Kulowanie od podstaw – poznaj proces i wymagania
Dzisiaj pobawimy się dużą ilością małych kuleczek. Zabawa będzie polegała na niczym innym jak na rzucaniu nimi w stalowe części. Nie będzie to jednak bezcelowe. Założyliśmy bowiem, że w efekcie podniesiemy odporność zmęczeniową materiału. Brzmi absurdalnie? A dlaczego nie. Zwłaszcza jeśli uzyskamy zadowalający rezultat. Nie będzie to jednak tak proste jak się nam wydaje. Bo same kulki to za mało. Przede wszystkim będziemy musieli zapewnić, że osiągnięty rezultat rzeczywiście poprawi właściwości obrabianej części. A ponadto, że nasz proces będzie zawsze powtarzalny. Pytanie tylko, czy jesteśmy w stanie jakoś skontrolować dany wyrób tak, aby potwierdzić skuteczność wykonanego kulowania. Niestety będzie to możliwe wyłącznie przy pomocy badania niszczącego. Są jednak także inne, pośrednie metody takiej weryfikacji, ale o nich powiemy sobie za chwilę.
Kontynuujemy tematykę procesów specjalnych. Po obróbce cieplnej przyszła pora na kulowanie znane również pod angielską nazwą shot peening. Według klasyfikacji Nadcap proces zaliczany jest do grupy o nazwie Umacnianie powierzchniowe. W tym materiale powiemy sobie nie tylko czym jest samo kulowanie oraz jakie rodzaje tego procesu są stosowane, ale także jaki dokładnie jest jego cel oraz jakie inne może mieć zastosowania. Sprawdzimy także jak go kontrolować, aby osiągnąć wspomnianą powtarzalność. Zapraszam Was do świata małych kulek, które zmieniły oblicze przemysłu lotniczego, motoryzacyjnego i wielu innych. Miłej lektury!
W skrócie
Czytając ten artykuł dowiesz się:
- Czym jest proces kulowania, oraz w jakim celu go wykonujemy.
- Jak go monitorować, aby mieć pewność, że jest powtarzalny i zawsze osiągamy zamierzony efekt.
- Czym jest intensywność, oraz jak ją wyznaczyć a także jak weryfikować pokrycie części.
- Jak wygląda kwestia akredytacji procesu kulowania w branży lotniczej i motoryzacyjnej.
- Na co powinniśmy uważać podczas planowania procesu technologicznego.
- Czym różni się kulowanie od piaskowania.
Na blogu dostępne są również inne artykuły na temat procesów specjalnych:
- Procesy Specjalne – czym są oraz po co je wykonujemy
- Obróbka cieplna (1/2) – Jak poprawić właściwości stali
- Obróbka cieplna (2/2) – Podział procesów
- Badania nieniszczące – wprowadzenie do NDT
- Badania penetracyjne PT w praktyce
Kolejne artykuły w każdy poniedziałek!
Obserwuj Jakościowca w mediach społecznościowych i bądź na bieżąco.
Co to jest kulowanie i jaki jest cel procesu?
Skoro nasze kulki mają za zadanie podnieść wytrzymałość zmęczeniową materiału to najpierw sprawdźmy czym to zmęczenie właściwie jest i w jakich sytuacjach ono występuje.
O zmęczeniu materiału mówimy jeśli w materiale dochodzi do defektu w postaci pęknięcia na skutek występowania cyklicznego obciążenia. Najprościej zobrazować to na przykładzie ołówka. Jeśli jeden jego koniec zamocujemy w jakimś przyrządzie, przykładowo imadle, zaś na drugi będziemy naciskać z odpowiednią siłą, to prędzej czy później na jego powierzchni wystąpią pęknięcia. Natomiast dalsze takie działanie doprowadzi do jego ostatecznego złamania. Ważna w tym miejscu jest przede wszystkim powtarzalność.
Aby temu zapobiec należy daną powierzchnię umocnić poprzez wprowadzenie naprężeń ściskających. Zabezpieczy to dany obszar przed wystąpieniem zmęczenia materiału. Zakładając oczywiście, że założenia procesu zostały prawidłowo dobrane do specyfiki późniejszej pracy danego elementu.
Aby potwierdzić czy wykonany proces kulowania spełnia swoje oczekiwania konieczne będzie wykonanie pomiaru naprężeń resztkowych. Jest to jednak badanie niszczące o czym wspominaliśmy we wstępie. Dlatego najlepiej przeprowadzić je na etapie projektowania wyrobu lub wdrażania procesu. Natomiast na późniejszym etapie takiej kontroli możemy dokonać weryfikując poziom intensywności oraz pokrycia na części.
O tym jakie są inne zastosowania procesu kulowania, oraz co istotne, czym różni się on od piaskowania powiemy sobie w dalszej części artykułu.
Jakościowiec teraz także na LinkedIn!
Intensywność w procesie kulowania
Każda mała kulka, która uderza w obrabianą część przekazuje jej część energii kinetycznej powodując powstanie wgłębienia na jej powierzchni tworząc warstwę plastycznie umocnioną. Miliony takich uderzeń do jakich dochodzi podczas standardowego procesu może poza tą warstwą powodować również odkształcenia danej części. Zwłaszcza jeśli umacniamy wyłącznie jedną powierzchnię.
Wykonajmy zatem prosty eksperyment podczas, którego obrabiać będziemy małą i cienką blaszkę. Ze względu na grubość niezbędne będzie przymocowanie jej do grubszego bloku. Zapewni on nam stabilność obrabianego przedmiotu, oraz pozwoli na zaobserwowanie ciekawego zjawiska. Z racji tego, że przymocowaliśmy naszą blaszkę do bloku możliwe będzie jej umocnienie, ale wyłącznie z jednej strony. W efekcie wygnie się ona w łuk. Metodologię tą opracował John Otto Almen jeden z prekursorów mający ogromny wpływ na rozwój procesu kulowania.
Właśnie od jego nazwiska wzięły nazwę wspomniane blaszki nazywane obecnie paskami Almena. Aby jednak pomiar był powtarzalny należy stosować ściśle określony gatunek materiału, zaś same paski mają ustandaryzowane wymiary. Wykonuje się je ze stali węglowej SAE 1070 walcowanej na zimno. Wyróżnia się trzy podstawowe typy pasków N, A oraz C, które różnią się grubością. Typ paska Almena dobiera się jeszcze na etapie projektowania wyrobu bazując na zakresie intensywności jaki chcemy osiągnąć oraz wielkości naszych kulek, które nazywać będziemy medium.
Aby dokonać umocnienia pasków Almena konieczne będzie ich przymocowanie do specjalnych bloków spełniających wymagania normy SAE J442 za pomocą czterech śrubek. Lokalizacja bloków nie może być jednak przypadkowa. Bowiem rolą każdego paska Almena jest odwzorowanie geometrii obrabianej części. Ilość bloków zależy od rodzaju wykorzystanej maszyny i geometrii samej części.
Jak wspomnieliśmy umocnienie paska Almena spowoduje jego wygięcie. Natomiast naszym zadaniem będzie wykonanie pomiaru jego strzałki ugięcia. W tym celu należy użyć specjalnie zaprojektowany przyrząd pomiarowy zwanym miernikiem Almena. Składa się on z cyfrowego czujnika zegarowego oraz uchwytu, w którym umieścimy nasz pasek Almena. Spoczywać on będzie na znajdujących się w jednej płaszczyźnie czterech kulkach oraz dodatkowo zostanie wypozycjonowany przez cztery słupki. Analogicznie jak bloki również miernika Almena musi spełniać wymagania normy SAE J442. Oczywiście jeśli wymagania procesu nie stanowią inaczej, jednakże jest to obecnie najbardziej rozpowszechniony standard definiujący wymagania dla tego typu wyposażenia.
Wykonanie takiego badania pozwoli nam na pomiar intensywności procesu kulowania, czyli w prostych słowach na weryfikację ilości energii kinetycznej, która oddziałuje na część. Taki test będziemy musieli wykonać przed rozpoczęciem procesu, oraz:
– po jego zakończeniu o ile umacniamy więcej niż jedną część, lub wsad
– po określonym w danej specyfikacji czasie wykonywania procesu, który zależy od rodzaju stosowanego medium.
Otrzymany wynik będzie wartością liczbową wyrażoną w milimetrach lub calach.
Jednak zanim do tego przystąpimy niezbędne będzie narysowanie krzywej nasycenia oraz wyznaczenie punktu nasycenia.
Krzywa nasycenia oraz punkt nasycenia
Jest to nic innego jak graficzne zaprezentowanie zależności pomiędzy ustalonymi parametrami umacniania a ekspozycją na medium, która może być definiowana jako czas procesu, ilość przejść, ilość cykli lub prędkość posuwu. Aby stworzyć krzywą nasycenia niezbędne będzie umocnienie co najmniej czterech pasków Almena. Odbędzie się to bez zmiany parametrów umacniania, ale ze zmienną ekspozycją. Aby lepiej to zobrazować posłużmy się prostym przykładem. Załóżmy, że naszą ekspozycją będzie czas procesu i będzie określany w minutach. Możemy zatem umacniać kolejne próbki przez 1, 2, 3 oraz 4 minuty. Równie dobrze możemy dublować czasy i wykonać proces przez 1, 2, 4 i 8 minut.
Po narysowaniu krzywej niezbędne będzie wyznaczenie punktu nasycenia T1 oraz punktu T2. Przy czym bardzo ważna jest zależność pomiędzy obydwoma punktami. Bowiem według definicji punkt nasycenia jest to punkt znajdujący się na krzywej nasycenia, który w przypadku podwojenia czasu ekspozycji spowoduje przyrost intensywności dokładnie o 10 procent. Warto również pamiętać, że jeszcze jakiś czas temu definicja mówiła o przyroście o nie więcej niż 10 procent. Jednak parę lat temu uległa ona zmianie.
Wyznaczony punkt nasycenia będzie musiał mieścić się w zdefiniowanym w dokumentacji konstrukcyjnej wyrobu przedziale intensywności. Na jego podstawie niezbędne będzie wyznaczenie punktu weryfikacji intensywności, bowiem w znakomitej większości przypadków punkt T1 będzie odpowiadał ułamkowej wartości ekspozycji, której nie będziemy w stanie odtworzyć za pomocą naszej maszyny. I to w odniesieniu do tego punktu będziemy dokonywać pomiaru intensywności podczas każdego zlecenia produkcyjnego. Jednak intensywność to nie wszystko. Wspominaliśmy również o drugim parametrze, który będzie musiał być weryfikowany. Jest nim pokrycie.
Czym jest pokrycie i jak je oceniać?
Jak sama nazwa wskazuje jest to procentowy udział powierzchni, gdzie nastąpiło umocnienie w stosunku do obrabianego obszaru. W większości przypadków spotkamy się z określeniem „Pełne pokrycie” lub wartością procentową. Oceny pokrycia dokonujemy na obrabianej części przy użyciu lupy o wartości co najmniej 10x. Osiągnięcie wartości pokrycia zgodnie z wymaganiami konstrukcyjnymi określa nam ekspozycję na medium. Przy czym należy pamiętać, że jest ona niezależna w stosunku do ekspozycji, której użyliśmy podczas sprawdzania intensywności. Należy natomiast użyć tych samych parametrów umacniania takich jak ciśnienie sprężonego powietrza, prędkość wirnika lub przykładowo przepływ medium.
Medium
Skoro wiemy już czym jest intensywność i pokrycie to możemy przejść do kolejnego czynnika, który ma wpływ na proces kulowania. Jest nim medium, czyli wspomniane kulki. Mogą być one wykonane ze staliwa, stali węglowej, szkła a nawet ceramiki. Rodzaj stosowanego medium oraz jego twardość dobiera się na podstawie gatunku materiału, jego twardości lub wytrzymałości na rozciąganie. Kolejną ważną kwestią jest rozmiar medium, które musi pozwolić na dotarcie kulek do najmniejszych zakamarków obrabianej części. Stosowane medium będzie musiało być poddane wstępnej i okresowej kontroli rozmiaru za pomocą analizy sitowej. Niezbędna będzie również wizualna ocena kształtu kulek.
Kulowanie a Nadcap
Stosowany w branży lotniczej program akredytacyjny Nadcap obejmuje swoim zakresem również proces kulowania. O tym czym jest Nadcap możecie dowiedzieć się z serii artykułów szczegółowo opisujących jak krok po kroku uzyskać certyfikat:
Kulowanie należy do grupy procesów specjalnych określonych jako umacnianie powierzchniowe. Na jego podstawie wyróżnia się kilka różnych odmian tego procesu. Są to:
– kulowanie automatyczne
– kulowanie sterowane komputerowo
– formowanie przez kulowanie
– flap peening – w dosłownym tłumaczeniu kulowanie klapką
– kulowanie ręczne.
Przyjrzyjmy się zatem pokrótce każdemu z nich.
Kulowanie automatyczne a kontrolowane komputerowo
Podstawową różnicą jeśli chodzi o oba procesy są mające najczęściej zastosowanie specyfikacje ogólnoprzemysłowe AMS 2430 oraz AMS 2432. Opisują one odpowiednio proces kulowania automatycznego oraz sterowanego komputerowo. Z tą różnicą, że bardziej restrykcyjna jest ta druga norma, bowiem narzuca wiele dodatkowych wymagań rozszerzających te zawarte w AMS 2430. Dotyczą one chociażby rejestracji danych dotyczących bieżących parametrów procesu. Warto jednak wiedzieć, że nie zawsze maszyna sterowana komputerowo musi podlegać pod wymagania AMS2432. Wszystko zależy od potrzeb określonych w dokumentacji konstrukcyjnej wyrobu. W procesie akredytacyjnym Nadcap znajdziemy dwie osobne listy kontrolne dedykowane dla obu procesów:
– AC7117/1 – opisuje wymagania dla kulowania kontrolowanego komputerowo
– AC7117/2 – dotyczy kulowania automatycznego.
Formowanie przez kulowanie
Jest to proces, którego cel jest zgoła odmienny od standardowego kulowania. Formowanie wykorzystywane jest do nadawania odpowiedniego kształtu różnego rodzaju wyrobom. Najczęściej ma zastosowanie dla struktur lotniczych takich jak skrzydła. Program Nadcap definiuje wymagania dla formowania przez kulowania w liście kontrolnej AC7117/3.
Flap peening
Jak już wspominaliśmy jest to proces podczas, którego umacnianie danej powierzchni odbywa się za pomocą klapki zamontowanej na obrotowym trzpieniu. Analogicznie jak w przypadku kulowania ręcznego jest to proces manualnie wykonywany przez operatora. Natomiast w odróżnieniu do standardowego kulowania podczas flap peeningu mamy ograniczoną ilość kulek, które przymocowane są do klapki. Dzięki czemu dana część umacniana może być nawet na stole. Proces ten stosowany jest jednak wyłącznie w celu wykonania niewielkich poprawek. Wymagania Nadcap dla tego procesu zdefiniowane są w dokumencie AC7117/4.
Kulowanie ręczne
Jest proces, w którym maszyna zostaje zastąpiona przez operatora. Oczywiście w dalszym ciągu mamy mamy pewną formę sterowania parametrami procesu jednak sam ruch, czy też kąt dyszy musi zostać zapewniony przez osobę wykonującą proces. W takim wypadku niezbędna będzie sporych rozmiarów kabina, w której operator będzie miał odpowiednią swobodę ruchów. Warto mieć na uwadze, że nie wszyscy klienci z branży lotniczej pozwalają na stosowanie tej metody kulowania. Jeśli chodzi o akredytację Nadcap to szczegółowe wymagania znajdziemy w AC7117/5.
Wymagania przemysłu motoryzacyjnego
AIAG, czyli Automotive Industry Action Group – organizacja nadzorująca wymagania jakościowe dla przemysłu motoryzacyjnego opracowała szereg standardów oznaczonych jako CQI, czyli Continuous Quality Improvement. Ich celem jest określenie wymagań, które są specyficzne dla konkretnych procesów specjalnych. Obejmują one między innymi obróbkę cieplną, procesy galwaniczne, czy chociażby spawanie. Aktualnie nie wydano jednak żadnego standardu, który dotyczyłby procesu kulowania.
Podstawowe typy maszyn do kulowania
Wyróżnia się dla dwa podstawowe typy kulownic. Główną różnicą jest sposób w jaki napędzana jest cząsteczka medium do umacniania. Pierwszym z nich są maszyny wyposażone w koła, których zadaniem jest wyrzut kulek przy wykorzystaniu siły odśrodkowej. Natomiast drugim typem są maszyny wykorzystujące w procesie sprężone powietrze. W takim wypadku napędzany nim medium wylatuje z jednej lub kilku dysz.
Oczywiście istnieje także kilka innych podziałów jak chociażby wspomniane maszyny automatyczne i sterowane komputerowo. Dane parametry procesu możemy w takich wypadkach ustawiać zarówno za pomocą różnego rodzaju pokręteł i wajch, lub też poprzez dedykowany program obróbczy. Na rynku dostępne są maszyny, które mogą różnić się ilością i umiejscowieniem kół narzutowych. Producenci oferują także maszyny wyposażone w roboty pozwalające na obróbkę w kilku osiach. Mają one zastosowanie zwłaszcza dla najbardziej wymagających części.
W tym miejscu warto również wspomnieć o odpowiedniej kalibracji wyposażenia maszyny, która bardzo często może być niezbędna do prawidłowego wykonania procesu. Ponieważ kulowanie jest procesem specjalnym to musimy zapewnić, że wszelkiego rodzaju osprzęt pozwalający monitorować parametry procesu ma wymaganą dokładność pomiarową.
