VIN — Het Vlaams Innovatienetwerk

Project: Gladwalsen van geharde onderdelen

Bij het draaien van geharde werkstukmaterialen (zowel voor stuk- als seriewerk) worden zeer dikwijls (naast de maattolerantie) hoge eisen gesteld aan de oppervlakteruwheid van de werkstukken. Bij het harddraaien bekomt men altijd een schroefdraadvormige structuur (typisch bij elke draaibewerking) die de ondergrens vastlegt voor de haalbare Ra. Voor sommige toepassingen wordt hierdoor een draaibewerking uitgesloten. Ook voor bepaalde afdichtingen (“no-leak” eis) wordt een nadraaibewerking omwille van deze redenen niet toegelaten. Deze onderdelen worden hierdoor meestal nageslepen. Daarenboven, naargelang de slijtage van de PCBN snijplaat vordert, lopen de ruwheid en de trekspanningen in de randzone op. Deze laatste zijn voor op vermoeiing belaste onderdelen ontoelaatbaar.
Met voorliggend project zal getracht worden een oplossing aan te reiken om de ruwheid bij het harddraaien te verlagen door een bijkomende operatie uitgevoerd op dezelfde machine. Dit zou mogelijk zijn door na het bewerken met de PCBN-snijplaten het werkstukoppervlak na te lopen met een keramische kogel die het oppervlak onder hoge, plaatselijke druk vlak rolt. De door de fabrikant aanbevolen kogeldiameter bedraagt 6 mm met een maximale walskracht van 1000 N. De typische schroefdraadstructuur na een draaibewerking die bestaat uit een regelmatig patroon van toppen en dalen wordt door de keramische kogel vlak gewalst. Met het materiaal van de toppen worden de dalen opgevuld (na plastische vervorming) zodat de Ra waarde daalt. Het op punt stellen van de technologie van het gladwalsen is dan ook de hoofdprioriteit binnen voorliggend project.

In eerste instantie zijn het voornamelijk de bedrijven uit de machinebouw- en de transportsector die gespecialiseerd zijn in het inwendig en uitwendig slijpen en/of harddraaien van werkstukken die voordeel kunnen halen uit de resultaten van het onderzoek. Dit zijn ondermeer alle bedrijven waarbij tandwielen, assen, walsrollen, transmissiekasten, pomphuizen en cilinders een belangrijk onderdeel van hun productenpakket uitmaakt.

Samenvattend kunnen we het gladwalsen vergelijken met andere finisseerprocessen:
Slijpen
Wanneer we het proces van gladwalsen met dat van slijpen vergelijken, kunnen we stellen dat de haalbare ruwheid bij gladwalsen gelijkwaardig is met de resultaten die behaald kunnen worden bij rond- en langsslijpen. Honen en leppen zorgen voor nog betere resultaten. Kijken we naar de kostprijs, dan kunnen we algemeen stellen dat hoe fijner de gewenste ruwheid is, hoe hoger de kostprijs zal zijn.
In de meeste gevallen zullen de kosten voor het gladwalsproces lager liggen dan deze voor bijvoorbeeld slijpen. Redenen hiervoor zijn o.a. de lange standtijd van de kogel, een eenvoudige en vlotte opspanning van het gereedschap en bovenal het feit dat het proces op eenzelfde machine kan plaatsvinden. Wel moet worden opgemerkt dat het hier om eenvoudige (deel)geometrieën gaat, waar de diameter van de kogel (3,6 of 13mm) overal aankan zonder te botsen.

Honen
In vergelijking met honen heeft gladwalsen een kleiner dragend oppervlak. Reden hiervoor is de fijnere oppervlakteruwheid die bekomen kan worden met honen. Toch moeten bij de keuze van het proces er telkens volgende factoren worden afgewogen:
de kostprijs (is een extra machine nodig of niet?)
de gewenste residuele spanningssoort
de geometrie.

Shotpeenen
Wat de residuele spanningen betreft, is de grootte van de drukspanning gelijk aan deze voor gladwalsen, maar de diepte is beperkt (tot 60 µm onder het oppervlak). Scheuren die zich vormen op 100 µm onder het oppervlak kunnen dus nog gaan propageren naar het oppervlak toe.
Casestudie: Punch Powertrain
Voor Punch Powertrain werd een project uitgevoerd, waarbij schijven voor continu variabele transmissiesystemen werden gladgewalst en waarbij er een vergelijking werd gemaakt op kostprijs ten opzichte van slijpen.
Het product betreft een schijf voor een CVT-systeem (Continu Variabele Transmissie). Als eindbewerking wordt het conisch gedeelte geslepen. Dit deelproces is momenteel erg duur en het bedrijf wilde weten of het technisch haalbaar en economisch interessant is om het slijpen te vervangen door gladwalsen.

Conclusie bij het project is dat voor de productie van 5.000 stuks er weinig verschil in kostprijs is tussen de twee deelprocessen. Wel zien we een merkbaar verschil in de procestijd: het gladwalsen is bijna twee keer sneller dan het slijpen, waardoor de totale productietijd danig verkort. Daarbij dient men rekening te houden met andere kostenfactoren, zoals het afvalmateriaal dat geproduceerd wordt bij slijpen, maar niet bij gladwalsen. Ten slotte mogen we niet vergeten dat de residuele spanningen die ontstaan bij gladwalsen positiever zijn dan deze bij slijpen.

Vier parameters hebben bij het gladwalsen een invloed op de uiteindelijk haalbare oppervlakteruwheid van het product. Door middel van een reeks DOE (Design of Experiments) tabellen werden de invloeden van deze parameters in kaart gebracht. Zeer veralgemeend kunnen onderstaande conclusies gesteld worden:

druk van de kogel op het werkstukoppervlak (max. 400 bar)
De druk van de kogel heeft een zeer grote invloed op de resulterende Ra waarde: hoe groter de druk wordt ingesteld, hoe kleiner de bekomen Ra waarde.

voeding van de kogel (mm/omw)
De voeding van de kogel heeft een kleinere invloed dan die van de druk maar er is een duidelijk verband zichtbaar: hoe kleiner de voeding, hoe kleiner de bekomen Ra waarde.

rolsnelheid van de kogel = omtreksnelheid werkstuk (m/min)
De rolsnelheid van de kogel heeft zo goed als geen invloed op de resulterende Ra waarde.

hardheid van het werkstukmateriaal (HRC)
De hardheid van het werkstukmateriaal heeft een grote invloed: hoe kleiner de hardheid, hoe kleiner de Ra waarde.

Verder heeft het gladwalsen als bijkomend voordeel het ontstaan van drukspanningen in het bewerkte oppervlak. Deze drukspanningen werken het ontstaan van microscheurtjes tegen en verlengen zo de levensduur van het product.

In bijlage een syntheserapport

• drukspanning
• finishen
• gehard
• gladwalsen
• oppervlakteruwheid
• ruwheid