Povrchová úprava s více výhodami

Základy procesu

Válečkování je proces beztřískového uhlazování a komprese kovových povrchů, který se provádí pomocí válečkových nástrojů. Abyste lépe pochopili, co se během tohoto procesu povrchové úpravy děje, a byli schopni využít úplné škály výhody, je dobré mít základní znalost o požadavcích, dopadech a možnostech. Zde najdete popis důležitých tématických oblastí:

Kvalita obrobku
Kvalita obrobku
Jakýkoli povrch vytvořený řezáním vykazuje typickou strukturu vzniklou v důsledku geometrie a posuvu řezné hrany. Tento tvar povrchu je pro výsledek procesu válečkování zásadní.
 
 
Povrchy vytvořené geometricky definovanými řeznými hranami, např. soustružením:

  • Konstantní pravidelný profil
  • Konstantní drsnost
  • Naznačené výstupky profilu

Proces soustružení

 

 

Výsledkem jsou velmi stabilní podmínky pro válečkování.

 

Typický povrch vytvořený geometricky

definovanými řeznými hranami.


 

 

Povrchy vytvořené geometricky nedefinovanými řeznými hranami, např. broušením:

  • Nepravidelný profil
  • Nízká drsnost s rýhami
  • Tvorba plošek

Proces broušení

 

 

Výsledkem jsou vyšší síly a opotřebení během válečkování.

Typický povrch vytvořený geometricky

nedefinovanými brusnými hranami

 

 

 

měření povrchu

Měření nerovnosti povrchu se většinou provádí tzv. profilometrem. Diamantový stylus (např. s poloměrem 0,2 μm) se pohybuje svisle do kontaktu s obrobkem a poté do strany po povrchu obrobku napříč definovanou změřenou vzdáleností. Díky tomu je zaznamenán profil povrchu. Reálně se každý povrch více či méně odchyluje od povrchu ideálního (bez odchylky v rozměru, formě a tvaru). Různé druhy tvarové odchylky lze samostatně zobrazit (např. v grafu).

 

 

 

Parametry drsnosti povrchu

Parametry drsnosti povrchu Baublies
  • Celková výška Wt:
    Celková výška příslušného typu profilu představuje maximální výšku mezi nejvyšším výstupkem a nejhlubší prohlubní. Popisuje tak vlnitost povrchu.
  • Maximální hloubka drsnosti Rmax:
    Maximální drsnost je jedna největší hloubka v rámci měřené délky. Závisí na jednotlivých kritériích a proto se může lišit.
  • Průměrná maximální výška nerovnosti profilu Rz:
    Průměrná hodnota vytvořená z pěti hodnot Rz získaných z pěti vzorkových délek. Méně závisí na jednotlivých kritériích a proto lépe zachycuje „reálnou“ drsnost povrchu.
  • Střední aritmetická úchylka posuzovaného profilu Ra:
    Ra je střední aritmetická drsnost získaná ze všech hodnot profilu. Ra nerozlišuje mezi výstupky a prohlubněmi a její informační charakter je relativně slabý.
  • Maximální výška výstupku profilu Rp, maximální hloubka prohlubně profilu Rv:
    Podíl Rp a Rv ukazuje, zda v profilu převažují výstupky nebo prohlubně.
  • Materiálový poměr profilu Rmr:
    Rmr zachycuje, jaký poměr má celková sečtená délka úseků materiálu vzhledem k vyhodnocované délce (v %). Srovnání probíhá v dané výšce úseku (c) a celkové vyhodnocované délce (lm). Křivka materiálového poměru zachycuje materiálový poměr jako funkci výšky úseku.
Vlastnosti materiálu

Pevnost v N/mm2 nebo MPa

Pevnost představuje schopnost materiálu odolávat aplikované síle.
Pevnost kovových materiálů určuje především krystalová mřížka a její struktura (chyby struktury mřížky). Mimo to je pevnost materiálu ovlivněna také napětím.



Pevnost v tahu se stanovuje tahovou zkouškou. Během této zkoušky je vzorek materiálu vystaven zvyšující se napínací síle a související pružné a plastické deformace se zanášejí do pracovního diagramu zkoušky tahem.

 

Baublies – Vlastnosti materiálu – tvrdost
Schema of a hardness measurement

Tvrdost

Tvrost popisuje schopnost materiálu odolávat vtlačování – tj. kompresím v povrchu materiálu způsobeným nárazy.

