Главная > Разное > Резьбовые и фланцевые соединения
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

7.2. Режимы накатывания

Стадии и схемы накатывания. Накатывание — технологический процесс формирования резьбы на заготовке путем ее упругопластического деформирования специальным инструментом (роликами, плашками и т. п.). В зависимости от механических характеристик материалов заготовки и инструментов, а также энергетических возможностей оборудования накатывание можно проводить при нормальной или повышенной температуре, в условиях сверхпластичности и т. д. Как разновидность обработки металлов давлением накатывание резьбы характеризуется определенной зависимостью во времени перемещения материала заготовки (или радиальным внедрением витков-выступов инструмента в тело заготовки) под действием внешних сил. Таким образом, основными параметрами накатывания служат радиальное упругопластическое или остаточное перемещение витков инструмента в теле заготовки (или соответствующая ему радиальная нагрузка на заготовку при накатывании) и продолжительность процесса. Первый параметр является физическим, второй — технологическим.

На рис. 7.1, а в качестве примера показана типичная осциллограмма накатывания резьбы на заготовке из титанового сплава полученная на профиленакатном станке типа (радиальная нагрузка при накатывании Кривая 1, описывающая перемещение во времени подвижного ролика, отчетливо свидетельствует о наличии двух взаимосвязанных стадий процесса накатывания резьбы—выдавливания и калибрования.

Выдавливание (участок происходит за счет перераспределения элементарных объемов металла заготовки, вытесняемого витками-выступами инструмента при качении или вращении заготовки. Степень деформации поверхностных слоев заготовки в некоторый момент времени зависит от глубины внедрения витков инструмента в

Рис. 7.1. Кривые изменения радиального перемещения подвижного резьбонакатного ролика (1), усилия накатывания (2), вращающего момента на ролике (3) и температуры в зоне контакта инструмента с заготовкой при накатывании (4)

Рис. 7.2. Профили резьбы в процессе накатывания с малой и большой радиальной подачей; а

заготовку, характеризуемой скоростью радиального движения подачи инструмента Часто скорость внедрения инструмента в заготовку оценивают радиальной подачей — радиальным перемещением инструмента (его витков) на один оборот заготовки число оборотов заготовки)

Величины связаны соотношением

где угловая и окружная скорость заготовки при вращении определяется скоростью инструмента); скорость качения заготовки по неподвижному инструменту.

Экспериментально установлено, что при накатывании резьбы с небольшой радиальной подачей на вершинах ее витков образуются канавки (рис. 7.2, а), которые постепенно исчезают или «закатываются» с образованием радиальных складок. При накатывании с большей радиальной подачей деформация распространяется на всю толщину витка, вызывая равномерный подъем металла каждого обжатого участка (рис. 7.2, б). Подъем металла при этом пропорционален радиальной нагрузке на заготовку и, как следствие, глубине внедрения витков инструментов в тело заготовки. Выдавливание заканчивается после реализации установленного (наперед заданного) радиального внедрения (перемещения) витков инструмента в тело заготовки или достижения установленного значения радиальной нагрузки на заготовку (сила накатывания).

Рис. 7.3. Схемы накатывания резьбы: 1 - инструмент (ролик); 2 - резьба

При дальнейшем движении (вращении или качении) заготовки происходит калибрование полученной резьбы (участок на кривой 1, см. рис. 7.1) при незначительном радиальном внедрении инструментов в тело заготовки.

Продолжительность рабочего процесса накатывания, определяемая длительностью циклов выдавливания и калибрования,

может устанавливаться изготовителем с помощью реле времени, соответствующим профилированием инструментов или другими способами (в полный цикл накатывания входит также продолжительность «холостых» ходов инструмента).

Существенно, что продолжительность выдавливания определяется конструктивными (например, высотой профиля резьбы) и физическими (упругопластическими характеристиками материала заготовки, скоростью деформации) параметрами.

