Nagniatanie zalicza się do obróbki wykańczającej polegającej na wykształtowaniu odkształceń plastycznych na zimno przez zgniot w warstwie wierzchniej materiału przedmiotu obrabianego. Odkształcenia plastyczne występują wyłącznie w warstwie przypowierzchniowej, a pozostała część materiału ulega odkształceniom sprężystym, co powoduje, że długość i szerokość obrabianego przedmiotu nie ulegają zmianom [1, 2, 4].

Nagniatanie można stosować do obróbki powierzchni wewnętrznych i zewnętrznych o geometrii obrotowej (np. otworów, cylindrów, stożków), a także powierzchni płaskich. Jako obróbka wykańczająca jest ono poprzedzane obróbką zgrubną i kształtującą – wierceniem, rozwiercaniem, wytaczaniem, toczeniem, a także szlifowaniem. Do typowych zastosowań obróbki nagniataniem zalicza się obróbkę otworów, wałków, powierzchni płaskich i kątowych. Najważniejszym ograniczeniem stosowalności obróbki nagniataniem są właściwości samych materiałów. Może być ona realizowana tylko na materiałach, w przypadku których zgniot jest możliwy. Istotną rolę odgrywa także ich twardość.

 

Już zimno czy jeszcze gorąco
W przypadku materiału poddawanego odkształceniu przez obrobkę plastyczną w niskiej temperaturze jego granica plastyczności wzrasta w formie ciągłej w miarę zwiększania się odkształcenia. Jeśli temperatura, w ktorej realizowana jest obrobka wzrośnie (np. do temperatury rekrystalizacji albo wyższej), w materiale zachodzą procesy odbudowy struktury [2]. W konsekwencji następuje obniżenie granicy plastyczności. W związku z tym wyrożnia się obrobkę plastyczną na zimno i na gorąco. Za dolną granicę zakresu temperatur obrobki plastycznej na zimno przyjmuje się temperaturę kruchego pękania. W zależności od rodzaju materiału realizowanie obrobki plastycznej w temperaturze pokojowej może być traktowane jako obrobka plastyczna na gorąco lub na zimno. Ta pierwsza zachodzi w przypadku metali niskotopliwych. Zaś w przypadku metali trudnotopliwych (np. wolfram) obrobka w temperaturze 700°C jest traktowana jako obrobka plastyczna na zimno.

 

Nagniatanie krok po kroku
W trakcie nagniatania w strefie styku narzędzia i przedmiotu obrabianego powstają lokalne odkształcenia plastyczne i sprężyste w warstwie wierzchniej, które powodują zmianę orientacji kierunkowej i kształtu ziaren. Te ostatnie ulegają kolejno rozdrobnieniu, spłaszczeniu oraz wydłużeniu w kierunku największych odkształceń. Otrzymana tekstura zgniotu cechuje się anizotropowością właściwości mechanicznych [2, 4].

Odkształcenia plastyczne powstają w wyniku poślizgów w siatce krystalicznej obrabianego materiału. Proces ten ulega zatrzymaniu po osiągnięciu stanu granicznego zależnego od rodzaju materiału. Dalsze zwiększanie nacisku powoduje jedynie rozdrabnianie ziaren, względnie przyczynia się do powstawania mikropęknięć materiału. Część pracy nagniatania zamienia się w ciepło, a część (energia zgniotu) zostaje zakumulowana w materiale [4].

Zgniot powstaje w wyniku oddziaływania obciążeń zewnętrznych wywieranych w sposób statyczny (np. przez kulki, rolki lub kalibrowanie otworów) bądź dynamiczny (np. kulowanie, śrutowanie lub młotkowanie).

Jedna obróbka, trzy korzyści
Kluczowy efekt nagniatania stanowi umocnienie materiału. Obróbka ta modyfikuje własności mechaniczne materiału, podwyższa granicę plastyczności, zwiększa jego twardość i wytrzymałość (przede wszystkim zmęczeniową). Skutkiem tego wydłuża się okres trwałości eksploatacyjnej części i ich wytrzymałość na korozję, minimalizowane są też naprężenia wynikające z wcześniejszych operacji technologicznych.

Generalnie rzecz biorąc, obróbkę nagniataniem realizuje się w celu osiągnięcia jednej z trzech zasadniczych korzyści [1, 2, 4]: umocnienia warstwy wierzchniej, w tym podwyższenia twardości powierzchniowej (obróbka umacniająca), zmniejszenia chropowatości (obróbka gładkościowa) lub jednoczesnego umocnienia i zmniejszenia chropowatości (obróbka wymiarowo- gładkościowa).

Umocnienie warstwy wierzchniej
Podstawową własnością eksploatacyjną, która ulega poprawie po zastosowaniu obróbki nagniataniem jest wytrzymałość na rozciąganie od obciążeń cyklicznych (wytrzymałość zmęczeniowa). Jej wzrost jest pochodną wprowadzonego stanu ściskających naprężeń własnych przy jednoczesnym umocnieniu wierzchniej warstwy obrabianej powierzchni. Ponieważ twardość tej warstwy po umocnieniu wzrasta, rośnie również wytrzymałość zmęczeniowa – o 25-90% w przypadku przedmiotów bez tzw. koncentratorów naprężeń (podcięć technologicznych, rowków, otworów, promieniowych przejść w wałach stopniowych, części łączonych na skurcz lub wcisk). Natomiast gdy geometria przedmiotu uwzględnia tego typu koncentratory, wzrost wytrzymałości zmęczeniowej może przekroczyć 300%. Zastosowanie nagniatania w obróbce wałka z koncentratorami naprężeń umożliwia osiągnięcie granicy zmęczeniowej zbliżonej do wartości charakterystycznej dla wałka bez koncentratorów [4].

Schemat budowy warstwy wierzchniej uzyskanej po obróbce nagniataniem (stal ferrytyczno-perlityczna). Stan strefy A ma wpływ na warunki smarne, struktura stref B, C, D, E – na właściwości eksploatacyjne, a struktura metalograficzna strefy E i F – na wytrzymałość postaciową przedmiotu obrabianego [4]

Powierzchnie po nagniataniu cechują się również zmniejszonym współczynnikiem tarcia. W przypadku czopów poddanych tej obróbce możliwe jest zmniejszenie współczynnika tarcia o ponad połowę względem współczynnika dla tych samych, jedynie szlifowanych czopów [4].

Wygładzenie powierzchni
Wytworzony zgniot w warstwie wierzchniej, a w szczególności jego nierównomierność, mogą stanowić czynnik zmniejszający odporność na korozję. Przyczyną tego są różnice potencjałów elektrycznych między kryształami odkształconymi plastycznie, które sprzyjają powstawaniu mikroogniw galwanicznych. Obróbka nagniataniem przeciwdziała temu zjawisku, wygładzając powierzchnie i zmniejszając lub całkowicie usuwając ich uszkodzenia stanowiące ogniska korozji. Zmniejszenie wysokości nierówności warstwy powierzchniowej ogranicza jednocześnie czynną powierzchnię podlegającą korozji. Oba te połączone efekty podwyższają odporność materiału na korozję.

Stopień chropowatości powierzchni po nagniataniu uzależniony jest od metody nagniatania, konstrukcji narzędzia, warunków i parametrów obróbki oraz właściwości samego materiału. Przykładowo, nagniatanie rolką umożliwia 20-krotne zmniejszenie chropowatości powierzchni, a nagniatanie wielokrotne redukuje ją nawet 200-krotnie [2,4]. Istotny wpływ na chropowatość po nagniataniu ma również chropowatość powierzchni przed obróbką nagniataniem, a także siła docisku i posuw roboczy w trakcie obróbki.

Modyfikacja wymiarowo-kształtowa
Obróbka nagniataniem wprowadza także zmiany w dokładności wymiarowo-kształtowej. Przy gładkościowej obróbce nagniataniem zmiana wymiarowa – ze względu na trwałe odkształcenia nierówności – następuje wyłącznie w zakresie chropowatości. Zaś w przypadku nagniatania umacniającego mamy do czynienia z trzema jednocześnie występującymi zjawiskami [4]: odkształceniami plastycznymi (w tym zmniejszeniem nierówności powierzchni), zgniotem struktury oraz wydłużeniem osiowym przedmiotu obrabianego (na skutek odkształceń plastycznych i cieplnych oraz naprężeń własnych w warstwie wierzchniej).

W wyniku ich oddziaływania następuje zmiana wymiarów półfabrykatu (np. wydłużenie wałków lub zwiększenie średnicy zewnętrznej tulei). Nagniatanie można zastosować do modyfikacji wymiarowej w sytuacji, kiedy układ obróbkowy zapewnia wystarczającą sztywność w kontekście wywieranego nacisku. Konieczne jest przy tym właściwe określenie naddatków względem wymiarów o najmniejszej tolerancji wykonania. Realizacji tego celu sprzyja dokładna obróbka poprzedzająca nagniatanie, np. honowanie z zastosowaniem szczotek honujących. Zabieg ten likwiduje pojedyncze większe wzniesienia w ramach chropowatości powierzchni.

Przez nagniatanie powierzchni przedmiotów można również wpływać na korekcję błędów kształtu. Zakres korekcji uzależniony jest w tym przypadku od metody nagniatania, w tym konstrukcji samego narzędzia. Przykładowo, w trakcie nagniatania powierzchni nagniatakiem sprężystym jednokulkowym kulka – pod wpływem działania sprężyny – toczy się po obrabianej powierzchni, niejako odwzorowując jej kształt (ekwidystanta przebiegu kulki względem powierzchni). Istotne odkształcenie powierzchni nie jest w tym przypadku możliwe ze względu na zbyt małe siły, a uzyskana modyfikacja kształtu jest niewielka [4].

Uproszczone przedstawienie odkształceń w procesie nagniatania tocznego [4]

Obróbka niedoskonała
Stan warstwy wierzchniej po nagniataniu może również cechować się niedoskonałościami – błędami wymiaru, kształtu, skazami powierzchniowymi (m.in. mikropęknięciami, wykruszeniami) oraz wadami warstwy wierzchniej (m.in. odwarstwieniami, złuszczeniami). Niedoskonałości obróbki nagniataniem mogą istotnie wpływać na właściwości eksploatacyjne i trwałość części. Konieczne jest więc rozpoznanie przyczyn tworzenia się uszkodzeń powierzchni i niwelowanie warunków sprzyjających ich powstawaniu.

Analiza współczesnych prac związanych z nagniataniem wykazuje, że technologia ta jest cały czas rozwijana. Prace skupiają się m.in. na konstrukcjach nagniataków, wpływie obróbek poprzedzających na nagniatanie, obszarach aplikacyjnych oraz właściwym doborze warunków i parametrów obróbki [6, 7, 8, 9, 10, 11, 12].

 

LITERATURA:

[1] K. Czechowski, J. Kalisz, Wybrane aspekty procesu nagniatania, Mechanik, nr 5-6/2015.
[2] T. Dyl, Nagniatanie powierzchni płaskich elementów części maszyn okrętowych, Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, nr 71/2011.
[3] S. Erbel, K. Kuczyński, Z. Marciniak, Obróbka plastyczna, PWN 1981.
[4] W. Grzesik, Nagniatanie utwardzonych elementów maszyn, Stal. Metale & Nowe Technologie, nr 03-04/2013.
[5] Materiały handlowe firmy S.T.M. Systemy i Technologie Mechaniczne Sp. z o.o.
[6] Materiały handlowe firmy TIZ Implements Sp. z o.o.
[7] W. Olszak, D. Grochała, K. Koza, Narzędzie do nagniatania powierzchni ze sprężystymi miechami zasilanymi płynem o regulowanym ciśnieniu, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, nr 1/2011.
[8] W. Polowski, P. Bednarski, D. Toboła, Obróbka wykończeniowa narzędziami diamentowymi do nagniatania ślizgowego, Postępy Nauki i Techniki, nr 6/2011.
[9] W. Przybylski, Technologia obróbki nagniataniem, WNT 1987.
[10] A. Skoczylas, Wpływ warunków nagniatania tocznego na chropowatość powierzchni stali C45 po cięciu laserem, http://www.rsi2004.lubelskie.pl/doc/sty6/art/Skoczylas_art.pdf.
[11] B. Ściborski, Wybrane problemy nagniatania tocznego stali twardych ceramiką na tokarce CNC, Inżynieria Maszyn, r 18, z. 2/2013.
[12] J. Zawora, Podstawy technologii maszyn, WSiP 2014.