K určení tvrdosti se používají různé zkušební metody (Rockwellova, Vickersova, Brinellova).

Jedním z pozitivních výsledků použití technologie válečkování je právě zvýšená tvrdost povrchu.

 

 

 

Zpevnění povrchové vrstvy

Aby byly součásti při technickém použití trvanlivé a odolné, používají se ke zpevnění jejich povrchové vrstvy různé metody. Například:

  • Tepelné metody (kalení)
  • Termochemické metody (nitridace či nitrocementace)
  • Mechanické metody (válečkování)

 

 

Zpevňování pomocí mechanických metod je založeno na následujících mechanismech:

  • Mechanické zpevnění za studena zvýšením hustoty dislokací, která je způsobena tvorbou nových dislokací během plastické deformace materiálu.
  • Tvorba zbytkového napětí v povrchové vrstvě. Vnitřní napětí v tlaku způsobené roztahováním povrchu, které je kompenzováno spodní vrstvou materiálu.
  • Mechanicky vyvolaná změna mikrostruktury.
  • Snížení vrubového efektu zlepšením kvality povrchu.

 

 

Fáze pružné a plastické deformace

Graf zachycuje typické prodloužení tažného materiálu při tahové zkoušce, při které je vzorová tyč vystavena postupně se zvyšující tahové síle.

 

Bod 0 - 1 Prodloužení tyče je přímo úměrné zvýšení tahu. Např., pokud se tah zvýší o 10 %, délka se také zvýší o 10 %.
Bod 1 Tyč dosahuje meze úměrnosti. Za tímto bodem se délka začíná zvyšovat o něco vyšším tempem než napětí v tahu.
Bod 2 Dosažena mez pružnosti Za tímto bodem se tyč již nevrátí do své původní délky. U mnoha materiálů se mez pružnosti nachází téměř ihned za mezí úměrnosti.
Bod 3 Tyč dosahuje meze kluzu. Jakmile je překročena mez kluzu, délka tyče se nadále zvyšuje i bez dalšího zvýšení tahu.
Bod 4 Toto je mez pevnosti v tahu (UTS) materiálu. Za tímto bodem se v některém bodě po délce tyče objeví zúžení, které naznačuje, že tyč brzy praskne.
Bod 5 Toto je místo přetržení, kdy dojde k rozlomení tyče do dvou kusů.

 

 

Přetvoření materiálu

Musí být brán v potaz rozdíl mezi statickým a dynamickým přetvořením.

 

Statické zatížení
Jedná se o konstantní sílu působící na materiál v důsledku tahu, tlaku nebo krutu.
Dovolené zatížení materiálu, od plastické deformace až do přetržení, lze předvídat z vlastností materiálu (pracovní diagram zkoušky tahem) a případu zatížení.

 

Fmax = pevnost × plocha průřezu

 

 

Dynamické zatížení

Toto je síla opakovaně působící na materiál v důsledku tahu, tlaku nebo krutu.

V případě dynamického zatížení je mez zatížení mnohem nižší než u statického zatížení. Při takovém zatížení se pak definuje charakteristika materiálu. Ta je pak zachycena v tzv. S-N (Wöhlerově) křivce. V ní jsou zobrazena únosná zatížení v závislosti na počtu cyklů zatížení předtím, než dojde k prasknutí. V závislosti na počtu cyklů zatížení rozlišujeme mezi statickou, dočasnou a trvalou pevností. Oblast prasknutí bývá často v místě změny průměru, jelikož zde dochází  k vrcholu napětí materiálu Důvodem prasknutí způsobených vrubovým efektem bývají také oblasti s vysokou drsností povrchu.

 

Cíl válečkování

Výhodou válečkování je hospodárnost, jednoduchost a spolehlivost procesu vytvoření maximální kvality povrchu, přičemž dochází ke zvýšení pevnosti a tvrdosti obrobku.

 

 

Tok materiálu během válečkování
Material flow during roller burnishing

Co je to válečkování

  • Válečkování je neřezná metoda uhlazování a zpevňování kovových povrchů pomocí tvářecích prvků.
  • Během válečkování jsou tvářecí prvky přitlačovány silou působící svisle k válečkovanému povrchu (válečkovací síla). Tím dochází k plastické deformaci a vyrovnání profilu drsnosti.
  • Válečkování mění podmínky napětí v povrchové vrstvě materiálu.
  • Válečkování je metodou konečné povrchové mikroúpravy.

 

Pohyby obrobku a válečku během válečkování
Movements of workpiece and roller during roller burnishing

Hlazení materiálu válečkováním

Válečkovací síla vytváří styčný tlak (Hertzův tlak) v místě kontaktu válečkovacích a válečkovaných prvků. Tím je ve stykové ploše dosaženo meze toku a dochází k plastické deformaci a vyrovnání povrchového profilu. Objem materiálu ve vyvýšených oblastech výstupků profilu je zatlačován do prohlubní.
Tím dochází k výraznému snížení drsnosti povrchu. Výsledný rozměrový rozdíl mezi předběžně tvářeným a válečkovaným obrobkem závisí na původní drsnosti. Válečkovací síla je zde co nejmenší. Preferovaným cílem celého procesu válečkování je kvalita povrchu spíše než jeho zpevnění.

 

Výhody

  • Povrch podobný zrcadlu s drsností nižší než 1 μm.
  • Vysoký materiálový poměr profilu vytvářející optimalizované charakteristiky opotřebení.
  • Snížené riziko tvorby prasklin vzniklých v důsledku mikrovroubků.
  • Zvýšená odolnost vůči korozi.

 

Zpevňování různých materiálů válečkováním
Hardening of various materials by roller burnishing

Zpevňování hlubokým válečkováním

Během hlubokého válečkování dochází ke stejnému pohybu jako u běžného válečkování. Cílem je však zpevnění materiálu. Z toho důvodu je v tomto případě použit vyšší valivý tlak. Vznikají pak následující efekty:

 

  • Zpevnění způsobené dislokačními pohyby v krystalové struktuře materiálu.
  • Vznik stavu napětí v povrchové vrstvě. K tomu dochází v důsledku interakce plastického roztahování povrchu, které je kompenzováno pružnou deformací hraniční vrstvy. K tomuto stavu napětí dochází v hloubce až 0,8 mm.
  • Mechanicky zapříčiněná změna mikrostruktury.
  • Zlepšení kvality povrchu a snížení vrubového efektu.
Zvýšení dynamické pružnosti válečkováním
Increase of dynamic resiliance through roller burnishing

Úroveň zpevnění závisí na:

  • Valivém tlaku a rychlosti.
  • Geometrii válce a obrobku.
  • Vlastnostech materiálu.
  • Počtu otáček v určitém úseku.
Increase of dynamic resiliance through roller burnishing

Vlastnost povrchů upravených válečkováním

Povrchy upravené metodou válečkování charakterizují následující vlastnosti:

 

  • Velmi nízké hodnoty drsnosti, až Rz <1 μm, mají za následek sníženou tvorbu trhlin a koroze.
  • Velmi vysoký materiálový poměr profilu způsobený tvorbou plošek.
  • Snížené výstupky profilu.
  • „Zakulacený“ profil s nižší obrušovací schopností oproti broušeným povrchům.
  • Zvýšená dynamická pružnost způsobená výrazným zpevněním.
  • Zvýšená tvrdost povrchu snižuje opotřebení otěrem.

 

Které materiály lze válečkovat?

  • Válečkovat lze každý plasticky deformovatelný kov.
  • Standardní válečkovací nástroje s ocelovými válečky lze použít při tvrdosti materiálu až do 45 HRC.
  • Při použití diamantových hladicích nástrojů smí tvrdost materiálu překročit 60 HRC.
  • Válečkovatelnost je definována schopností materiálu se plasticky deformovat. Indikátorem je průtržná tažnost, která by měla být vyšší než 5 %. Vyšší průtržná tažnost zlepšuje válečkovatelnost.

 

Jakého výsledku lze dosáhnout?

Vzhledem k širokému spektru materiálů jsou níže uvedeny pouze přibližné hodnoty.

 

Průměrná drsnost Rz

Podmínky procesu Ocel (1.4104) Litina (GG40) Ocel cca. 60 HRC
Optimální 0,5 - 1 1,5 - 2,5 0,5 - -1
Normální 0,8 - 1,5 2,5 - 4 0,8 - 1,5
Náročné 1,5 - 3 4 - 6 1,5 - 3
  • Obrábění materiálů s tvrdostí nad 60 HRC:
    Při obrábění materiálů s tvrdostí vyšší než 60 HRC by měl být povrch předpracován v rozsahu Rz = 2 - 5 μm. Pak je dosažitelná kvalita povrchové úpravy zhruba Rz = 1 μm.
  • Materiálový poměr
    Válečkování zvyšuje materiálový poměr. Ve výšce C = 0,2 - 0,4 μm by měly hodnoty dosahovat více než 70 %.
  • Dynamická pružnost
    Odolnost vůči vibracím lze obecně zvýšit o 20 - 60 %. Za určitých podmínek lze dosáhnout výsledku více než 100 %.
  • Tvrdost povrchu
    Zvýšení tvrdosti u oceli může být vyšší než 20 HV a dosahovat dokonce až 50 HV.

 

Jaké geometrie lze válečkovat?

Válečkování lze použít na vnější a vnitřní povrchy téměř všech rotačně symetrických obrobků.
Na válečkování otvorů a hřídelí nabízíme široký sortiment standardních nástrojů.
Díky více než 40 letům zkušeností jsme navíc schopni poskytnout řešení na míru dle potřeb zákazníka pro téměř všechny ostatní geometrie.



Vývoj technologie hlazení diamantem nám umožňuje pracovat také v nových oblastech, jako je např. hlazení komplexních povrchů, např. při výrobě forem.

 

Příklady povrchů, na které lze válečkování použít

Druhy válečkovacích nástrojů

Vzhledem k různým požadavkům jsou válečkovací nástroje rozděleny do různých kategorií:

  • Víceválečkové nástroje a stroje
  • Jednoválečkové nástroje
  • Diamantové nástroje
  • Tvářecí nástroje

 

 

Víceválečkové nástroje

Víceválečkové nástroje představují klasické konstrukční řešení víceválečkových nástrojů. Tyto nástroje nabízíme v širokém spektru standardních i speciálních druhů.
Běžně se používají k obrábění válcových otvorů, hřídelí, kuželů a rovinných povrchů.
Výhodou víceválečkových nástrojů je rychlé a hospodárné obrábění bez působení příčné síly na osu rotace.
Tyto nástroje se používají na všech obvyklých typech strojů.

Kinematika víceválečkových nástrojů

Během válečkování může rotovat obrobek, nástroj nebo nástroj i obrobek. Během válečkování je valivý pohyb podobný kinematice planetového soukolí. Kužel (1) je pevně spojen s přípravkem nástroje (4). Klec s kuličkovými ložisky (3), která je osazena válečky (2), může volně rotovat. Kužel podpírá válečky a upravuje tlak vyžadovaný k tváření materiálu. Osová poloha kuželu definuje průměr nástroje a valivý tlak.

Jednoválečkové nástroje

  • U těchto nástrojů pracuje jen jeden váleček.
  • Jednoválečkové nástroje nabízíme v různých konstrukčních variantách: variabilní, modulární a kotoučové.
  • Jednoválečkové nástroje slouží k opracovávání různých průměrů.
  • Jednoválečkové nástroje jsou pružně uložené, čímž kompenzují tolerance předběžného tváření.
  • Jednoválečkové nástroje lze osadit standardními nebo speciálně navrženými válečky podle potřeby dané úlohy.
  • Jednoválečkové nástroje jsou vhodné k obrábění válcových dílů a profilů jako rádiusy, kužely nebo zahloubení.
  • Jednoválečkové nástroje se skvěle hodí ke zpevňování.

 

 

Smoothing and strain hardening of internal contour with a diamond burnishing tool

Diamantové nástroje

  • U těchto nástrojů neprobíhá proces hlazení prostřednictvím rotujícího válečku, ale pomocí pevného, kulovitého diamantu. Diamant se posouvá po povrchu a tvoří profil srovnatelný s kuličkováním povrchu.
  • Tento proces hlazení a zpevňování je podobný jako proces u konvenčních válečkových nástrojů.
  • Možnosti konstrukce a vynikající materiálové vlastnosti diamantu
    však výrazně rozšiřují možnosti využití válečkování.
  • Díky bodové stykové ploše a úzkému designu diamantového nástroje lze nyní opracovávat široké spektrum různých tvarů. Diamantem lze vyhlazovat například tenkostěnné díly.
  • Enormní tvrdost diamantu navíc umožňuje obrábění materiálů s tvrdostí vyšší než 60 HRC.
  • Konstrukce nástroje obsahuje výhradně mechanické součásti, díky čemuž lze nástroj použít téměř na všech obráběcích strojích. Není tedy třeba žádného dodatečného vybavení, jako jsou hnané stroje či hydraulická čerpadla.
  • Úzký design umožňuje použití v obráběcích nástrojích malých rozměrů, např. v soustruzích švýcarského typu
  • Dle požadavků obrobku lze přizpůsobit tvar diamantu, a to od proměnného poloměru až po kužely a pyramidy.
  • Lze navíc kombinovat diamantový hladicí nástroj s řezacími nástroji.

 

 

Tvářecí nástroje

  • Tvářecí nástroje představují speciální kategorii v sortimentu společnosti Baublies. Konstrukce nástrojů přímo souvisí s válečkovacími nástroji.
  • Nejdůležitějším cílem tvářecího procesu není zlepšení drsnosti povrchu, ale specifická transformace geometrie obrobku.
  • Tvářecí nástroje se běžně používají na standardních (CNC) strojích nebo speciálních strojích, které jsou integrované do montážních linek.
Využití válečkovacích nástrojů

Požadavky na stroje

Válečkovací nástroje jsou vhodné pro všechny běžné typy strojů, jako jsou…

  • soustruhy, konvenční i CNC,
  • obráběcí centra,
  • postupové linky,
  • otočné přenášecí stroje,
  • vrtací stroje,
  • frézy atd.

 

Válečkovací nástroje se používají téměř ve všech kovodělných odvětvích, např. v automobilovém průmyslu, ve výrobě hydraulických a pneumatických dílů, v leteckém průmyslu, zdravotnickém průmyslu, strojírenství, ve výrobě šperků…

 

 

Přípravky a možnosti upnutí

Standardním přípravkem pro víceválečkové nástroje je:

  • Válcový přípravek dle DIN 1835
  • Morseův kužel dle DIN 228

 

K dispozici jsou všechny běžné upínací systémy, např.:
VDI - DIN 69880,
SK - DIN 69871, DIN 2080
HSK - DIN 69893

Nabízíme ale také systémy pro specifické výrobce: Capto®, MVS®, KM®, ABS®

 

 

Chlazení/mazání

Pro válečkování v manuálním procesu (např. s vrtacím strojem)
je dostačující mazání malým množstvím oleje.
Při vysokých rychlostech či tlacích válečkování je v zájmu zvýšení životnosti nástroje vhodné nepřetržité chlazení emulzí nebo řezným olejem.

 

Chladicí/mazací kapalina slouží také k odstraňování nečistot z povrchu a je třeba ji udržovat co nejčistší, aby nedocházelo k vtlačování nečistot do povrchu. (Doporučujeme filtraci chladicí kapaliny)

 

Diamantové nástroje je nutné používat s chladicím médiem, protože teplo vznikající v důsledku tření diamantu o opracovávaný povrch by mohlo diamant rychle poškodit.

Výhody pro zákazníka

Kompletní obrábění

V důsledku kompletního obrábění pomocí jednoho stroje není zapotřebí žádných dalších speciálních strojů. Manipulace s obrobky ve výrobě je zjednodušena, čímž dochází ke snížení nákladů na přepravu, skladování a seřizování strojů.

 

 

Spolehlivé zpracování

Proces válečkování je velice spolehlivý, rychlý a snadno proveditelný. Lze jej snadno zakomponovat do stávajícího výrobního procesu.

 

 

Zlepšení kvality

V porovnání s třískovými metodami obrábění nabízí válečkování výrazně zvýšenou kvalitu, pevnost a tvrdost povrchu a odolnost materiálu vůči opotřebení.

 

 

Šetrnost k životnímu prostředí

Během válečkování nedochází k odstraňování materiálu, tudíž nevzniká žádný odpadní produkt, který by bylo nutné likvidovat.

 

 

Úspornost

Válečkování je ekonomicky efektivní díky krátkým dobám trvání cyklu a výsledné vysoké kvalitě produktu. Výsledkem je dobrý poměr cena-výkon výroby s rychlou amortizací.