Kiedy należy poddać regeneracji elementy i podzespoły maszyn w zakresie procesu honowania przemysłowego

Urządzenia mechaniczne mogą sprawnie działać tylko dzięki dobrej współpracy wszystkich elementów, z których są zbudowane. Poszczególne części muszą więc być wykonane w sposób przewidziany przez konstruktora i pracować zgodnie z przyjętymi założeniami. Wszelkie pojawiające się odchylenia, które wykraczają poza ustalony margines błędu, nieuchronnie prowadzą do zmniejszenia żywotności urządzenia, pogorszenia efektowności jego funkcjonowania, a w niektórych przypadkach wręcz do uniemożliwienia dalszego jego wykorzystywania.

Najczęściej są również przyczyną różnego rodzaju awarii. Jest wiele rodzajów usterek, które mogą pojawić się przy eksploatacji maszyn oraz równie dużo czynników, które mogą je spowodować. Problemy mogą wywoływać np. zakłócenia osiowości w ustawieniu podzespołów względem siebie, pojawienie się luzu w połączeniach ruchomych, przeciążenie układu powodowane działaniem zbyt dużych sił lub różne czynniki zewnętrzne – zmiana temperatury, dostające się do mechanizmu zanieczyszczenia bądź nadmierne wibracje. W razie pojawienia się awarii wszystkie podejmowane działania powinny służyć przywróceniu stanu pierwotnego tj. wymiany lub naprawy elementów oraz odtworzenia ich charakterystyki w zakresie wymiarów, a także sposobu wykończenia. W zależności od rodzaju podzespołu i typu maszyny, w której on pracuje, końcowym elementem zastosowanej obróbki będzie właściwe przygotowanie jego powierzchni. Tam, gdzie wymagana jest duża dokładność i gładkość regenerowane elementy poddaje się często procesowi honowania przemysłowego. Przyjrzyjmy się bliżej czynnikom, które wpływają na powstawanie uszkodzeń w urządzeniach mechanicznych, przekonajmy się, w jaki sposób są one usuwane i zobaczmy, jaka jest rola honowania przemysłowego.

Przyczyny uszkodzeń urządzeń mechanicznych

Układy mechaniczne ulegają zużyciu w wyniku różnych procesów, które mogą być związane zarówno z naturalnym starzeniem się ich elementów, powodowanym zjawiskami występującymi wskutek typowych obciążeń, jak i zdarzeniami nadzwyczajnymi wywołanymi nagłym dużym przeciążeniem. Przyczyną skrócenia żywotności mogą być również wszelkiego rodzaju awarie oraz zaniedbania eksploatacyjne. Do najbardziej typowych czynników wpływających na pogarszanie się stanu części mechanicznych należy pojawianie się tarcia, procesy korozji związane z utlenianiem się metalu, zmęczenie materiału i zużycie adhezyjne.

Tarcie pojawia się tam, gdzie stykają się ze sobą dwie przemieszczające się względem siebie powierzchnie. Ponieważ każda z nich cechuje się pewną chropowatością, więc w bardzo dużym powiększeniu przypomina ułożone na dużym obszarze „górki” i „dołki”, to kontakt prowadzi zawsze do tego, że nierówności trafiając na siebie wzajemnie, stawiają opór, a ponadto ulegają częściowemu ścieraniu się. W wyniku tego procesu część energii kinetycznej ruchu jest zamieniana na energię cieplną oraz pracę potrzebną do systematycznego ścierania obu powierzchni. Występujące w takich przypadkach tarcie suche może być ograniczane za pomocą odpowiedniego smarowania, a zatem wprowadzenia między dwa elementy środka smarnego, który wypełni nierówności i odseparuje powierzchnie od siebie – w takiej sytuacji tarcie suche zostanie zastąpione tarciem mokrym, tj. takim, które zachodzi między cząsteczkami użytego oleju lub smaru. W normalnych warunkach pewne tarcie suche będzie jednak również występowało przynajmniej w niektórych momentach pracy maszyny, choć jego skala będzie znacznie mniejsza. Efektem tarcia są powstające rysy i bruzdy, a także obciążenia termiczne.

Innymi przykładami procesów wpływających na zużycie lub uszkodzenie elementów maszyny jest zachodzenie zjawiska korozji, a więc tworzenia się na powierzchni metalu tlenków. Korozja elementów maszyn prowadzi do powstania uszkodzeń w powierzchni – będą one m.in. wpływały na pojawianie się tarcia, także z uwagi na cierne działanie tworzących się tlenków, ale również wpłyną na osłabienie struktury materiału. W wyniku korozji może dochodzić do tworzenia się wżerów i stopniowego odspajania powierzchni, jeśli atomy tlenu np. wskutek dyfuzji docierają do obszarów położonych głębiej. Poważnym problemem może być także zużycie zmęczeniowe. Zachodzi ono wskutek długotrwałego działania zwykłych obciążeń statycznych i dynamicznych – udarów, nacisku czy masy konstrukcji. Ich przyczyną są na ogół drobne niedoskonałości struktury, które z czasem doprowadzają do powstawania mikropęknięć, które przekształcają się w wykruszenia, łuszczenie się lub pękanie.

Zużycie adhezyjne wiąże się z punktowym łączeniem się metalu wskutek podwyższonej emisji ciepła. Dotyczy ono wierzchołków chropowatości, które spajają się wskutek upłynnienia, tworząc jednolitą strukturę. Ponieważ jest ona dość silna – na ogół wysoka temperatura niweluje mikrouszkodzenia struktury metalu – dochodzi od odrywania się złączonych fragmentów w pewnej odległości od miejsca połączenia. Na ogół zrywane jest połączenie z obiema powierzchniami, a powstały fragment poważnie uszkadza dwie poruszające się powierzchnie. Na nieco podobnej zasadzie działa zużycie termiczne, w tym przypadku dochodzi do albo przegrzania, a tym samym obniżenia plastyczności materiału, który może teraz być odkształcony przy użyciu znacznie mniejszych czy też zwiększenia kruchości co z kolei oznacza podatność na pękanie w razie silniejszych udarów, albo do częściowego stopienia powierzchni i połączenia się ich ze sobą w ten sam sposób, co podczas obróbki termicznej lub przy spawaniu.

Sposoby naprawy uszkodzeń elementów mechanicznych i wykańczanie ich powierzchni

Naprawa powstałych uszkodzeń może być prowadzona na różne sposoby, w zależności od ich rodzaju. W przypadku pęknięć najczęściej stosuje się typowe spawanie np. w technologii TIG (Tungsten Inert Gas), gdzie materiał jest podgrzewany temperaturą wytwarzającego się łuku elektrycznego w osłonie gazu obojętnego, co eliminuje ryzyko powstawania tlenków. Pęknięcie może być zasklepione przez wprowadzenie roztopionego metalu z wykorzystywanego pręta spawalniczego, który łączy się z materiałem znajdującym się na pękniętych powierzchniach.

W sytuacji, gdy w grę wchodzi uzupełnienie materiału, który uległ nadmiernemu ukruszeniu lub starciu, stosuje się pokrewne spawaniu napawanie. W tym przypadku jednak wykorzystywana jest większa ilość materiału wprowadzanego „z zewnątrz”, który również łączy się z powierzchnią naprawianego elementu. Metodą spawania i napawania można naprawiać wiele części urządzeń – głowice i bloki silników, gniazda łożysk, wałki i wszelkiego rodzaju koła. Kluczowe znaczenie ma jednak odpowiedni dobór wprowadzanego stopu oraz właściwa obróbka powierzchni w celu przywrócenia pierwotnej geometrii np. frezowanie lub toczenie.

Jeśli uszkodzenia powierzchni nie są zbyt duże, często stosuje się też skrawanie powierzchni. Za pomocą toczenia w przypadku wałków i wytaczania, gdy w grę wchodzą otwory, można nieznacznie zwiększyć lub zmniejszyć ich wymiary a przy dostosowaniu elementów współpracujących nadal eksploatować. Z tej możliwości korzysta się zwykle w przypadku walców lub cylindrów, np. podczas regeneracji silnika.

W przypadku mechanizmów, które działają z bardzo dużą precyzją zarówno po skrawaniu w wyniku frezowania, jak i toczenia lub wytaczania powierzchnie elementów muszą być odpowiednio przygotowane. Wiele podzespołów jest montowanych z niewielkim luzem między współpracującymi elementami, w innych liczy się osiągnięcie bardzo niskiej chropowatości w celu maksymalnego ograniczenia powstającego tarcia. Jeśli chodzi o wymiary poszczególnych części, to ważna jest tzw. klasa tolerancji, nazywana też klasą dokładności. Określa ona możliwe odchyłki od założonego wymiaru elementu i może być na różnym poziomie w zależności od zastosowanej metody obróbki oraz konkretnego urządzenia. Wielkość tolerancji jest uwarunkowana także rozmiarem elementu – im jest on mniejszy, tym węższy będzie dopuszczalny zakres odchyłek. Równie duże znaczenie ma chropowatość powierzchni określana najczęściej przez współczynnik R_a, który pokazuje średnie rozbieżności między najwyższymi i najniższymi „górkami” i „dołkami” występującymi na powierzchni materiału. Sposobem na uzyskanie powierzchni, która będzie zarazem miała wysoką klasę dokładności i bardzo niską chropowatość, jest proces honowania.

W jaki sposób wykonywany jest proces honowania?

Honowanie jest rodzajem wygładzającej obróbki ściernej, pozwalającej na uzyskanie dokładności na poziomie przynajmniej klasy IT5, co oznacza tolerancję wymiarową od 4 μm dla wielkości elementu do 3 mm oraz 96 μm dla części o wielkości 2500–3250 mm, jak również chropowatości do R_a 0,04 μm i R_z 0,2 μm. Przy pomocy honowania wykonuje się obróbkę otworów – metoda ta jest używana m.in. do wygładzania wewnętrznych powierzchni cylindrów podczas regeneracji silników, ale także przygotowania gniazd do osadzania elementów przez pasowanie przy bardzo wysokiej dokładności montażu.

Honowanie jest wykonywanie przy użyciu tzw. honownicy, będącej głowicą, w której najczęściej na trzech lub czterech ramionach – choć istnieją również głowice do dużych średnic, które mają ich kilkadziesiąt – osadzone są osełki z nasypem ścierniwa o niezwykle wysokiej twardości, np. z syntetycznego diamentu. Honownica pracuje, wykonując ruch obrotowy, będący jej ruchem głównym, a także ruch posuwisto-zwrotny, może więc przemieszczać się także wzdłuż osi obrotu. Głowica może być dostosowywana do odpowiedniego zakresu średnic przez zmianę odległości osełek od osi obrotu. W czasie pracy głowice są dociskane do obrabianej powierzchni przez elementy sprężyste.

Przy pomocy honowania można usuwać niedoskonałości kształtu wewnętrznych ścianek obrabianego otworu. W ten sposób można usuwać stożkowatość, beczkowatość lub klepsydrowatość, a także radzić sobie ze skrzywieniami osi, brakiem osiowości oraz falistością. Gładzenie usuwa rysy obwodowe lub wzdłużne, a także może usunąć owalność. Za pomocą honownic można wykonywać zarówno typowe gładzenie, jak i uzyskiwać tzw. szlif krzyżowy, który pozwala na lepsze rozprowadzenie po powierzchni środków smarnych i jest niezbędnym elementem regeneracji tulei silników spalinowych, pozwalającym na ich prawidłowe wykończenie.

Liczba zastosowań honowania jest jednak znacznie większa. Jest ono wykorzystywane podczas napraw pomp hydraulicznych, rozdzielaczy, zaworów oraz cylindrów hydraulicznych. Honowaniu poddaje się rury używane w wyjątkowo precyzyjnej aparaturze chemicznej, a także elementy turbin. Z honownic korzysta się też m.in. przy produkcji wtryskiwaczy, korbowodów i korpusów turbosprężarek. Honowanie jest niejednokrotnie potrzebne przy szczególnie dokładnych formach wtryskowych lub odlewniczych czy przy wytwarzaniu luf.