TEORIA

Layout
26.07.2005
13:32 Uhr
TEORIA
R O Z D Z I A ¸
Seite 6
P I E R W S Z Y
TECHNOLOGIA
KULOWANIA
Kulowanie jest procesem obróbki na zimno, podczas
którego powierzchnia cz´Êci jest bombardowana
ma∏ymi okràg∏ymi czàstkami materia∏u zwanego
Êrutem. Ka˝da drobina Êrutu, uderzajàc w materia∏,
dzia∏a jak mikroskopijne uderzenie m∏otkiem
powodujàc na powierzchni ma∏e wgniecenie lub
wg∏´bienie. Aby mog∏o powstaç wg∏´bienie,
czàsteczki powierzchni obrabianego materia∏u muszà
ulec odkszta∏ceniu (rozciàgni´ciu) (rys. 1-1). Pod
powierzchnià ÊciÊni´te czàsteczki próbujà przywróciç
jej pierwotny kszta∏t przeto wytwarzajà pod
wg∏´bieniem warstw´ obrobionego na zimno
materia∏u w kszta∏cie pó∏kuli z wysokimi napr´˝eniami
Êciskajàcymi (rys. 1-2). Nachodzàce na siebie
wg∏´bienia tworzà jednolità warstw´ z napr´˝eniami
w∏asnymi Êciskajàcymi.
Jest powszechnie wiadomym, ˝e p´kni´cia nie
powstajà i nie rozszerzajà si´ w strefie
z napr´˝eniami w∏asnymi Êciskajàcymi. Poniewa˝
wi´kszoÊç zm´czeniowych i korozyjnych uszkodzeƒ
powstaje na lub tu˝ pod powierzchnià cz´Êci,
napr´˝enia Êciskajàce uzyskane w procesie
kulowania powodujà znaczne podwy˝szenie trwa∏oÊci
cz´Êci. WartoÊç maksymalnych, Êciskajàcych
napr´˝eƒ w∏asnych, wytworzonych na lub pod
powierzchnià cz´Êci w procesie kulowania, osiàga
przynajmniej po∏ow´ wartoÊci granicy plastycznoÊci
kulowanego materia∏u.
Rys. 1-1 Odkszta∏cenie w wyniku dynamicznego
uderzenia
Rys. 1-2 ÂciÊni´cie zapobiega p´kni´ciom
zm´czeniowym
W wi´kszoÊci przypadków zasadniczà przyczynà powstawania uszkodzeƒ zm´czeniowych sà
napr´˝enia rozciàgajàce. Napr´˝enia te mogà byç
wynikiem zewn´trznych obcià˝eƒ eksploatacyjnych
lub mogà byç to napr´˝enia w∏asne powsta∏e
w procesach produkcji takich jak spawanie,
szlifowanie, skrawanie itp. Napr´˝enia rozciàgajàce
próbujà rozciàgnàç powierzchni´ co mo˝e
powodowaç inicjacj´ p´kni´ç (rys. 1-3). Napr´˝enia
Êciskajàce Êciskajà granice ziaren w warstwie
wierzchniej i znacznie opóêniajà powstawanie
p´kni´ç zm´czeniowych. Poniewa˝ rozwój p´kni´ç
Rys. 1-3 Poczàtek p´kni´cia i jego propagacja
jest znacznie spowolniony w warstwie z napr´˝eniami
w wyniku napr´˝eƒ rozciàgajàcych.
Êciskajàcymi, powi´kszajàc g∏´bokoÊç tej warstwy
podnosimy odpornoÊç na p´kanie. Kulowanie jest
najbardziej ekonomicznà i praktycznà metodà wytworzenia na powierzchni Êciskajàcych napr´˝eƒ
w∏asnych.
6
26.07.2005
13:33 Uhr
Seite 7
R R O Z D Z I A ¸
P I E R W S Z Y
Ograniczona wytrzyma∏oÊç zm´czeniowa
Napr´˝enia rozciàgajàce
• Obcià˝enie zm´czeniowe
sk∏ada si´ z dziesiàtek
tysi´cy do kilku milionów
powtarzajàcych si´ cykli
obcià˝eniowych.
Obcià˝enia powodujà
powstawanie napr´˝eƒ
rozciàgajàcych, które
usi∏ujà rozciàgnàç
powierzchni´ materia∏u.
• Wynikiem liniowego
zmniejszenia wartoÊci
Nieograniczona wytrzyma∏oÊç
zm´czeniowa
napr´˝enia
rozciàgajàcego jest
wzrost wytrzyma∏oÊci
zm´czeniowej (liczba
Liczba cykli
cykli obcià˝eƒ w skali
Rys. 1- 4 Typowy wykres napr´˝eƒ w funkcji liczby cykli
logarytmicznej). Na
(krzywa Wehlera)
wykresie (rys. 1-4)
pokazano, ˝e zmniejszenie
napr´˝enia o 262 MPa (32%) podwy˝sza wytrzyma∏oÊç o 150 000 cykli (300%).
TEORIA
Kulowanie jest przede wszystkim stosowane do zapobiegania zm´czeniu metalu. Ni˝ej wymienione
czynniki majà wp∏yw na liczb´ cykli obcià˝eƒ w funkcji przy∏o˝onych napr´˝eƒ rozciàgajàcych (rys. 1-4).
NAPR¢˚ENIA W¸ASNE
WYWO¸ANE
KULOWANIEM
Napr´˝enia w∏asne wytworzone
w procesie kulowania to
napr´˝enia Êciskajàce.
Napr´˝enia te równowa˝à lub
obni˝ajà istniejàce napr´˝enia
rozciàgajàce. Stwierdzono, ˝e im
mniejsze napr´˝enia
(rozciàgajàce) w warstwie
wierzchniej tym wi´ksza
˝ywotnoÊç cz´Êci. Typowy
rozk∏ad napr´˝eƒ w∏asnych,
wywo∏anych kulowaniem, jest
przedstawiony na rys. 1-5.
G∏´bokoÊç warstwy umocnionej
Napr´˝enia w∏asne
Layout
Napr´˝enia na powierzchni
Maksymalne napr´˝enia Êciskajàce
Maksymalne napr´˝enia
Odleg∏oÊç od powierzchni – cale (dolna skala), mm (górna skala)
Êciskajàce. Jest to maksymalna
Rys. 1- 5 Typowy rozk∏ad napr´˝eƒ w∏asnych wywo∏anych
wartoÊç wywo∏anych kulowaniem
kulowaniem
napr´˝eƒ Êciskajàcych.
Zazwyczaj znajduje si´
w niewielkiej odleg∏oÊci od powierzchni. Gdy roÊnie wartoÊç maksymalnych napr´˝eƒ Êciskajàcych,
wzrasta tak˝e odpornoÊç na p´kanie zm´czeniowe.
G∏´bokoÊç warstwy z napr´˝eniami Êciskajàcymi. Jest to gruboÊç umocnionej warstwy,
zapobiegajàcej rozwojowi p´kni´ç. GruboÊç warstwy mo˝e byç zwi´kszona poprzez wzrost energii
dynamicznego uderzenia. Grubsza warstwa jest po˝àdana dla zwi´kszenia odpornoÊci na
powstawanie p´kni´ç.
Napr´˝enia na powierzchni. – Sà to napr´˝enia wyst´pujàce na powierzchni kulowanej. WielkoÊç
ta jest zazwyczaj mniejsza ni˝ maksymalne napr´˝enia Êciskajàce.
7
Layout
26.07.2005
13:33 Uhr
TEORIA
R O Z D Z I A ¸
Seite 8
P I E R W S Z Y
SUMA NAPR¢˚E¡ OD
OBCIÑ˚E¡ ZEWN¢TRZNYCH
I NAPR¢˚E¡ W¸ASNYCH
Rozciàganie
Âciskanie
JeÊli kulowanà cz´Êç z wywo∏anymi w niej
napr´˝eniami Êciskajàcymi poddamy dzia∏aniu
obcià˝eƒ zewn´trznych, wywo∏ujàcych
Napr´˝enia od obcià˝eƒ
Napr´˝enia w∏asne
napr´˝enia rozciàgajàce, to wypadkowa
zewn´trznych
wywo∏ane
rozk∏adu napr´˝eƒ mo˝e przebiegaç tak jak na
kulowaniem
Napr´˝enia wypadkowe
rys. 1-6.
(sumaryczne)
Gdy na kulowanà cz´Êç dzia∏ajà obcià˝enia
zewn´trzne (eksploatacyjne) to powierzchnia jej
podlega dzia∏aniu sumy napr´˝eƒ wynikajàcych z przy∏o˝onych obcià˝eƒ
zewn´trznych oraz napr´˝eƒ w∏asnych,
Rys. 1-6 Wykres napr´˝eƒ w wyniku przy∏o˝onych
powsta∏ych w wyniku kulowania.
obcià˝eƒ zewn´trznych i uzyskanych po
Rys. 1-6 przedstawia kulowany pr´t
kulowaniu oraz przebieg napr´˝eƒ wypadkowych
obcià˝ony trzypunktowo, co wytworzy∏o
napr´˝enia rozciàgajàce na jego powierzchni.
UkoÊna linia przerywana to napr´˝enia rozciàgajàce
wytworzone przez obcià˝enie zginajàce. Krzywa linia przerywana to Êciskajàce napr´˝enia w∏asne
wywo∏ane kulowaniem. Linia ciàg∏a to suma powy˝szych dwóch wartoÊci. Wyraênie widoczne jest
znaczne zmniejszenie napr´˝eƒ rozciàgajàcych na powierzchni materia∏u.
Kulowanie jest szczególnie korzystne, gdy wyst´pujà nast´pujàce dwa warunki:
o czynniki wywo∏ujàce spi´trzenie napr´˝eƒ
o materia∏y o wysokiej wytrzyma∏oÊci.
Czynniki wywo∏ujàce spi´trzenie napr´˝eƒ to karby konstrukcyjne – promienie przejÊç,
podtoczenia, otwory poprzeczne, rowki klinowe itp. Kulowanie wytwarza w rejonie karbów lokalne
napr´˝enia Êciskajàce o du˝ej wartoÊci, które równowa˝à czynniki koncentracji napr´˝eƒ powsta∏e
w wyniku karbów konstrukcyjnych.
Kulowanie jest idealnà metodà do umacniania materia∏ów o du˝ej wytrzyma∏oÊci. Napr´˝enia
Êciskajàce bezpoÊrednio zale˝à od dopuszczalnych napr´˝eƒ rozciàgajàcych dla danego materia∏u.
Im wy˝sza wartoÊç dopuszczalnych napr´˝eƒ rozciàgajàcych tym wi´ksza wartoÊç mo˝liwych do
uzyskania napr´˝eƒ Êciskajàcych. Materia∏y o wy˝szej wytrzyma∏oÊci majà bardziej sztywnà
struktur´ krystalicznà. Taka sieç krystaliczna mo˝e wytrzymaç wi´ksze odkszta∏cenie
i w konsekwencji mo˝e akumulowaç wi´ksze wartoÊci napr´˝eƒ w∏asnych.
Przyk∏ad zastosowania
BADANIA NASA NAD ROZWOJEM P¢KNI¢å
In˝ynierowie z NASA przeprowadzili badanie nad pr´dkoÊciami rozwoju p´kni´ç na próbkach
z aluminium 2024-T3, kulowanych i niekulowanych. Badania wst´pne prowadzone by∏y a˝ do
wystàpienia p´kni´cia poczàtkowego o d∏ugoÊci 1,27mm, a nast´pnie cykl badaƒ prowadzono a˝ do
zniszczenia próbek. Nale˝y zaznaczyç, ˝e wg norm si∏ powietrznych USA dopuszczalna wada to
p´kni´cie o d∏ugoÊci 1,27 mm.
Stwierdzono, ˝e w próbkach kulowanych rozwój p´kni´ç nast´powa∏ znacznie wolniej. Jak widaç
z poni˝szych rezultatów, przy napr´˝eniu zewn´trznym 104 MPa ˝ywotnoÊç próbki wzros∏a o 237%.
Przy napr´˝eniu 138 MPa ˝ywotnoÊç próbki wzros∏a o 81%.
Badania te przeprowadzono w warunkach ci´˝szych ni˝ warunki rzeczywiste. W warunkach
rzeczywistych zasadniczo nie ma poczàtkowych wad i dlatego ˝ywotnoÊç na takim poziomie napr´˝eƒ
powinna byç znacznie wy˝sza.
Wyniki badaƒ próbek niekulowanych
Napr´˝enie Liczba prób
Ârednia
liczba cykli
104 MPa
2
75 017
138 MPa
3
26 029
Wyniki badaƒ próbek kulowanych
Napr´˝enie Liczba prób Ârednia Wzrost w
liczba cykli procentach
104 MPa
2
253 142
237%
138 MPa
3
47 177
81%
Uwaga dotyczàca przygotowania próbek: Karby zosta∏y wytworzone na próbkach w procesie EDM
(drà˝enie elektroiskrowe). Nast´pnie próbki by∏y obcià˝ane zm´czeniowo a˝ do powstania p´kni´cia
o d∏ugoÊci 1,27 mm. JeÊli badano próbki kulowane to proces kulowania realizowany by∏ po
wytworzeniu p´kni´cia. By∏ to punkt wyjÊcia do przeprowadzania powy˝szych badaƒ [1.1].
8
13:33 Uhr
Seite 9
GruboÊç warstwy z napr´˝eniami Êciskajàcymi
wywo∏anymi w procesie kulowania uzale˝niona
jest od stosowanych parametrów procesu i od
w∏aÊciwoÊci plastycznych obrabianego materia∏u
(jego twardoÊci) [1.2]. Na rys. 1-7 przedstawiono
zale˝noÊç pomi´dzy gruboÊcià warstwy
umocnionej (z napr´˝eniami Êciskajàcymi),
a intensywnoÊcià kulowania, wyra˝onà
w stopniach Almena, dla nast´pujàcych
materia∏ów: stali o twardoÊci 31HRC, stali
o twardoÊci 52 HRC, stali o twardoÊci 60 HRC,
aluminium 2024 i tytanu 6Al-4V. GruboÊci warstw
umocnionych dla innych materia∏ów mogà byç
uzyskiwane na drodze interpolacji.
MATERIA¸Y DO KULOWANIA
IntensywnoÊç
P I E R W S Z Y
TEORIA
G¸¢BOKOÂå ZALEGANIA
NAPR¢˚E¡ W¸ASNYCH
G∏´bokoÊç zalegania napr´˝eƒ Êciskajàcych (cal/mm)
R O Z D Z I A ¸
G∏´bokoÊç zalegania napr´˝eƒ Êciskajàcych (cal/mm)
26.07.2005
Do kulowania (patrz Rozdzia∏ 12) stosuje si´
ma∏e kuleczki (Êrut) wykonane ze staliwa, ci´tego
Rys. 1-7 G∏´bokoÊç zalegania napr´˝eƒ
i zaokràglonego drutu ulepszonego cieplnie (ze
Êciskajàcych w funkcji intensywnoÊci Almena
stali zarówno w´glowej jak i nierdzewnej) oraz
kuleczki ceramiczne lub szklane. Najcz´Êciej
u˝ywane sà kulki lane ze staliwa lub zaokràglone kulki ze stali w´glowej. Ârut ze stali nierdzewnej
u˝ywany jest w przypadkach, gdy niepo˝àdane by∏oby zanieczyszczenie umacnianej powierzchni
drobinkami ˝elaza.
Ârut ci´ty ze stali w´glowej musi byç
w specjalnym procesie zaokràglony do kszta∏tu
kulistego. Ârut taki jest najcz´Êciej stosowany ze
wzgl´du na jego wysokà odpornoÊç na p´kanie
Ârut 46 HRC
i ∏atwoÊç obróbki na ró˝nà twardoÊç. Ârut stalowy
dost´pny jest w znormalizowanych granulacjach
i w ró˝nych stopniach twardoÊci.
Kulki szklane stosowane sà w przypadku, gdy
niepo˝àdana jest obecnoÊç ˝elaza na obrabianej
powierzchni. Granulacja kulek szklanych jest
zazwyczaj mniejsza i sà one l˝ejsze ni˝ kulki
metalowe. Stosowane sà one do obróbki ma∏ych
promieni na dnie gwintów lub innych cz´Êci
o niewielkich przekrojach, gdzie zalecana jest
niska intensywnoÊç kulowania.
Napre˝enia
Layout
WP¸YW TWARDOÂCI ÂRUTU
Ârut 61 HRC
Stwierdzono, ˝e twardoÊç Êrutu wp∏ywa na
wielkoÊç napr´˝eƒ w∏asnych Êciskajàcych
Odleg∏oÊç od powierzchni – cal (dolna skala), mm (górna skala)
(rys. 1-8). Âruty do kulowania powinny byç
zawsze przynajmniej tak twarde lub twardsze od
Rys. 1-8 Rozk∏ad napr´˝eƒ w∏asnych
cz´Êci kulowanej, chyba ˝e chropowatoÊç
w kulowanej stali 1045 o twardoÊci 50 HRC
powierzchni b´dzie cechà decydujàcà. Dla
wielu cz´Êci zarówno z metali ˝elaznych jak i kolorowych kryterium to jest spe∏nione przy Êrucie
stalowym o twardoÊci 45-52HRC.
Wzrastajàce u˝ycie stali o wysokiej wytrzyma∏oÊci i twardoÊci (50HRC i wy˝szych) wymaga u˝ycia
Êrutu o specjalnej twardoÊci (55-62HRC).
LITERATURA:
1.1
Dubberly, Everett, Matthews, Prabhakaran, Newman; The Effects of Shot and Laser Peening on Crack Growth and Fatigue Life in 2024
Aluminum Alloy and 4340 Steel, US Air Force Structural Integrity Conference, 2000
1.2 Fuchs; Shot Peening Stress Profiles
1.3 Lauchner, WESTEC Presentation March 1974, Northrup Corporation; Hawthorne, California
9