С другой стороны, длительность калибрования влияя на точность параметров резьбы, устанавливается изготовителем в известной мере произвольно. Значение тк можно изменять вплоть до полного устранения калибрования (см. рис. 7.1, б) настройкой реле времени, регулированием радиальной подачи при фиксированном профилированием инструментов и другими приемами.

Анализ деформаций резьбового участка стержня показывает, что в результате накатывания резьбы его волокна получают остаточные деформации в радиальном, окружном и осевом направлениях. При этом переменные в радиальном направлении деформации волокон стержня в пределах его контакта с инструментом в значительной мере зависят от конечных условий формирования резьбы. Здесь возможны два случая (две схемы деформирования): 1) вершины витков накатываемой резьбы не достигают впадин витков инструмента, т. е. накатывание завершается в незаполненном контуре инструмента (рис. 7.3, а); 2) накатываемая часть заготовки обжимается инструментом (контактирует) по всей поверхности, в результате чего накатывание резьбы завершается в заполненном контуре (рис. 7.3, б).

Степень заполнения контура инструмента определяется отношением конечной глубины упругопластического внедрения

Рис. 7.4. Зависимость относительного радиального перемещения подвижного ролика от продолжительности накатывания резьбы на заготовках из сплава : а и частота вращения ролика сила накатывания

инструмента в тело заготовки к радиальной высоте инструмента:

При недостаточном значении (малой силе накатывания выдавливание завершается в незаполненном контуре последующее калибрование, проявляющееся на осциллограмме отчетливо, происходит при незначительном радиальном перемещении витков инструмента. Эту особенность деформирования наглядно иллюстрирует зависимость относительного радиального перемещения подвижного ролика от продолжительности накатывания (рис. 7.4), построенная на основе осциллограмм. Значение за счет упругих деформаций деталей станка и инструментов. Наклон кривых зависит от силы накатывания что обусловлено особенностями гидросистемы станка, в котором радиальная подача ролика возрастает с увеличением (рис. 7.4, а).

Зависимость при различной частоте вращения роликов, показанная на рис. имеет аналогичный характер.

Результаты измерений также свидетельствуют о том, что в начале выдавливания, по мере внедрения инструмента в заготовку и увеличения радиальной нагрузки на заготовку, происходят уменьшение фактического внутреннего и увеличение наружного диаметра резьбы Зависимость относительного фактического диаметра номинальный наружный диаметр резьбы) от продолжительности процесса и силы

Рис. 7.5. Зависимость относительного наружного диаметра резьбы на заготовках из сплава от продолжительности и силы накатывания? а

накатывания показана на рис. 7.5. При некотором значении (назовем его предельным) внедрение инструмента в тело заготовки и вершины витков заготовки достигают впадин витков, т. е. происходит заполнение контура инструмента и фактический наружный диаметр резьбы становится наибольшим Предельная сила накатывания зависит от механических характеристик материала заготовки радиальной подачи, а также размеров заготовки и инструмента.

Если выдавливание завершается при предельной силе, то последующее калибрование происходит при практически неизменном наружном диаметре резьбы (рис. 7.5, а).

При и силе, превышающей предельную, диаметр резьбы уменьшается пропорционально радиальной подаче вследствие интенсивной осевой вытяжки волокон металла.

Зависимость относительного диаметра от нагрузки на ролик показана на рис. 7.5, б. Аналогичный характер имеет зависимость отношения от длительности процесса при разных скоростях радиального движения подачи на холостом ходу. Видно, что при меньшей радиальной подаче для полного заполнения контура необходимо увеличить длительность процесса накатывания. Отметим, что предельная сила накатывания при снижении скорости радиального движения подачи и увеличении частоты вращения инструмента уменьшается.

Характер осевой деформации волокон металла также зависит от условий формирования резьбы. Очевидно, что наружные волокна удлиняются при любых параметрах режима накатывания и длина резьбы всегда больше подрезьбовой части стержня. Однако внутренние волокна металла стержня резьбы могут укорачиваться Характер деформирования осевой зоны стержня, как и витков резьбы, определяется скоростью сближения инструментов (скоростью радиального движения подачи При невысоких значениях большая часть поверхностных слоев металла

Рис. 7.6. (см. скан) Деформирование резьбовой части болта при накатывании


успевает переместиться в осевом направлении, вызывая удлинение осевой зоны стержня резьбы (рис. 7.6, а). При увеличении скорости радиальной подачи в зоне, расположенной на расстоянии более двух-трех витков от торца резьбы, течение металла в осевом направлении практически полностью отсутствует. Площадь

поперечного сечения болта в этой зоне, несмотря на сближение инструментов, остается неизменной. В результате смещения металла в тангенциальном направлении профиль резьбы становится эллипсовидным, что приводит к осевой утяжке металла и, как следствие, приобретению торцами заготовки кратерообразной формы (рис. 7.6, б). И если процесс сближения роликов продолжить, то происходит разрушение металла по оси заготовки (рис. 7.6, в).

Для исключения накатывания резьбы в заполненном контуре и предотвращения раздавливания заготовки при больших усилиях используют упор, который ограничивает максимальное перемещение подвижного ролика и воспринимает излишнюю нагрузку. Настройка упора на заданное перемещение подвижного ролика проводится на станках всех типов в процессе наладки. Максимальное перемещение подвижного ролика в этом случае определяется положением упора (с точностью до упругого смещения упора под нагрузкой) и лишь частично зависит от силы накатывания. Накатывание можно проводить с любой силой, при которой подвижный ролик доходит до упора и обеспечивает получение сравнительно полного профиля резьбы (без заполнения контура инструмента).

Основная технологическая особенность накатывания резьбы на упоре заключается в том, что параметры режима накатывания не влияют на внутренний и средний диаметры резьбы (с точностью до перемещения упора под нагрузкой), а наружный диаметр резьбы зависит от диаметра заготовки. Кроме того, неконтролируемая на практике радиальная нагрузка на подвижный ролик оказывается, как правило, существенно ниже контролируемого усилия в гидроцилиндре станка. Поэтому рекомендации по выбору силы накатывания, содержащиеся в различных нормативных документах, носят условный характер.

Точность резьбы. Точность основных размеров и формы резьбовой части болтов и шпилек также зависит от условий формирования резьбы. При формировании резьбы без упора отклонение от номинальных значений основных диаметров резьбы зависит не только от средних значений диаметра заготовки и механических характеристик, но и (в значительной мере) от параметров режима накатывания. На рис. 7.7 в качестве примера показана зависимость относительного среднего диаметра резьбы номинальное и фактическое значения) от продолжительности процесса, полученная В. Г. Петриковым. По характеру эти кривые аналогичны кривым на рис. 7.5. Поля, характеризующие разброс размеров, заштрихованы. Значения отношения получены при накатывании в заполненном контуре. Аналогичный характер имеют зависимости отношения от частоты вращения (окружной скорости) инструментов, скорости радиальной подачи и силы, накатывания. Основное влияние на разброс размеров резьбы оказывают колебания диаметра заготовки и

Рис. 7.7. Зависимость относительного среднего диаметра резьбы от продолжительности накатывания при различных режимах а болты из сплава ; б - болты из стали в — болты из стали

давления в гидросистеме (в профиленакатных станках гидравлической Подачей инструментов).

Разброс диаметров резьбы уменьшается при накатывании на упоре, который с высокой степенью точности (до ограничивает значения максимального радиального перемещения роликов и, как следствие, максимальное значение силы накатывания. Если нагрузка на подвижный ролик больше необходимой силы накатывания, то благодаря упору заготовка воспримет лишь требуемую часть.

Поскольку наибольшее перемещение ролика ограничено упором, внутренний и средний диаметры резьбы оказываются практически независимыми от диаметра заготовки. Наружный диаметр резьбы и, как следствие, степень заполнения контура в значительной мере зависят от отклонения значений диаметра заготовки под накатывание.