Kulowanie a inne procesy
Kulowanie jest procesem, który nie tylko wprowadza do części naprężenia ściskające, ale również w mniejszym, lub większym stopniu zmienia chropowatość powierzchni wyrobu. Powstawanie na powierzchni wgłębień może zatem wywoływać efekt zacierania powierzchni podobny do tego, który obserwujemy na przykład podczas szlifowania części. Może mieć to istotny wpływ na zamykanie jakichkolwiek wad, które są otwarte do powierzchni. Jest to istotne zwłaszcza w kontekście kontroli penetracyjnej, która takie wady wykrywa.
Kolejną ważną kwestią jest obróbka cieplna oraz jej wpływ na odprężenie części, czyli właściwie usunięcie efektu kulowania. Analogiczny skutek spowoduje również spawanie w okolicach umacnianego obszaru czy też lutowanie w piecu.
Dlatego proces kulowania powinien być wykonywany po wszelkiego rodzaju operacjach, które mogą powodować odprężenie części, badaniach nieniszczących, ale także obróbce mechanicznej. Dopuszczalne są jedynie operacje polerowania lub honowania w celu poprawy chropowatości. Przy czym ilość usuwanego materiału nie może przekraczać limitów określonych w specyfikacji procesowej.
Inne zastosowania kulowania
Jak już wiemy podstawowym zastosowaniem procesu kulowania jest wprowadzenie naprężeń ściskających, które zabezpieczą obrabianą powierzchnię przed pękaniem zmęczeniowym. To jednak nie wszystko, bowiem proces formowania przez kulowanie pozwala nam na osiągnięcie odpowiedniej geometrii struktur. Kulowanie może być wykorzystywane również w innym celu, jak chociażby do:
– usuwania zgorzeliny z odkuwek
– zmiany chropowatości powierzchni
– czyszczenia poprzez zastosowanie kulek szklanych
– osiągnięcia odpowiedniego efektu wizualnego
Poza wspomnianą branżą lotniczą kulowanie jest stosowane także przez inne gałęzie przemysłu. Przykładem może być chociażby branża motoryzacyjna i John Almen, który zauważył, że kulowanie ma istotny wpływ na wzrost żywotności sprężyn. Umacniane są również wały korbowe, koła zębate, czy inne elementy narażone na pęknięcia zmęczeniowe. Poza tym kulowanie wykorzystywane jest także w przemyśle energetycznych chociażby do kulowania zamków łopatek, przemyśle ciężkim a nawet medycznym.
Kulowanie a piaskowanie
Kolejną ważną kwestią jest różnica pomiędzy procesami kulowania oraz piaskowania. Zdarza się bowiem, że oba procesy są ze sobą mylone. Po części może to wynikać z jednego z zastosowań kulowania, gdy stosując kulki szklane czyścimy część. Najważniejszą kwestią i różnicą pomiędzy obydwoma procesami jest ich podstawowa rola. Kulowanie służy w większości przypadków do umocnienia warstwy powierzchniowej danej części, natomiast piaskowanie stosujemy przeważnie w celu:
– oczyszczenia części
– aktywacji powierzchni
– uzyskania kosmetycznego efektu.
Kolejną różnicą jest stosowane medium. W przypadku kulowania mówimy o czterech wspomnianych już typach: kulkach staliwnych, ciętym drucie ze stali węglowej, kulkach szklanych lub ceramicznych. Natomiast w przypadku piaskowania do zastosowań przemysłowych najczęściej stosujemy tlenek aluminium Al203.
Podsumujmy…
Przebrnęliśmy przez najważniejsze aspekty związane z podstawami kulowania. Sprawdziliśmy w jakich celu wykonujemy ten proces a także jak należy go kontrolować, aby mieć pewność, że jest stabilny i powtarzalny. Tajemnicą nie jest już pojęcie intensywności, czy też pokrycia. Wspomnieliśmy również o podziale procesów bazując na klasyfikacji stosowanego w lotnictwie programu Nadcap a także zweryfikowaliśmy jak kształtują się wymagania opracowane przez AIAG poprzez standardy CQI. Istotną rzeczą jest również prawidłowe umiejscowienie kulowania w procesie technologicznym tak, aby zapewnić, że efekt w postaci wprowadzonych naprężeń ściskających nie zostanie usunięty. Warto także zapamiętać jaka jest podstawowa różnica między kulowaniem a piaskowaniem. Mam nadzieję, że ten materiał przybliżył Wam istotę tego jakże ważnego procesu. Jeśli macie jakieś pytania, lub chcielibyście się podzielić własnymi doświadczeniami to zapraszam do pozostawienia komentarza w poniższej sekcji. Do zobaczenia w następny poniedziałek!
