Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania (IZTW) od wielu lat prowadzi badania nad nagniataniem - metodą obróbki metali zapewniającą gładkość właściwą mechanicznej obróbce wykończeniowej. Zwiększenie dokładności wymiarowej i poprawa kształtu przedmiotu nagniatanego mogą być praktycznie osiągane tylko w zakresie odkształceń plastycznych nierówności powierzchni i zależą w dużym stopniu od dokładności obróbki poprzedzającej nagniatanie (np. toczenie lub frezowanie).

Kształtowane w procesie nagniatania właściwości warstwy wierzchniej, a zwłaszcza struktura geometryczna powierzchni, twardość i stan naprężeń, sprzyjają zwiększeniu odporności na zużycie i wytrzymałości zmęczeniowej części poddanych takiej obróbce. Odporność na zużycie części maszyn, zwłaszcza współpracujących w połączeniach ruchowych i podlegających obciążeniom powierzchniowym, determinowana jest najczęściej właściwościami ich warstwy wierzchniej i stanowi jeden z wyznaczników jakości technologicznej.

Fot: IZTW

Proces nagniatania naporowego prowadzony z udziałem prototypowych narzędzi, które także są przedmiotem badań realizowanych w Instytucie, polega na miejscowym odkształceniu plastycznym na zimno powierzchni przedmiotu w wyniku docisku i kinetycznego współdziałania gładkiego elementu roboczego narzędzia – kulki, krążka lub rolki. Uzyskane w procesie nagniatania przemieszczenie nierówności powierzchni skutkuje znacznym zmniejszeniem parametrów wysokościowych chropowatości powierzchni, niekiedy nawet do poziomu typowego dla powierzchni polerowanych, a efektem zgniotu jest umocnienie materiału i w konsekwencji wzrost twardości i wytrzymałości zmęczeniowej, co potwierdzają wyniki licznych badań doświadczalnych. Nagniatanie jest ponadto procesem przyjaznym środowisku – bez wiórów i pyłów, o niskiej emisji hałasu i niskiej energochłonności.

Wytwarzane w Instytucie prototypowe narzędzia i przyrządy do nagniatania naporowego tocznego i ślizgowego przeznaczone są do tokarek i frezarek konwencjonalnych oraz sterowanych numerycznie. W ofercie znajdują się m.in. głowice rolkowe do nagniatania otworów cylindrycznych przelotowych, nieprzelotowych oraz stożkowych, głowice rolkowe i nagniataki krążkowe do nagniatania wałów, narzędzia z końcówką roboczą z kompozytu diamentowego do nagniatania ślizgowego zewnętrznych powierzchni walcowych i wewnętrznych cylindrycznych, nagniataki kulkowe do nagniatania powierzchni płaskich i krzywoliniowych.

Instytut wykonuje także narzędzia specjalne, m.in. do nagniatania powierzchni stożkowych zewnętrznych, do obróbki przejść promieniowych wałów stopniowych oraz do obróbki wałów o dużej smukłości. Uzupełnieniem oferty jest urządzenie do bezkłowego nagniatania tocznego bezstopniowych wałów o średnicach w zakresie 10÷30 mm i długości do 500 mm, wykonanych ze stali, staliwa, żeliwa, stopów metali nieżelaznych, o twardości do 40 HRC; urządzenie konstruowane jest według indywidualnych uzgodnień w wersji dostosowanej do potrzeb konkretnego procesu technologicznego.

Fot: IZTW

W Instytucie zaprojektowano i wykonano m.in. serię prototypowych narzędzi do nagniatania ślizgowego powierzchni zewnętrznych (w szczególności wałków) z elementami roboczymi w kształcie czaszy kulistej wykonanymi z kompozytu diamentowego z ceramiczną fazą wiążącą Ti3SiC2 (węglik tytanowo-krzemowy) opracowanego i wykonanego także w IZTW. Elementy robocze nagniataków sklejono z metalowymi korpusami specjalnymi klejami. Technologia nagniatania ślizgowego może być użyta do obróbki gładkościowej różnego rodzaju materiałów, od miękkich stopów aluminium do twardych, hartowanych stali łożyskowych i narzędziowych. Uzyskane wartości parametrów wysokościowych chropowatości powierzchni (np. Ra, Rt) są zbliżone do wartości typowych dla otrzymywanych metodami obróbki wykończeniowej, przy równocześnie korzystnym charakterze krzywej udziału materiałowego profilu chropowatości. Technologia klejenia końcówek nagniatających zapewnia otrzymanie nagniataków ślizgowych spełniających wymagania obróbki nagniataniem na obrabiarkach konwencjonalnych i sterowanych numerycznie.

Rezultaty badań coraz powszechniej stosowanej w przemyśle obróbki sekwencyjnej wiórowej i zgniotem, przykładowo frezowania i nagniatania tocznego stopu aluminium w stanie utwardzenia narzędziem z kulistym, ceramicznym elementem nagniatającym, zrealizowanej w jednym przejściu na 5-osiowym centrum frezarskim DMC 75 Linear, potwierdzają możliwość uzyskania parametrów wysokościowych chropowatości powierzchni. Ich właściwości są porównywalne do tych otrzymywanych po polerowaniu. Ponadto wskazują one na skuteczność i efektywność obróbki wykończeniowej nagniataniem uprzednio frezowanych powierzchni o złożonych kształtach. Dodatkowo umożliwiają zastępowanie nagniataniem procesów szlifowania jako obróbki wykończeniowej form i matryc.

Kosztowne i pracochłonne badania doświadczalne procesów nagniatania skłaniają do korzystania z metod numerycznych, pozwalających na obliczanie przemieszczeń, odkształceń i naprężeń w przedmiocie obrabianym tą metodą. Celem realizowanych prac nad modelowaniem procesu nagniatania jest m.in. symulacja nagniatania przy założeniu ograniczenia niekorzystnych deformacji powierzchni przedmiotu wokół nagniatanego obszaru. Efekty prac Instytyu z zakresu nagniatania znajdują odzwierciedlenie w postaci licznych wdrożeń w przemyśle oraz stanowią przedmiot patentów i zgłoszeń patentowych.

(Instyty Zaawansowanych Technologii Wytwarzania)