Hiontasuunnan vaikutus kappaleen pintajäännösjännityksiin : Barkhausen- ja röntgendiffraktiotutkimus

Abstract

Hionta on koneenosien valmistuksessa usein viimeinen työvaihe. Sen avulla saavutetaan kappaleeseen vaadittu pinnanlaatu ja tarkat mittatoleranssit. Vaikka nykyaikaisilla lastuavilla työstömenetelmillä päästäänkin varsin tarkkoihin mittoihin ja hyvään pinnanlaatuun, on hionta edelleen kilpailukykyinen menetelmä silloin, kun toleransseille ja pinnanlaadulle asetetaan tiukat vaatimukset.

Hionnassa, kuten muissakin ainetta poistavissa työstömenetelmissä, kappaleen pintakerrokseen syntyy jäännösjännityksiä. Niiden syntyyn vaikuttavat pääasiassa kolme tekijää: lämpötilan nopea nousu kontaktialueella, mekaaninen rasitus, sekä vähäisemmässä määrin materiaalissa tapahtuvat faasimuutokset.

Tässä tutkimuksessa pyrittiin selvittämään, onko hiontasuunnalla vaikutusta kappaleen pintajäännösjännityksiin. Hiontasuunta voi olla joko myötä- tai vastasuuntainen, eli kappaleen pinta ja hiomalaikan kehä liikkuvat joko samaan tai vastakkaiseen suuntaan. Hiontasuunnalla on merkitystä, koska lastunmuodostus eroaa myötä- ja vastasuuntaisessa hionnassa.

Teräksestä valmistettuja, pintakarkaistuja ja esikoneistettuja lieriömäisiä kappaleita hiottiin muutaman kappaleen sarjoissa (pyöröhionta), ja kullekin sarjalle käytettiin keskenään identtisiä hiontaparametreja. Sen jälkeen kappaleiden pintajäännösjännityksiä tutkittiin Barkhausen kohina- ja röntgendiffraktiomittauksilla.

Mittauksista saadun datan perusteella hiontasuunnalla ei voitu osoittaa olevan merkittävää vaikutusta pintajäännösjännityksiin. On kuitenkin huomionarvoista, että hionnassa käytettiin melko maltillisia syöttöarvoja, jolloin kappaleeseen kohdistuvat voimat ja lämpövaikutukset olivat vähäisiä. Toisin sanoen hiontaprosessi oli erittäin stabiili. Aihetta olisi perusteltua tutkia lisää esimerkiksi säätämällä hionnan parametrejä tehokkaampaan aineenpoistoon, jolloin kappaleen pintakerros joutuisi suurempien kuormitusten alaiseksi.

Grinding is often the final stage in component manufacturing, used to achieve precise dimensional tolerances and surface roughness. While similar results can be obtained using lathes and machining centers, grinding remains a competitive method due to its accuracy and efficiency.

Residual surface stresses are generated during grinding, primarily due to localized temperature increases, mechanical abrasion causing plastic deformation, and, to a lesser extent, phase transformation-induced volume changes.

This study aimed to investigate whether the direction of grinding influences the surface residual stresses of the workpiece. The grinding direction may affect chip formation depending on the relative rotation of the grinding wheel and the workpiece.

The test materials consisted of 20 pre-machined, cylindrical, case-hardened steel samples. These were ground using consistent parameters, with variations in infeed speed and rotation direction to create different test sets. Residual stresses were measured at the University of Tampere using Barkhausen noise analysis and X-ray diffraction.

The results did not conclusively demonstrate an effect of grinding direction on surface residual stresses. However, the moderate infeed speed used may have limited the observable differences. Further research is recommended, particularly with more aggressive grinding parameters.