Warstwa wierzchnia (WW) jest obiektem zainteresowania wielu ośrodków naukowych. Uwzględniając fazy istnienia (cykl życia) maszyny, wyróżnić można dwie postacie warstwy wierzchniej elementów maszyny: technologiczną (TWW) oraz eksploatacyjną (EWW). Występują one odpowiednio:

• w fazie konstruowania, projektowania i wytwarzania elementów maszyn oraz ich montażu w całość – TWW,

• w fazie eksploatowania maszyny – EWW.

Trudno ustalić jednoznacznie, w jaki sposób należy zakwalifikować warstwę wierzchnią elementów w fazie magazynowania i transportu – do EWW czy TWW. Z jednej strony nie oddziałują na nią jeszcze zewnętrzne wymuszenia eksploatacyjne, nie ma więc podstaw do zaliczenia jej do EWW, z drugiej zaś proces wytwórczy został już zakończony, nie jest więc to już TWW.

Na podstawie literatury przedmiotu można stwierdzić, że od cech warstwy wierzchniej utworzonej w wyniku realizacji założonego procesu technologicznego zależy mechanizm i intensywność procesu zużywania. Na rys. 1 schematycznie przedstawiono przykładowy wpływ usytuowania kierunkowości struktury względem kierunku ruchu na przepływ środka smarującego i tworzenie filmu olejowego.

Kształtowanie warstwy wierzchniej

Kształtowanie pożądanego stanu warstwy wierzchniej już w procesie wytwarzania jest ważną kwestią w kontekście zdolności elementów par kinematycznych do spełniania jak najdłużej przewidzianych funkcji w obiekcie technicznym. Metod konstytuowania TWW jest wiele, podobnie jak wiele jest zabiegów i operacji technologicznych składających się na procesy technologiczne elementów maszyn.

Według bardzo ogólnego podziału metod tworzenia warstwy wierzchniej elementów maszyn, w którym kryterium stanowi przyrost materiału, WW dzieli się na:

• ubytkowe – realizowane przez zmniejszanie wymiarów przedmiotu (np. obróbka skrawaniem, erozyjna, strumieniowa),

• bezubytkowe – realizowane bez zmniejszenia wymiarów przedmiotu (np. obróbka cieplna, plastyczna, implantowanie, PVD),

• przyrostowe – realizowane przez zwiększenie wymiarów przedmiotu (np. nanoszenie powłok elektrolitycznych).

Wskazane grupy pokazują, że przyrost rozumiany jest tu w znaczeniu szerokim, tzn. może być dodatni, ujemny lub zerowy. Dodatkowo może też być masowy lub geometryczny. Przy takim podziale wszystkie znane techniki stosowane w procesach wytwórczych można zakwalifikować przynajmniej do jednej z wyodrębnionych grup.

Zauważyć należy, że nie zawsze przyrostowi masy towarzyszyć musi zmiana wymiaru liniowego i odwrotnie. Jako reprezentatywne przykłady można tu wskazać implantowanie (przyrost masy bez zmiany wymiaru geometrycznego) oraz nagniatanie (zmiana wymiaru geometrycznego bez zmiany masy).

Technologiczna WW ma więc charakter dynamiczny – jej stan zmienia się po każdym zabiegu lub operacji technologicznej. Ponieważ jednak o cechach użytkowych maszyny decyduje stan WW elementów maszyn po zakończeniu ostatniej operacji procesu technologicznego, właśnie ten stan należy przyjąć jako TWW gotowego elementu – i warstwa ta ma wówczas charakter statyczny.

Zmiany technologiczne warstwy wierzchniej

Analizując cechy TWW, stwierdzono, że zmieniają się one praktycznie po każdej wykonanej operacji lub zabiegu technologicznym. Zmiany te dotyczą zarówno wnętrza WW, jak i jej powierzchni, a całość tego procesu nazywana jest transformacją TWW.

Oddziaływanie wymuszeń siłowych w procesie obróbki skrawaniem powoduje tworzenie w WW naprężeń, które w zależności od sposobu obróbki i jej parametrów mogą mieć znak dodatni (naprężenia rozciągające) lub ujemny (ściskające). Ze względów na wytrzymałość stykową korzystne jest, aby w WW istniały naprężenia ściskające, dlatego też proces technologiczny należy tak zaplanować, aby w wyniku ostatniej operacji wytworzyć w niej taki stan naprężeń.

Na wnętrze WW oddziałują też wymuszenia termiczne – pod wpływem ciepła zachodzą zmiany w jej strukturze. Liczne badania wykazały, że jednorodna, rozdrobniona struktura ma najlepsze własności wytrzymałościowe, a więc w procesie obróbki cieplnej (jeśli jest ona przewidywana w procesie technologicznym) należy do takiej struktury dążyć.

Inny zasięg oddziaływania mają wymuszenia kinematyczne – ich skutki widoczne są głównie na powierzchni. Oddziaływanie kinematyczne wpływa na ukształtowanie struktury geometrycznej powierzchni (SGP) – rys. 2, 3 i 4.

Od wartości parametrów obróbki oraz relacji między ruchami narzędzia i przedmiotu obrabianego zależą kształt i rozmieszczenie śladów obróbki po każdej operacji technologicznej, a więc kierunkowość SGP. Podczas procesu wytwarzania ślady się zmieniają i w tej fazie w większości przypadków parametry kierunkowości nie mają istotnego znaczenia. Kierunkowość uzyskana w wyniku szlifowania i toczenia wykańczającego (rys. 2) zaliczana jest do grupy jednokierunkowej – jej ślady są równoległe do siebie.

Bardziej złożony rozkład śladów obróbki uzyskuje się w rezultacie obróbek hybrydowych. Na rys. 3 przedstawiono struktury uzyskane w wyniku realizacji frezotoczenia z różnymi parametrami. Widać wyraźnie, że zmiana posuwu powoduje zmianę kształtu i rozmieszczenia śladów obróbki na powierzchni. W przypadku takich obróbek przy określaniu relacji między cechami SGP a charakterystykami tribologicznymi do opisu SGP należy zamiast kierunkowości przyjąć stopień izotropowości struktury.

W przypadku obróbek erozyjnych kierunkowość powierzchni jest widoczna, gdy nastąpi połączenie obróbki erozyjnej z obróbkami mechanicznymi (rys. 4). Najwyraźniejszą kierunkowość struktury uzyskuje się obróbką elektrochemiczno-ścierną. Kierunkowość uzyskana na powierzchni ma ścisły związek z kinematyką narzędzia. W przypadku jednokierunkowego honowania uzyskuje się powierzchnie ortotropowe o strukturze z pionowymi lub poziomymi rysami, odpowiednio wzdłużne lub poprzeczne – w zależności od rodzaju honowania. W przypadku honowania dwukierunkowego uzyskuje się strukturę o przecinających się śladach obróbki, a kąt ich przecięcia zawiera się w zakresie od 0° do 180° i zależy od kinematyki narzędzia.

Obróbka skrawaniem

Najbardziej rozpowszechniony – ze względu na uniwersalność i dokładność kształtowania – jest proces skrawania oparty na modelu usuwania warstw naddatku materiału w postaci wiórów przez ostrze skrawające narzędzia. Łączny udział obróbki skrawaniem w przemyśle maszynowym jest oceniany obecnie na ok. 50% i według prognoz Międzynarodowego Stowarzyszenia Badań Procesów Wytwórczych (CIRP) jeszcze długo będzie się utrzymywał na wysokim poziomie. Wynika to ze zwiększających się możliwości zastosowań skrawania i uzyskiwanych dokładności.

Obróbka skrawaniem dzieli się na obróbkę wiórową i obróbkę ścierną, chociaż w obu przypadkach powstaje wiór. Dokonuje się jednak rozróżnienia między wiórami widocznymi gołym okiem, charakterystycznymi dla obróbki wiórowej, a niedostrzegalnymi mikrowiórami, powstającymi podczas obróbki ściernej. W pierwszym przypadku używane są narzędzia jedno- i wieloostrzowe, w drugim zaś – narzędzia ścierne spojone i nasypowe, zawiesiny ścierne, kształtki i luźne ziarna ścierne.

W zależności od stosowanych narzędzi i cech kinematycznych oraz osiągalnej dokładności wymiarowo-kształtowej w procesach skrawania wyróżnia się:

• sposoby skrawania – ze względu na cechy kinematyczne obrabiarki, narzędzia i przedmiotu obrabianego; są to: toczenie, wiercenie, rozwiercanie, frezowanie, przeciąganie itd.;

• odmiany skrawania – ze względu na kierunki ruchów podstawowych lub usytuowanie obrabianej powierzchni w bryle przedmiotu; są to: toczenie wzdłużne, stożkowe i czołowe, toczenie zewnętrzne (obtaczanie) i wewnętrzne (wytaczanie, roztaczanie) oraz ich kombinacje, np. zewnętrzne toczenie wzdłużne;

• rodzaje skrawania – związane z uzyskiwaną dokładnością wymiarowo-kształtową i jakością powierzchni; w każdym ze sposobów rozróżnia się cztery rodzaje obróbki: zgrubną, średnio dokładną, dokładną i bardzo dokładną; ze względu na stadium procesu technologicznego wydziela się niekiedy obróbkę wstępną, kształtującą i wykańczającą.

Uzyskaną warstwę wierzchnią po obróbce skrawaniem scharakteryzować można głównie za pomocą parametrów chropowatości i kierunkowości struktury powierzchni. Chropowatość powierzchni powstaje w wyniku równoczesnego oddziaływania wielu niezależnych czynników, zarówno losowych, jak i zdeterminowanych, wskutek czego posiada ona bardzo złożoną mikrogeometrię.

Powierzchnie obrobione skrawaniem mają silnie zaznaczoną składową zdeterminowaną, wynikającą z odwzorowania geometrii ostrza i posuwu, na której widoczne są niższego rzędu mikronierówności o charakterze losowym. Ich udział w ogólnej wysokości chropowatości wynosi od 15% dla obróbki zgrubnej do 65% dla obróbki wykańczającej.

Powierzchnie obrabiane ściernie i erozyjnie mają mikrostrukturę typu losowego. Mikronierówności powierzchni opisywane są za pomocą parametrów statystycznych.

Kierunkowość struktury geometrycznej powierzchni wynika z przyjętego sposobu skrawania i jego odmiany. Wiąże się to z kinematyką procesu, czyli układem ruchów prostoliniowych lub obrotowych nadawanych narzędziu i przedmiotowi obrabianemu. Rodzaje struktury uzyskiwanej w wyniku realizacji obróbki różnymi sposobami i odmianami skrawania pokazano w tabeli.

Z przedstawionego zestawienia wynika, że stosując określoną odmianę i rodzaj skrawania, uzyskamy ściśle określoną kierunkowość struktury, a więc określone cechy użytkowe elementów obiektów technicznych.

Znając wpływ kierunkowości struktury geometrycznej powierzchni na proces zużywania, konstruktor powinien go uwzględnić przy opracowywaniu dokumentacji technicznej. Zadaniem technologa natomiast jest takie zaprojektowanie procesu technologicznego, aby umożliwił on uzyskanie właściwości WW założonych przez konstruktora.

Cechy ostatecznie ukształtowanej w wyniku realizacji założonego procesu TWW w istotnym stopniu wpływają na przebieg zużywania – jego mechanizm, intensywność oraz skutki, a to z kolei przekłada się na trwałość maszyn i urządzeń.

 ------

LITERATURA

Burakowski T., Wierzchoń T., 1995, Inżynieria powierzchni metali, WNT, Warszawa.

Grzesik W., 1998, Podstawy skrawania materiałów metalowych, WNT, Warszawa.

Oczoś K.E., Lubimov W., 2018, Struktura geometryczna powierzchni, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów.

Pawlus P., 2018, Topografia powierzchni: pomiar, analiza, oddziaływanie, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów.