Technika_2016

Technologie tryskání jako konečná úprava povrchu (kuličkování)

Technologie tryskání je jednou z nejrozšířenějších mechanických úprav povrchu. Tryskání má velké uplatnění nejen jako předúprava povrchu před nanášením ochranných povlaků proti korozi, ale i jako konečná úprava pro zlepšení mechanických vlastností materiálu. Vlastní efekt tryskání se uskutečňuje vrháním drobných částeček tryskacího prostředku velkou rychlostí na povrch předmětu. Dopadem částic na předmět se mění kinetická energie na práci formou opracování nebo tváření povrchové vrstvy.


Jaký je rozdíl mezi klasickým tryskáním a kuličkováním

Tváření povrchové vrstvy otryskáváním kulovitými částicemi tryskacího prostředku je známé pod názvem kuličkování nebo brokování (anglicky shot-peening). Povrch součásti je bombardován kuličkami, které působí jako drobná kladívka a mechanicky tuto povrchovou vrstvu zpevňují. Po určité době stagnace se začíná opět projevovat o tuto aplikaci zvýšený zájem. Je to způsobeno především tím, že kuličkování zajišťuje při minimálních nákladech podstatné zvýšení některých mechanických, ale i korozních vlastností jako je vrubová houževnatost, odolnost proti únavě, opotřebení, snižuje nebezpečí korozního praskání, mezikrystalové koroze apod.  Zlepšení mechanických vlastností zaručuje zvýšení životnosti součástí, vyšší spolehlivost, popřípadě umožňuje zmenšení rozměrů a hmotnosti součástí nebo použití méně kvalitního materiálu při zachování stejné životnosti.  Kuličkování se rovněž používá k tvarování částí nebo celých dílů, k odstraňování pórovitosti apod. Dnešní úroveň technologie kuličkování je na kvalitativně vyšší úrovni.  Je kladen důraz především na přísnou kontrolu vlastního procesu a optimalizaci parametrů kuličkování.



Oblast nejčastějšího využití:

- pružiny (šroubové, listové,
- torzní tyče a hřídele
- hnací ústrojí (ozubená kola a hřídele, pastorky)
- ojnice
- lopatky turbín
- díly pro letecký průmysl z lehkých slitin


Kuličkování se od klasického tryskání liší především tím, že zde jsou používána kulatá zrna tryskacího prostředku.  Již malý obsah nekulatých částic může negativně ovlivnit výsledný efekt. Částice urychlené pneumaticky nebo mechanicky dopadají velkou rychlostí na povrch součásti.  Během velmi krátkého času nárazu působí lokální velmi vysoká síla, která způsobuje plastické přetvoření povrchu. Při dopadu vytvoří částice v povrchu malou prohlubeň, pod kterou dochází k plastickému toku a natahování povrchových vláken (obr.1).



Obr.1 Vliv dopadu částice


Vnitřní vlákna, která nejsou napínána nad mez kluzu, si uchovávají původní pružnost a brání v dilataci povrchovým vláknům. Dochází k vytvoření rovnováhy, při které relativně tlustá vrstva vnitřního materiálu drží nízkým tahovým napětím tenkou povrchovou vrstvu ve stavu vysokého tlakového napětí (obr.2).


 

 

Obr.2  Rozložení zbytkového napětí v průřezu součásti po jednostranném kuličkování

Dojde-li k zatížení součástí vnější silou, bude výsledné napětí rovno algebraickému součtu zbytkového pnutí po kuličkování a napětí způsobeného zatížením.  Výsledné rozložení napětí je znázorněno na obr.3.


1 – zbytkové pnutí po kuličkování

2 – napětí od vnějšího zatížení

3 – výsledné napětí

 

 

Obr.3  Výsledné rozložení napětí


Pro vznik a šíření trhlin jsou vždy nebezpečná tahová napětí v povrchové vrstvě.  Změny způsobené kuličkováním toto tahové namáhání v povrchové vrstvě zmenšují nebo jej dokonce mění na příznivé tlakové. Protože skoro všechna poškození korozní únavou nebo korozním praskáním vznikají na povrchu součásti, projevuje se příznivý efekt zpevnění povrchové vrstvy a působení tlakového napětí i při těchto nebezpečných namáháních.

Měření intenzity kuličkování

Účelem kuličkování je vytvořit rovnoměrnou zpevněnou vrstvu, která závisí na intenzitě kuličkování.  Tato intenzita se nedá zachytit přímou cestou.  Jedním z nepřímých způsobů měření je metoda podle J.O.Almena.  Postup spočívá v tom, že se normalizovaný měřící pásek (jeho rozměry, tak i jakost materiálu a tepelné zpracování jsou přesně stanoveny) upne do rovněž normalizovaného přípravku a takto se  vystaví účinku dopadajících částic tryskacího prostředku. Po otryskání se povolí upínací šrouby přípravku a zkušební destička se vyjme.

Z důvodu vzniku pnutí se destička po uvolnění prohne.

Průhyb slouží jako měřítko intenzity kuličkování. Měří se

jednoduchým indikátorovým přístrojem (obr.4).

1 – indikátorový přístroj

2 – měřící pásek

 

Obr.4 Způsob měření průhybu

Prvni_tousenska_v_casopise_Technika

Údaje o intenzitě kuličkování se tedy provádí formou výšky průhybu na normované zkušební destičce Almenova testu. Sledujeme-li velikost průhybu v závislosti na čase expozice, získáme saturační křivku (obr.5).

Prvni_tousenska_v_casopise_Technika

 

Obr.5  Saturační křivka průhybu  pásku na čase


Doba kuličkování se provádí do dosažení saturačního bodu.  To je takový bod, ve kterém se výška oblouku nezvyšuje o více než 10% po zdvojnásobení doby expozice.  V tomto bodě naměřená hodnota průhybu odpovídá stanovené intenzitě kuličkování.  Další srovnávací hodnocení vychází z předpokladu, že se kuličkování provádí stejnou rychlostí (tlakem vzduchu) a pod stejným úhlem dopadu a používané kuličky mají stejnou velikost, hmotnost, tvar a tvrdost. Jestli-že nemůže být dosaženo předepsané  intenzity kuličkování ve stanoveném čase, znamená to, že rychlost tryskacího prostředku je příliš nízká, nebo jeho velikost je proti  původním parametrům malá.


Pro měření jsou používány tři normalizované tloušťky zkušebních pásků (N, A, C) vhodné pro různé rozsahy intenzity kuličkování. Nejčastěji se využívá typ destičky „A“ (tloušťka 1,30 mm). Podstatně silnější typ pásku „C“ se potřebuje tam, kde se jedná o měření větších intenzit kuličkování. Typ pásku „N“ se naopak využívá pro měření malých intenzit např. při kuličkování hliníkových slitin v leteckém průmyslu pomocí skleněných nebo keramických kuliček. Údaje získané na vzorku „N“ jsou přibližně třikrát větší než údaje ze vzorku „A“, které jsou zase asi třikrát větší než údaje ze vzorku „C“. Doporučené použití pásků, kdy je měření nejpřesnější, je v rozsahu 0,1-0,5 mm.

Prvni_tousenska_v_casopise_Technika

Při kuličkování je nutné, aby byla rovnoměrně zasažena celá požadovaná plocha součásti dopadajícími částicemi.  Z tohoto důvodu vznikl pojem plošné pokrytí, které vyjadřuje poměr mezi zásahy pokrytou plochou a celou, kuličkováním upravovanou plochou.  Na obr.6 je povrch s plošným pokrytím cca 55%.  Pro dosažení vyššího stupně pokrytí je třeba úměrně prodloužit čas kuličkování.  Kontrola plošného pokrytí se nejčastěji provádí pomocí lupy nebo

mikroskopu.

Prvni_tousenska_v_casopise_Technika

Prvni_tousenska_v_casopise_Technika

Optimální tryskací prostředek

Jedním z nejdůležitějších parametrů je volba optimálního tryskacího prostředku.  Pro kuličkování je nejčastěji používán ocelový granulát o tvrdosti 46-53 HRC. Pro úpravu neželezných materiálů jako jsou Al, Mg nebo Ti však ocelový materiál nevyhovuje. Při použití ocelového granulátu vzniká nebezpečí, že na povrchu součásti zůstanou mikročástice ocelového materiálu, které mohou nepříznivě ovlivnit životnost celé součásti.  V těchto případech se dává přednost skleněným (balotině) nebo keramickým kuličkám. Jedná se o inertní materiál, který nezpůsobuje kontaminaci povrchu. Bez ohledu na materiál tryskacího prostředku musí být abrazivo vždy kulaté a stejnoměrné velikosti (dle MIL-S-13165C).

Použitelné tvary tryskacího prostředku:

Nepoužitelné deformované tvary:

Nepoužitelné ostrohranné tvary:

Technologie kuličkování má velmi široké uplatnění.  Je to především tam, kde stav povrchové vrstvy hraje důležitou roli v životnosti celé součásti. Blahodárný vliv kuličkování se nejvýrazněji projevuje u následných dílů:

šroubové pružiny

zvýšení životnosti až o

1 000 %

ozubená kola

zvýšení životnosti až o

1 000 %

torzní tyče

zvýšení životnosti až o

600 %

svary

zvýšení životnosti až o

200 %

ojnice

zvýšení životnosti až o

100 %

Výsledek kuličkování je však ovlivněn celou řadou faktorů.  Jejich nesprávnou volbou se nedosáhne maximálního účinku a v některých případech může dojít i ke zhoršení vlastností součástí.

Příslušenství používané při kuličkování

Almen pásky N,A a C pro měření intenzity kuličkování

Úchylkoměr pro měření průhybu

Normalizovaný držák Almen pásků

Mobilní dynamický tvrdoměr

Porovnávací provozní mikroskop

 

Ing.Vladimír Marek, 1.Toušeňská s. r. o.

Späť

Priemyselné utierky

MEWA - priemyselne_utierky