Kontrola naprężeń w procesie kulowania

Współcześnie oczekuje się od producentów nieustannego doskonalenia procesów, by można było maksymalnie wykorzystać możliwości wytwarzanych dóbr. Sztuką nie jest przewymiarowanie detalu w celu spełnienia parametrów wytrzymałościowych, ale takie jego zaprojektowanie, by przy niskiej masie utrzymać jego funkcjonalność i długowieczność. Jednym ze sposobów na polepszenie wytrzymałości zmęczeniowej elementu jest lokalne wprowadzenie naprężeń ściskających. By proces ten był efektywny, konieczna jest bieżąca kontrola stanu naprężenia wykonywanych detali. Naprzeciw tym potrzebom wychodzą techniki badań wykorzystujące zjawisko dyfrakcji rentgenowskiej, przydatne zwłaszcza w branżach, w których wyprodukowane elementy muszą być najwyższej jakości – np. w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym.

Większość procesów produkcyjnych (mechanicznych, termicznych, chemicznych) powoduje powstanie naprężeń resztkowych w detalach. Naprężenia resztkowe można opisać jako naprężenia ściskające lub rozciągające, które pozostają w komponencie po przyłożeniu obciążenia zewnętrznego. Pojawiają się na skutek obróbki skrawaniem, szlifowania, walcowania, głębokiego tłoczenia, spawania, hartowania termicznego, procesów kulowania (shot peening) czy kucia. Zrozumienie i poprawna interpretacja zmian zachodzących w materiale pozwalają zapobiegać powstawaniu uszkodzeń zmęczeniowych, a tym samym kontrolować żywotność i bezpieczeństwo produkowanych detali.

Celem obróbki powierzchniowej metodą kulowania jest wprowadzenie – na skutek zewnętrznie przyłożonej siły – trwałych odkształceń i uzyskanie lepszych właściwości wytrzymałościowych przy powierzchni detalu. Naprężenia resztkowe ściskające pozytywnie wpływają na zwiększenie trwałości zmęczeniowej i na korozję naprężeniową, ponieważ opóźniają inicjację i propagację pęknięć oraz zmniejszają poziom naprężenia warstw, w których przyłożone obciążenie jest największe. Nawet niewielkie zmiany stanu naprężeń resztkowych mogą mieć znaczący wpływ na żywotność elementu.

Proces kulowania pochłania energię, materiały i wydłuża czas potrzebny na wyprodukowane danego komponentu. Bieżąca kontrola efektywności procesu pozwala jednak zoptymalizować ilość czasu i materiałów potrzebnych do uzyskania pożądanej wytrzymałości detalu.

 

Wyznaczanie stanu naprężenia metodą dyfrakcji rentgenowskiej

Ciała stałe, których cząsteczki tworzą uporządkowaną, trójwymiarową sieć, nazywane są ciałami krystalicznymi. Wchodzące w ich skład kryształy charakteryzuje regularna odległość pomiędzy tworzącymi je atomami. Siły oddziałujące na materiał powodują zmianę odległości między płaszczyznami atomowymi (d) tworzącymi strukturę krystaliczną poszczególnych faz. Z prawa Bragga wynika, że maksima promieniowania ugiętego charakteryzujące daną fazę występują tylko przy określonych kątach padania.

nλ = 2 d sin θ

gdzie:

n – rząd ugięcia, liczba całkowita,
λ – długość fali promieniowania rentgenowskiego,
d – odległość międzypłaszczyznowa,
θ – kąt odbłysku, kąt padania zawarty między wiązką promieniowania pierwotnego a płaszczyzną kryształu (tworzącego daną fazę).

 

 

Kąty te z uwagi na zmienione odległości międzypłaszczyznowe d różnią się w materiale naprężonym i odprężonym. Ze zmiany odległości międzypłaszczyznowych (d) obliczana jest wartość stanu naprężenia. Analizę można wykonać na każdym materiale o wystarczającym stopniu krystaliczności.

Różne są metody pomiaru naprężeń resztkowych, ale tylko dyfrakcja rentgenowska ma odpowiednią rozdzielczość przestrzenną i objętościową, aby w pełni i odpowiednio scharakteryzować rozkłady naprężeń resztkowych. Dzięki niewielkiej głębokości penetracji promieniowania rentgenowskiego możliwe jest profilowanie wgłębne stanu naprężenia (poszczególne warstwy materiału usuwa się w procesie elektrochemicznego polerowania powierzchni).

 

Zrobotyzowany analizator naprężeń

GNR Analytical Instrument ma w swoim portfolio urządzenia wykorzystujące metodę dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego (XRD) do nieniszczącego pomiaru stanu naprężenia resztkowego (StressX) i zawartości austenitu szczątkowego (AREX).

StressX dzięki połączeniu kompaktowej głowicy z dyfraktometrem rentgenowskim oraz 6-osiowym antropomorficznym robotem pozwala na określanie stanu naprężenia resztkowego próbek o różnych wymiarach. Wysoka precyzja pozycjonowania robota umożliwia pomiar z dokładnością i powtarzalnością pozycjonowania przekraczającą 20 μm. Automatyzacja pomiaru zapewnia dokładne mapowanie naprężeń dużych komponentów.

Dyfraktometr GNR StressX zaprojektowano jako łatwe w obsłudze i niezawodne narzędzie zapewniające kontrolę jakości procesu produkcyjnego zarówno w laboratoriach oraz fabrykach, jak i w terenie. Nieskomplikowana obsługa, wytrzymała konstrukcja i przyjazny interfejs użytkownika powalają na efektywny i precyzyjny pomiar naprężeń resztkowych.