeprowadzono obróbkę skrawaniem na tokarce uniwersalnej. Podczas obróbki skrawaniem
T. Dyl: Wpływ odkształcenia względnego na wskaźnik zmniejszenia chropowatości...
101
zastosowano następujące parametry skrawania: posuw 0,055 – mm/obr, głębokość
skrawania – 0,05 mm, prędkość obrotowa – 1100 obr/min. Do smarowania i chłodzenia zastosowano Emulgol ES-12. Toczenie wykonano za pomocą noża tokarskiego wyposażonego w płytki wieloostrzowe firmy Sandvik Coromant, tworzone
z węglików spiekanych. Obróbkę nagniataniem powierzchni walcowych zewnętrznych (φ 48 mm) ze stali C45 przeprowadzono na tokarce uniwersalnej, wykorzystano
trzy przejścia obróbkowe (i = 3) nagniataka krążkowego NK-01 produkcji Katedry
Materiałów Okrętowych i Technologii Remontów. Podczas powierzchniowej
obróbki plastycznej zastosowano następujące parametry technologiczne: posuw –
0,055 mm/obr, głębokość – 0,3 mm, prędkość obrotowa – 710 obr/min. Do smarowania i chłodzenia użyto oleju maszynowego. Po każdym przejściu obróbkowym
uzyskano odkształcenie względne ε h równe 0,1%. Całkowite odkształcenie względne
ε hc po trzech przejściach obróbkowych wyniosło 0,3%.
Pomiary twardości wykonano w pięciu punktach pomiarowych równo rozmieszczonych na powierzchni próbek za pomocą twardościomierza typu Vickers
[3].
W celu przeprowadzenia oceny wpływu parametrów procesu technologicznego na twardość obrabianej powierzchni wyznaczono stopień względnego umocnienia warstwy powierzchniowej ze wzoru:
Su =
HV1 − HV0
⋅100% ,
HV0
(1)
przy czym:
HV 0 – twardość przed powierzchniową obróbką plastyczną,
HV 1 – twardość po powierzchniowej obróbce plastycznej.
Parametry stereometryczne powierzchni przed nagniataniem i po nagniataniu
mierzono w pięciu punktach pomiarowych równo rozmieszczonych na powierzchni
próbek w Katedrze Materiałów Okrętowych i Technologii Remontów na Wydziale
Mechanicznym Akademii Morskiej w Gdyni. Do tych pomiarów użyto profilometru Hommel Tester T1000. Odcinek pomiarowy miał długość równą 4,8 mm,
a odcinek elementarny był równy 0,8 mm. Dokonano pomiarów wielu parametrów
stereometrycznych powierzchni po powierzchniowej obróbce plastycznej, między
innymi przeprowadzono pomiar średniego arytmetycznego odchylenia profilu
chropowatości (parametr R a ) i wyznaczono wskaźnik zmniejszenia chropowatości
powierzchni ze wzoru [1]:
K Ra =
Ra′
,
Ra
(2)
przy czym:
R a′ – średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości powierzchni powłoki
przed powierzchniową obróbką plastyczną,
R a – średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości powierzchni powłoki po
powierzchniowej obróbce plastycznej.
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009
102
3.
WYNIKI
BADAŃ
DOŚWIADCZALNYCH
Po przeprowadzonych badaniach eksperymentalnych określono, że po trzech
przejściach obróbkowych podczas procesu nagniatania uzyskano wartość odkształcenia względnego ε hc równą 0,3%. Odkształcenie względne ε h było równe 0,1%
dla każdego przejścia obróbkowego, dlatego też wyznaczono wpływ odkształcenia
względnego podczas plastycznej obróbki powierzchniowej na wybrane właściwości
walcowych powierzchni zewnętrznych. Z danych przedstawionych na rysunku 1
można wnioskować, że wraz ze wzrostem odkształcenia względnego po nagniataniu wzrasta stopień względnego umocnienia warstwy powierzchniowej. Dla
całkowitego odkształcenia względnego ε hc podczas nagniatania wynoszącego 0,3%
uzyskuje się stopień względnego umocnienia S u równy 39% (tab. 1).
Tabela 1
Stopień względnego umocnienia warstwy powierzchniowej przed nagniataniem i po nagniataniu
ε h [%]
Rodzaj obróbki
HV
S u [%]
Toczenie
140
–
–
Nagniatanie
i=1
150
7
0,1
Nagniatanie
i=2
160
14
0,2
Nagniatanie
i=3
195
39
0,3
45
40
35
Su S[%]
u, %
30
25
20
15
10
5
0
0,1
0,2
0,3
εh ε [%]
h, %
Rys. 1. Wpływ odkształcenia względnego na stopień względnego umocnienia warstwy powierzchniowej
W tabeli 2 zamieszczono wartości pomierzone średniego arytmetycznego
odchylenia profilu chropowatości powierzchni i obliczone wskaźnika zmniejszenia
chropowatości powierzchni przed nagniataniem i po nagniataniu.
Na podstawie wyników pomiarów średniego arytmetycznego odchylenia profilu wyznaczono wskaźnik zmniejszenia chropowatości powierzchni ze wzoru (2).
T. Dyl: Wpływ odkształcenia względnego na wskaźnik zmniejszenia chropowatości...
103
Można zauważyć (rys. 2), że wraz ze wzrostem odkształcenia względnego po
nagniataniu parametr R a osiąga coraz mniejsze wartości (dla i = 3, R a = 0,45 µm).
Z danych przedstawionych na rysunku 3 wynika, że dla większych wartości odkształcenia względnego po nagniataniu występują większe wartości wskaźnika
zmniejszenia chropowatości (dla i = 3, K Ra = 5,7).
Tabela 2
Wskaźnik zmniejszenia chropowatości powierzchni
i średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości powierzchni przed nagniataniem i po nagniataniu
Rodzaj obróbki
R a [μm]
K Ra
ε hc [%]
Toczenie
2,55
–
–
Nagniatanie
i=1
1,05
2,4
0,1
0,75
3,4
0,2
0,45
5,7
0,3
Nagniatanie
i=2
Nagniatanie
i=3
1,2
1
RRa a,[μm]
µm
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0,1
0,2
0,3
εh [%]
Rys. 2. Wpływ odkształcenia względnego na średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości powierzchni
6
5
KR
KRaa
4
3
2
1
0
0,1
0,2
εh [%]
0,3
Rys. 3. Wpływ odkształcenia względnego na wskaźnik zmniejszenia chropowatości powierzchni
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009
104
4.
PODSUMOWANIE
I
WNIOSKI
Po przeprowadzonych próbach powierzchniowej obróbki plastycznej określono
wpływ odkształcenia względnego po obróbce nagniataniem na wybrane właściwości walcowych powierzchni zewnętrznych. Na podstawie wykonanych badań
doświadczalnych można stwierdzić, że:
• odkształcenie względne wpływa w znacznym stopniu podczas obróbki nagniataniem na parametry stereometryczne i stopień względnego umocnienia warstwy
powierzchniowej;
• dla większych wartości odkształcenia względnego uzyskuje się większe wartości
względnego stopnia umocnienia warstwy powierzchniowej;
• przy zastosowaniu większych wartości odkształcenia względnego można uzyskać
mniejsze wartości średniego arytmetycznego odchylenia profilu powierzchni,
a zatem występują wtedy większe wartości wskaźnika zmniejszenia chropowatości powierzchni.
LITERATURA
1. Dyl T., Skoblik R., Starosta R., The Effect of the Ceramic Dispersion on the Nickel Matrix Composite
Coating Properties after Plastic Working, „Solid State Phenomena”, 2009, vols. 147-149.
2. Przybylski W., Technologia obróbki nagniataniem, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa
1987.
3. Starosta R., Dyl T., Obróbka powierzchniowa, Wydawnictwo Akademii Morskiej w Gdyni,
Gdynia 2008.
4. Współczesne problemy w technologii obróbki przez nagniatanie, pod red. W. Przybylskiego,
Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2005.
ON
THE INFLUENCE OF THE RELATIVE DRAFT
THE SURFACE ROUGHNESS AND STRAIN HARDENING
SURFACE LAYER AFTER BURNISHING
(Summary)
This article present the influence of the relative draft on the stereometrical properties and strain
hardening at the surface layer of steel C45 after burnishing (surface plastic working). Characteristic
features of burnishing technology are a lack of thermal phenomena, simplicity of use and low-cost
application. This paper present the influence of technological parameters of burnishing on the degree
of strain hardening relative and surface roughness reduction ratio of surface layer. It carry
experimental research for relative draft per one pass ε h =0,1% and total relative draft per three pass
ε hc = 0,3%.