Nagniatanie to obróbka wykańczająca, która wykorzystuje odkształcenia plastyczne na zimno poprzez zgniot kształtowane w warstwie wierzchniej materiału przedmiotu obrabianego.

Odkształcenia plastyczne przy nagniataniu

Należy podkreślić (ilustracja 1), że odkształcenia plastyczne występują wyłącznie w warstwie przypowierzchniowej. W głębiej położonych warstwach materiał ulega odkształceniom sprężysty. Dzięki temu długość i szerokość obrabianego przedmiotu pozostają zachowane [1, 2, 4]. Nagniatania można realizować zarówno na obrabiarkach konwencjonalnych jak i sterowanych numerycznie CNC.

Strefa A na ilustracji 1 ma istotny wpływ na warunki smarne. Struktury kolejnych stref B, C, D, E wpływają na właściwości eksploatacyjne, czyli: wytrzymałość zmęczeniowa, odporność na korozję i ścieralność. Struktury metalograficzne strefy E i F mają znaczenie na wytrzymałość postaciową [4].

W obróbce plastycznej na zimno granica plastyczności materiału przedmiotu obrabianego wzrasta w formie ciągłej w miarę zwiększającego się odkształcenia. Temperatura kruchego pękania stanowi dolną granicę zakresu temperatur obróbki plastycznej na zimno. Wartość tej temperatury zależy od rodzaju obrabianego materiału. W przypadku metali niskostopowych obróbka plastyczna w temperaturze pokojowej stanowi obróbkę plastyczną na gorąca. W przypadku metali trudnotopliwych, takich jak np. wolfram, obróbka plastyczna na zimno realizowana jest w temperaturze 700°C.

Najważniejszym efektem nagniatania jest umocnienie się materiału, które zmienia właściwości mechaniczne poprzez podwyższenie granicy plastyczności, zwiększenie twardości oraz poprawę wytrzymałości, szczególnie zmęczeniowej. Tego typu modyfikacje powierzchni mają znaczący wpływ na właściwości użytkowe obrabianego przedmiotu. Wydłużenie okresu trwałości komponentu, a także zmniejszenie podatności na korozję oznaczają obniżenie kosztów eksploatacyjnych. Nierzadko istotnym celem jest zmniejszanie naprężeń powstających na wcześniejszych etapach procesu technologicznego. W tym zakresie nagniatania sprawdza się bardzo dobrze.

nagniatanie - yamato
Ilustracja 1 .  Poglądowy schemat budowy warstw powierzchni po obróbce nagniatania dla stali ferrytyczno-perlitycznej [4].

ZALETY NAGNIATANIA

Do zalet nagniatania zalicza się także [4]:

  • możliwość uzyskiwania wysokiej gładkości powierzchni – Ra0,05;

  • poprawa wytrzymałości powierzchni, a przez to polepszenie trwałości połączeń i pasowań;

  • na powierzchni obrobionej nie występują wióry i zanieczyszczenia o wysokiej twardości;

  • uzyskiwanie lepszej przyczepności powłok galwanicznych;

  • poprawa odporności na ścieranie, zmęczenie postaciowe i powierzchniowe oraz korozję;

  • ujednorodnienie naprężeń wewnętrznych;

  • zmniejszenie współczynnika tarcia;

  • lepsze właściwości smarne powierzchni obrobionych;

  • zdolność obróbki materiałów twardych (65 HRC);

  • wysoka wydajność obróbki;

  • wysoka trwałość narzędzi.

WADY NAGNIATANIA

Nagniatanie tak jak każda technika wytwarzania cechuje się niepożądanymi właściwościami. Do wad nagniatania zalicza się :

  • utrudniony dobór parametrów obróbkowych;

  • utrudniona obróbka elementów cienkościennych;

  • ograniczenie twardości powierzchni obrobionej;

  • możliwość wystąpienia zjawiska łuszczenia się powierzchni obrobionej;

  • możliwość wystąpienia pogorszenia się dokładności wymiarowo-kształtowej;

  • przeciwdziałanie wystąpieniu nierównomiernemu zgniotowi może wymagać odpowiedniej obróbki poprzedzającej zabieg nagniatania.

Główne cele nagniatania

Wyróżnia się trzy główne cele dla jakich wykorzystuje się obróbkę nagniataniem [1, 2, 4]:

  1. obróbka umacniająca – umocnienie warstwy przypowierzchniowej wraz z podwyższeniem twardości powierzchniowej;
  2. obróbka gładkościowa – lepsza gładkość (mniejsza chropowatość);
  3. obróbka wymiarowo-gładkościowa – uzyskanie jednoczesnego umocnienia i zmniejszenia chropowatości.

Dodatkowa obróbka cieplna i cieplno-chemiczna przyczynia się do uzyskania korzystnego rozkładu umocnienia i naprężeń własnych.

Najpoważniejszym ograniczeniem dla obróbki nagniataniem są właściwości samych materiałów. Obróbkę nagniataniem można stosować wyłącznie do materiałów w przypadku, których zgniot jest możliwy. Istotna jest też metoda nagniatania, która w połączeniu z właściwościami materiału stanowi o ograniczeniach.

Proces nagniatania

W trakcie procesu nagniatania pomiędzy narzędziem i powierzchnią przedmiotu obrabianego (strefa styku) w warstwie wierzchniej powstają lokalne odkształcenia plastyczne i sprężyste. Ich wystąpienie wpływa na zmianę orientacji kierunkowej i kształtu ziaren, które dodatkowo ulegają rozdrobnieniu, spłaszczeniu oraz wydłużeniu w kierunku największych odkształceń. Tak otrzymana tekstura zgniotu cechuje się anizotropowością właściwości mechanicznych [2, 4].

Odkształcenia plastyczne to efekt poślizgów w siatce krystalicznej materiału przedmiotu obrabianego. Zwiększanie nacisku po przekroczeniu stanu granicznego zależnego od rodzaju materiału skutkuje rozdrabnianiem ziaren oraz stwarza warunku do powstawania mikropęknięć. Nagniatanie to proces mechanicznego oddziaływania między narzędziem a powierzchnią przedmiotu obrabianego. Zgniot powstaje w wyniku przyłożenia zewnętrznych obciążeń, które można wywierać statycznie lub dynamicznie.

Statyczne metody nagniatania polegają na wykorzystaniu kulek i rolek. Nagniatanie statyczne to przede wszystkim obróbka przedmiotów sztywnych, której celem nadanie jest określonej gładkości (Ra0,05 do Ra2,5). Do metod dynamicznych zalicza się m.in. młotkowanie oraz śrutowanie. Metody dynamiczne wykorzystuje się do obróbki przedmiotów wiotkich i cienkościennych. Obydwie rodzaje nagniatanie stosuje się do obróbka umacniającej, której efektem jest wzrost twardości powierzchniowej HRC od 30% do 70% do maksymalnie 40-45 HRC.

Część pracy nagniatania przemienia się w ciepło i zostaje zakumulowane w materiale jako energia zgniotu [4].

Powierzchnia po nagniataniu pokryta jest rysami, które zależą od rodzaju obróbki, użytych narzędzi i parametrów obróbkowych. Poprzez nagniatanie można nie tylko polepszyć gładkość powierzchni ale także dokonywać korekcji błędów kształtu. Zakres takiej korekcji uzależniony jest od metody nagniatania oraz narzędzia. W nagniataniu powierzchni nagniatakiem sprężystym jednokulkowym kulka z zapewnionym dociskiem (sprężyna) toczy się po obrabianej powierzchni niejako odwzorowując jej kształt sferyczny. Ze względu na niewielką siłę docisku nie ma możliwości zrealizowania odkształceń umożliwiających korekcję falistości powierzchni [4].

nagniatanie - yamato
Ilustracja 2. Przykład obróbki powierzchni płaskiej modułowym narzędziem z pojedynczą rolką SKUV20 firmy YAMATO na frezarskim pionowym centrum obróbkowym CNC. Po lewej powierzchnia przed nagniataniem, a po prawej po nagniataniu.

Kontrola chropowatości powierzchni

Gładkość powierzchni określana jako jej chropowatość po procesie nagniatania zależy przede wszystkim od właściwości materiału przedmiotu obrabianego, metody nagniatania, w tym zastosowanego narzędzia oraz warunków i parametrów obróbki (siła docisku, posuw roboczy). Nagniatanie rolką umożliwia 20-krotne zmniejszenie chropowatości, a przy nagniatania wielokrotnym nawet 200-krotnie [2,4]. Chropowatość powierzchni przed obróbką nagniataniem ma znaczący wpływ na chropowatość po nagniataniu. Na ilustracji 2 przedstawiono przykład wykorzystania modułowego narzędzia z pojedynczą rolką SKUV20 firmy YAMATO (ilustracja 3).

Gdzie przeprowadzać nagniatanie?

Nagniatanie można przeprowadzać na powierzchniach wewnętrznych i zewnętrznych o geometrii obrotowej (np. otwory, cylindry, stożki), a także na powierzchniach płaskich.

Narzędzia (ilustracja 4a i b) cechują się długą żywotnością co stanowi o ich koszcie. Trwałość narzędzia w zależności od zadania technologicznego może wynosić od 10 do 300 tyś. przedmiotów bez naprawy narzędzia. Wymianie podlegają wyłącznie rolki, które wykonywane są ze stali ulepszonej (wysokowęglowej poddawanej procesowi azotowania). Takie stale cechują się mniejszą odpornością na wystąpienie korozji. To wymusza odpowiednia konserwację rolek oraz zaleca się stosowanie oleju podczas nagniatania. Posuw roboczy to zakres 0,2-3,0 mm/obr (narzędzia wielorolkowe) i 0,05-1,0 mm/obr dla nagniataka jednorolkowego.

W korpusie głowicy nagniataka znajduje się mechanizm mikrometryczny służący do regulacji nagniatanej średnicy ze skokiem 2,5 μm. W przypadku nagniataków do otworów przelotowych zakres regulacji wynosi do 1mm, a dla otworów nieprzelotowych do 0,5 mm.

nagniatanie - yamato
Ilustracja 3. Modułowe narzędzie z pojedynczą rolką SKUV 20 firmy YAMATO.
nagniatanie - yamato
Ilustracja 4. Przykładowe narzędzia głowica nagniataka powyżej i głowica nagniataka w obrabianym otworze (poniżej).

Jak przygotować powierzchnię do nagniatania?

Operacja nagniatania może być poprzedzana operacją szlifowania lub honowania. W przypadku honowania stosuje się przemysłowe szczotki honujące. Tego typu operacje poprzedzające nagniatanie mają na celu usunięcie potencjalnych, jednostkowych, bardziej znacznych wzniesienia w profilu chropowatości powierzchni i jej faktury. Takie działania przyczyniają się do wydłużenia okresu trwałości rolek.

Nagniatanie tak jak każda inna metoda obróbkowa cechuje się możliwymi do uzyskania dokładnościami i chropowatościami powierzchni obrobionych. Oprócz kwestii dokładności wymiarów geometrycznych i błędów kształtu mamy do czynienia z możliwością wystąpienia skaz na powierzchni obrobionej (m.in. niecałkowite nagniatanie, niejednorodna chropowatość, mikropęknięcia, wykruszenia), a także wadami w warstwy przypowierzchniowej (np. odwarstwienia, pęknięcia i złuszczenia). Wymienione powyżej wady charakterystyczne dla nagniatania mogą znacząco wpływać na właściwości eksploatacyjne i trwałość komponentu. Przeciwdziałanie wystąpieniu tych wad wymaga identyfikacji przyczyn ich powstawania.

Materiały źródłowe:

  1. Zawora J., Podstawy technologii maszyn, WSiP 2014
  2. Erbel S., Kuczyński K., Marciniak Z., Obróbka plastyczna, PWN 1981
  3. Materiały handlowe firmy S.T.M. Systemy i Technologie Mechaniczne Sp. z o.o.
  4. Przybylski W., Technologia obróbki nagniataniem, WNT 1987
  5. Materiały handlowe firmy TIZ Implements Sp. z o.o.
  6. Olszak W., Grochała D., Koza K., Narzędzie do nagniatania powierzchni ze sprężystmi miechami zasilanymi płynem o regulowanym ciśnieniu, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, Vol. 31 nr 1, 2011
  7. Czechowski K., Kalisz J., Wybrane aspekty procesu nagniatania, Mechanik Nr 5-6/2015
  8. Polowski W., Bednarski P., Toboła D., Obróbka wykończeniowa narzędziami diamentowymi do nagniatania ślizgowego, Postępy Nauki i Techniki, Nr 6, 2011
  9. Dyl T., Nagniatanie poiwerzchni płaskich elementów części maszyn okrętowych, Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, nr 71, 2011
  10. Ściborski B., Wybranbe problemy nagniatania tocznego stali twardych ceramiką na tokarce CNC, Inżynieria Maszyn, R.18, z. 2, 2013
  11. Skoczylas A., Wpływ warunków nagniatania tocznego na chropowatość powierzchni stali C45 po cięciu laserem
  12. Grzesik W., Nagniatanie utwardzonych elementów maszyn, Stal. Metale & Nowe Technologie, 03-04.2013