Важными характеристиками отклонения формы резьбовых деталей являются овальность и конусообразность. Овальность сечения оценивают отношением а конусообразность отношением где максимальный и минимальный средние диаметры резьбы в одном поперечном сечении; средние диаметры резьбы в сечениях на расстоянии между ними.

Анализ результатов исследований, проведенный В. Г. Петриковым [20], показал, что: 1) овальность и конусообразность резьбы при накатывании без упора увеличиваются при нарастании

Рис. 7.8. Зависимости овальности (а) и конусообразности (б) резьбы от продолжительности накатывания

радиальной подачи роликов и практически не зависят от нее при накатывании на упоре; 2) при накатывании в заполненном контуре овальность и конусообразность резьбы значительно выше, чем при накатывании в незаполненном контуре.

Поскольку калибрование резьбы уменьшает ее овальность и конусообразность (рис. 7.8), при накатывании резьбы с большой радиальной подачей необходимо предусматривать ее калибрование в течение частота вращения заготовки).

Для получения точной резьбы (при прочих равных условиях) ее следует накатывать на упоре станка, исключающем заполнение контура инструментов, причем продолжительность накатывания должна обеспечивать калибрование резьбы в течение тк.

Физико-механические свойства поверхностных слоев резьбы. Влияние условий и режимов накатывания на микротвердость поверхностных слоев резьбы исследовал В. Г. Петриков [20]. Микротвердость измеряли на продольных шлифах в сечении плоскостью, проходящей через ось стержня, в окрестностях третьего и четвертого витков от торца болта на приборе (вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды с нагрузкой 0,5 Н). Первое вдавливание проводили на расстоянии 0,02 ... 0,03 мм от поверхности резьбы. Для исключения влияния технологии изготовления шлифа на степень наклепа металла образец разрезали и предварительно шлифовали вручную при небольших подачах и обильном охлаждении с последующим электролитическим полированием поверхности.

Анализ результатов показывает (рис. 7.9), что наибольшую микротвердость имеют зоны стесненного деформирования во впадинах резьбы, наименьшую — зоны свободного течения металла (например, в витках резьбы и вблизи оси стержня).

При накатывании в условиях незаполненного контура с малой радиальной подачей наклеп, локализованный в поверхностных слоях на небольшой глубине (рис. 7.9, а), характеризуется высокой неоднородностью в пределах витка. С увеличением радиальной

Рис. 7.9. Схемы распределения микротвердости по продольному сечению резьбы Мб (болт из сплава ВТ16)

подачи возрастает глубин а проникновения деформации, повышается твердость металла в витке и сердцевине стержня резьбы. Увеличение частоты вращения роликов и продолжительности накатывания за счет калибрования резьбы вызывает дополнительный наклеп поверхностных слоев металла.

Таким образом, процесс накатывания резьбы с незаполненным контуром инструментов подобен процессу упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием.

При накатывании резьбы в условиях заполненного контура инструменты надавливают на вершины витков резьбы, в результате чего в этих зонах повышается твердость. При малых диаметрах резьб наклеп проникает до оси (рис. 7.9, б). При этом наблюдается отчетливое выравнивание степени наклепа по всему объему резьбового стержня. Металл с высокой микротвердостью вследствие осевого течения под виток смещается тем значительнее, чем больше в радиальном направлении сближаются ролики.

С увеличением радиальной подачи также увеличивается степень наклепа сердцевины стержня резьбы и уменьшается градиент наклепа (от поверхности впадины в радиальном направлении).

Уменьшение радиальной подачи повышает степень наклепа поверхностей витка и впадины резьбы и увеличивает градиент наклепа в радиальном и осевом направлениях, т. е. процесс накатывания резьбы в заполненном контуре подобен процессу поперечной прокатки.

Остаточные напряжения в резьбе. Возникновение остаточных напряжений в резьбе исследовали С. И. Иванов и другие ученые [11]. Они использовали механический метод, основанный на последовательном удалении слоев напряженной части металлического тела, измерении возникающих при этом перемещений образцов или детали и определении по ним значения и знака напряжений по сечению исследуемого тела.

Рис. 7.10. Кривые изменения остаточных напряжений в поверхностных слоях резьбы

Так как наиболее вероятными очагами зарождения трещин являются впадины витков резьбы, послойному травлению подвергались лишь поверхностные слои этих зон образцов (стержней и колец, вырезанных из резьбовой части болта), а остальные части поверхностей витков изолировались с помощью лака.

При этом полагали, что остаточные напряжения во впадинах резьбы приблизительно одинаковы из-за близких и подобных условий формирования впадин.

Связь перемещений волокон образцов в процессе травления и остаточных напряжений в них устанавливали на основании метода колец и полос, описанного в работах И. А. Биргера [5].

Остаточные напряжения определяли по образцам с последующей статистической обработкой. Образцы вырезали из болтов с резьбой изготовленных из титанового сплава Резьба на болтах накатывалась на станке при на упоре с усилием в гидроцилиндре при частоте вращения роликов в течение 1,2 с. Сначала на всех образцах резьба накатывалась в условиях незаполненного контура. Затем на части образцов проводили повторное накатывание резьбы в условиях заполненного контура (ролики сближали на

На рис. 7.10 показаны кривые изменения осевых и окружных напряжений во впадинах резьбы. Сплошные линии соответствуют накатыванию с заполненным контуром роликов, штриховые — накатыванию с незаполненным контуром; а — толщина стравленного слоя. Видно, что осевые напряжения сжатия в резьбе болтов в последнем случае в 1,6 раза выше. Эти напряжения способствуют существенному повышению прочности соединений с резьбой, полученной в условиях незаполненного контура.

Согласно результатам экспериментальных исследований, наибольшее влияние на осевые напряжения на впадинах оказывает длительность калибрования, при котором, как и при шлифовании, осевые напряжения сжатия переходят в напряжения растяжения, способствуя снижению пределов выносливости.

Прочность соединений. Прочность резьбовых соединений, как и точность основных размеров резьбы, зависит от степени заполнения контура инструментов и режима накатывания.

Предел прочности соединений определяется прочностью заготовки и степенью наклепа после накатывания. В связи с этим

Рис. 7.11. Зависимости предела выносливости соединений от силы и продолжительности (б) накатывания при различной степени заполнения контура инструмента к

по мере заполнения контура роликов и последующего их радиального перемещения возрастает на по сравнению с пределом прочности материала заготовки. Повышение прочности происходит за счет образования объемного напряженного состояния в резьбе (как в концентраторе напряжений) и вследствие деформационного упрочнения материала в процессе накатывания.

При накатывании в условиях незаполненного контура изменение режимов обработки больше влияет на физико-механические свойства поверхностных слоев металла, чем на деформационное упрочнение стержня, поэтому лишь значительное увеличение радиальной подачи приводит к заметному повышению предела прочности резьбовых соединений.

При накатывании в условиях заполненного контура по мере внедрения роликов в заготовку увеличиваются степень и глубина наклепа и, как следствие, предел прочности резьбовых соединений.

Предел выносливости в большей степени, чем предел прочности, определяется физико-механическими свойствами поверхностных слоев резьбы, поэтому на прочность соединений при переменном нагружении условия формирования резьбы оказывают решающее влияние.

В случае накатывания с незаполненным контуром по мере увеличения силы накатывания долговечность и предел выносливости соединений (при несколько возрастает к моменту заполнения контура (рис. 7.11). При накатывании в заполненном контуре происходит раскатка материала заготовки с интенсивной осевой вытяжкой поверхностных пластически деформированных слоев, приводящая к резкому снижению сопротивления усталости. Это подтверждается и результатами исследований физико-механических свойств накатанной резьбы.

Отметим, что подобная зависимость предела выносливости от радиальной нагрузки на ролики сохраняется и при изменении

параметров режима накатывания (радиальной подачи, частоты вращения инструментов и т. п.). При одинаковых параметрах режима накатывания большей степени заполйения контура соответствует большее значение накатывание в условиях заполненного контура приводит к снижению предела выносливости соединений.

Так как предельная сила, соответствующая началу заполнения контура (при прочих равных условиях), зависит от скорости радиального движения подачи ролика и частоты вращения заготовки (окружной скорости инструментов), то и предел выносливости оказывается зависимым от этих параметров.

С увеличением скорости радиального движения подачи сокращается длительность заполнения контура, увеличивается эллипсообразность профиля резьбы, которая при больших радиальных подачах может привести к локальному заполнению контура и, как следствие, к снижению предела выносливости. Увеличение продолжительности накатывания резьбы приводит в этом случае к осевой вытяжке металла и еще большему снижению значения

При повышении частоты вращения роликов уменьшается продолжительность процесса заполнения контура инструментов, т. е. при неизменных длительности и силе накатывания с увеличением частоты вращения инструментов увеличивается глубина внедрения роликов в тело заготовки. Поэтому влияние частоты вращения роликов на параметры процесса аналогично влиянию длительности процесса (рис. 7.11, б).

Для комплексной оценки влияния частоты вращения заготовки и длительности процесса введем условное число циклов деформирования металла при накатывании

где множитель 2 учитывает, что в течение одного оборота каждая точка заготовки дважды касается роликов (т. е. подвижного и неподвижного).

Результаты исследований В. Г. Петрикова показали, что при одинаковой степени заполнения контура инструментов и пределы выносливости резьбовых соединений практически одинаковы.

Так как упор ограничивает максимальное перемещение подвижного ролика при силе накатывания, превышающей предельную, и существенно уменьшает отклонения размеров резьбы, с его помощью можно исключить накатывание резьбы в заполненном контуре и обеспечить высокое сопротивление усталости резьбовых соединений независимо от колебаний параметров режима накатывания, например, из-за нарушений работы гидросистемы или реле времени.

При накатывании с заполненным контуром прочность соединений зависит от длительности процесса. При малой его

Таблица 7.2. Значения для резьбовых соединений в зависимости от степени заполнения контура витков резьбонакатных роликов

продолжительности и большой радиальной подаче профиль резьбы становится эллипсообразным, а заполнение контура носит локальный характер. По мере увеличения продолжительности накатывания происходит раскатка стержня, сопровождаемая осевой вытяжкой, и наблюдается резкое снижение предела выносливости соединений (кривая 1 на рис. 7.11), связанное с заполнением контура по всему периметру резьбы.

При накатывании с незаполненным контуром по мере увеличения продолжительности накатывания возрастает и снижается резьбовых соединений (кривая 2 на рис. 7.11) вследствие уменьшения осевых остаточных напряжений сжатия. Если в процессе калибрования происходит (хотя и небольшое) внедрение инструментов в тело заготовки, то при заполнении контура предел выносливости резьбовых соединений уменьшается в большей степени.

Столь же существенное влияние степени заполнения контура инструментов на предел выносливости резьбовых соединений характерно и для других материалов (табл. 7.2).

На основании анализа результатов экспериментальных исследований механики процесса накатывания и прочности соединений можно рекомендовать следующие контролируемые параметры режима накатывания резьбы: максимальное сближение инструментов от начала касания заготовки с инструментами радиальная подача более продолжительность калибрования смазочный материал — эмульсия.

Продолжительность процесса накатывания можно указать лишь для сведения.

В заключение отметим, что резьбу сверхвысокопрочных болтов накатывают с подогревом заготовок (с целью повышения износостойкости инструмента), хотя при этом несколько снижается сопротивление соединений усталости.

Отметим также, что бесцентровое шлифование заготовок под накатывание не снижает (по сравнению с точением) предела выносливости соединений.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление