Kugelstrahlen vs. Festwalzen

„Jeśli elementy konstrukcyjne ulegają przedwczesnemu uszkodzeniu pod wpływem obciążeń dynamicznych, często wynika to z braku wewnętrznych naprężeń ściskających w strefie brzegowej. Śrutowanie kulkowe jest uznaną metodą pozwalającą właśnie to zmienić – ale jak to działa, jakie są jego ograniczenia i jakie alternatywy, takie jak walcowanie wzmacniające, oferują jeszcze większy potencjał?”

Coraz częściej stosuje się celowe dostosowywanie właściwości powierzchni i stref brzegowych. Nierzadko jednak odpowiednie metody obróbki końcowej są wybierane raczej przypadkowo i traktowane jako sposób na rozwiązanie problemu. W grupie mechanicznej obróbki powierzchniowej powierzchnia elementu jest utwardzana mechanicznie przy użyciu różnych mechanizmów działania. Nie stosuje się zatem żadnych dodatkowych obróbek cieplnych ani metod powlekania [1]. 

Do najczęściej stosowanych procesów należą: 

• Śrutowanie kulkowe
• Walcowanie na gładko/walcowanie walcami
• Wygładzanie diamentowe
• Walcowanie utwardzające
• Mechaniczne młotkowanie powierzchni

We wszystkich tych procesach „narzędzie” jest dociskane do powierzchni elementu. Powoduje to powstanie tak dużych lokalnych naprężeń mechanicznych, że powierzchnia ulega miejscowemu odkształceniu plastycznemu.  Wynikiem tego jest zawsze zmiana topografii powierzchni, utwardzenie na zimno strefy brzegowej oraz wprowadzenie silnych naprężeń wewnętrznych ściskających. 

Śrutowanie jest w tej serii, że tak powiem, procesem o nieokreślonej geometrii, analogicznie do szlifowania w obróbce skrawaniem. W procesie tym medium strumieniowe, zwane również środkiem strumieniowym, jest przyspieszane i wyrzucane na powierzchnię elementu. Ziarna strumieniowe uderzają w powierzchnię w sposób nieokreślony, powodując odkształcenie plastyczne i pożądane utwardzenie materiału [2].  

Śrutowanie odbywa się zawsze w specjalnych instalacjach do śrutowania. Instalacje te są często bardzo duże, wymagają znacznego nakładu prac konserwacyjnych oraz wiedzy operatorów, dlatego też często znajdują się u wyspecjalizowanych dostawców, u których proces ten można zamówić jako usługę. 

Środek strumieniujący jest przyspieszany na przykład za pomocą koła odśrodkowego lub strumienia powietrza. W obu przypadkach można regulować prędkość. Ma to już duży wpływ na wynik procesu. Wyższa prędkość uderzenia oznacza również większy impuls wywierany przez pojedyncze ziarno, a tym samym większe odkształcenie.

Oprócz prędkości decydującym parametrem jest oczywiście sam materiał strumieniowy. Może on być wykonany z różnych materiałów (stali, stali hartowanej, szkła lub ceramiki) i mieć różnorodne kształty. Termin „śrutowanie kulkowe” sugeruje, że ziarna śrutowe mają kształt kul. Nie jest to jednak regułą. W zależności od jakości medium można rozróżnić ziarna drutowe od kulek. 

W przypadku ziaren drutowych drut o określonej grubości jest cięty i nie poddawany dalszej obróbce. Ziarna te mają raczej ostre krawędzie i niewiele mają wspólnego z kulą. Jeśli ziarno zostanie poddane dalszej obróbce, może powstać niemal idealna kula. Kształt środka ściernego ma oczywiście również wpływ na wynik. Podobnie jak grubość ziarna. Jeśli środek ścierny ma grubość 2 mm lub tylko 0,2 mm, energia odkształcania jest oczywiście różna. 

Trzecim istotnym parametrem jest pokrycie. Jeśli dany obszar przesuwa się bardzo powoli pod strumieniem, na powierzchnię uderza oczywiście bardzo wiele ziaren. Podobnie jest, gdy powierzchnia jest wielokrotnie poddawana działaniu strumienia. 

Wynik procesu mierzy się następnie za pomocą tzw. intensywności Almena. W tym celu określona blacha, tzw. pasek Almena, jest poddawana obróbce strumieniowej przy użyciu określonych parametrów. W wyniku zmiany naprężeń wewnętrznych pasek blachy ulega odkształceniu, co można następnie ocenić za pomocą wielkości zwanej „intensywnością Almena”. 

Wynik procesu można zatem zawsze potwierdzić jedynie pośrednio. Pasek Almena jest narzędziem pomocniczym, jednak nigdy nie można sprawdzić bezpośredniego przebiegu procesu na rzeczywistym elemencie konstrukcyjnym, ponieważ późniejszy pomiar naprężeń wewnętrznych nie jest możliwy metodą nieniszczącą. 

Odkształcenie plastyczne powierzchni zapewnia trzy pożądane efekty: 

1. Wprowadzenie naprężeń wewnętrznych ściskających
   Odkształcenia plastyczne w strefie brzegowej powodują powstanie naprężeń wewnętrznych ściskających w tej strefie. Na wielkość naprężeń wewnętrznych ściskających, a także na ich głębokość, wpływają pokrycie, prędkość strumienia oraz wielkość ziarna ściernego.
2. Wprowadzenie utwardzenia na zimno
   Odkształcenia plastyczne w strefie brzegowej powodują ponadto zmianę struktury materiału. Następuje wzrost gęstości dyslokacji, co prowadzi do zwiększenia twardości i wytrzymałości w strefie brzegowej.
3. Zwiększenie trwałości elementu
   Oba rodzaje zmian właściwości zapewniają wydłużenie trwałości oraz zwiększenie odporności na obciążenia dynamiczne. Element poddany śrutowaniu kulkowego może zatem wytrzymać większe obciążenie przez dłuższy czas, a jego wytrzymałość zmęczeniowa wzrasta (rys. 3). 

Najczęściej stosowaną alternatywą dla śrutowania jest walcowanie, zwane również rolowaniem. Polega ono na dociskaniu rolki lub kulki walcującej do powierzchni z określoną siłą, co powoduje niezbędne odkształcenia plastyczne. 

W przeciwieństwie do śrutowania narzędzia do walcowania można bezpośrednio zintegrować z obrabiarkami (tokarką, frezarką, centrum obróbczym). Wymagana siła procesowa jest tak niewielka, że może być bez problemu wytworzona przez obrabiarkę.

Ciągły ruch korpusu walca umożliwia bardzo precyzyjną obróbkę, a przy okazji zapewnia znaczną redukcję chropowatości powierzchni (możliwa poprawa o > 95%). 

W porównaniu z śrutowaniem kulkowym wałek walcujący stosowany w walcowaniu utwardzającym jest zazwyczaj wielokrotnie większy niż środek ścierny. Z tego powodu w większości przypadków można uzyskać większy wpływ na strefę brzegową. Wartość maksymalnego naprężenia ściskającego jest co prawda porównywalna, ale głębokość oddziaływania w walcowaniu stałym jest po prostu większa ze względu na geometrię styku. 

Prowadzi to również do tego, że w porównaniu z śrutowaniem kulkowym wytrzymałość zmęczeniowa dla stali 20MnCr5, przy pozostałych warunkach niezmienionych, jest o kolejne 80% wyższa, jak wykazali Lechleiter i in. [3]. Rysunek 4 przedstawia zarówno dla śrutowania kulkowego (por. rys. 3), jak i dla walcowania na zimno linię Wöhlera 50% dla materiału 20MnCr5 poddawanego obciążeniu zginającemu cyklicznemu.

Źródła: