Nagniatanie

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 pozyskanie (w drodze odkształceń plastycznych, przeważnie na zimno) pożądanych własności warstwy wierzchniej przedmiotu obrabianego. Nagniatanie zazwyczaj odbywa się na obrabiarkach skrawających. Istnieją także specjalne obrabiarki do nagniatania.

Wyróżniamy następujące sposoby nagniatania:

Uzyskiwana dokładność wymiarowo kształtowa 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.

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 a własności fizyczne określają:

• własności mechaniczne materiału w obrębie warstwy wierzchniej,
• parametry charakteryzujące strukturę (wymiary i kształt ziarn, skład fazowy itp.),
• tekstura,
• naprężenia ostateczne.

Stan warstwy wierzchniej po nagniataniu można scharakteryzować następująco:

• Wskutek odkształceń plastycznych, wywołanych przez gładki element narzędzia, zachodzi spłaszczenie wierzchołków mikro nierówności i zmniejszenie chropowatości powierzchni. Przez odpowiedni dobór sposobu i warunków nagniatania można otrzymać powierzchnię o żądanych parametrach chropowatości. 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.
• 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 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 naprężenia występują w pobliżu powierzchni.

 Wpływ nagniatania na własności materiału:

• 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. 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.
• Podwyższenie twardości i obniżenie chropowatości powierzchni podnosi odporność na zużycie ścierne, zwłaszcza przy tarciu ślizgowym w obecności smaru. 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. Ponadto nagniatanie powoduje skrócenie czasu docierania współpracujących części oraz zmniejszenie współczynnika tarcia. Nagniatanie powierzchni pracujących w warunkach tarcia tocznego przy wysokich naciskach nie jest zalecane.
• 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.
• 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.
• Powierzchnie nagniatane sposobami tocznymi mają duże odstępy mikronierówności o płaskich wierzchołkach. Zwiększa to zdolność do odbijania światła. Stosowanie sposobów oscylacyjnych umożliwia, dzięki sterowaniu układem śladów obróbki, uzyskanie różnorodnych efektów dekoracyjnych.

 Zastosowanie nagniatania:

Zakres zastosowań nagniatania wynika z przedstawionej powyżej charakterystyki jakości technologicznej i użytkowej części obrabianych. 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.

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, 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. Przykłady wykorzystania to miedzy innymi: osie, wały, trzpienie gładkie i stopniowane – stosuje się tu nagniatanie gładkościowo – wymiarowe lub wzmacniające, zwłaszcza toczne i ślizgowe, cylindry, powierzchnie wewnętrzne otworów – nagniatanie gładkościowo, prowadnice i inne powierzchnie oporowe i ślizgowe – stosuje się tu nagniatanie jako obróbkę wzmacniającą i gładkościową, łopatki turbin, wirników, śmigła – nagniatanie wzmacniające sposobami dynamicznymi o działaniu rozproszonym.