Технология накатывания резьбы на метизах и деталях машин

Гашков И.В. PEE-WEE GmbH
Мельничук О.А. «Инженерно-технологический центр «Технополис»
Доклад на Всероссийской конференции метизников

Высокие темпы развития мирового и российского машиностроения непрерывно связаны с внедрением в производство новых прогрессивных методов обработки металлов. Одним из путей развития прогрессивной технологии машиностроения является переход на обработку металлов давлением в холодном состоянии вместо обработки резанием. Применение этого метода обработки приводит к значительному повышению производительности труда, повышению точности, улучшению механических свойств и чистоты поверхности обрабатываемых деталей и создает предпосылки для комплексной автоматизации.
Почти все современные машины и двигатели включают в себя ответственные резьбовые и шлицевые детали, условия работы которых требуют обеспечения высокой точности и повышения механических свойств резьбы и шлицев. В качестве примера можно назвать силовые шпильки и анкерные связи дизель-моторов, крупные шпильки паровых, газовых и гидравлических турбин, шлицевые валы автомобилей и так далее, которые изготавливаются в больших количествах из высоколегированных термически обработанных сталей. Образование резьбы на таких деталях резанием довольно сложно, трудоемко и не обеспечивает необходимых физико-механических свойств. Поэтому более эффективной является обработка резьбы и шлицев по методу холодной пластической деформации – накатыванием.

Особенности процесса накатывания винтовых профилей

Процесс накатывания винтовых поверхностей представляет собой одну из разновидностей процессов поперечной накатки. Рассмотрим наиболее распространенный процесс накатывания резьбы роликами, при котором из цилиндрических заготовок образуются детали с винтовым профилем. Заготовку, обработанную под накатывание, устанавливают между двумя или тремя вращающимися в одном направлении инструментами, имеющими негативный профиль по отношению к профилю готовой детали. Один из инструментов (роликов) подается в радиальном направлении. Таким образом, процесс накатывания поверхностей можно рассматривать как сочетание вдавливания в заготовку профиленакатных инструментов и прокатки, возникающей при вращении заготовки.

Основными особенностями происходящей при накатке пластической деформации являются:
1) возможность значительных деформаций без разрушений деформируемого металла (в том числе коррозионностойких, жаропрочных и других специальных сталей и сплавов);
2) существенное упрочнение поверхностных слоев в процессе деформации и связанное с этим повышение нагрузочной способности накатанных деталей.

Многие эксплуатационные свойства деталей машин в значительной степени обусловливаются геометрическими характеристиками микрорельефа и физико-механическим состоянием поверхностного слоя рабочих поверхностей деталей. При накатывании вследствие скольжения на контакте образуется поверхность, обладающая оптимальной шероховатостью, повышенной твердостью (наклепом), однородной микроструктурой и оптимальной текстурой прилегающих к поверхности слоев материала.

Прочность накатанного винтового профиля при статических нагрузках выше прочности профиля, обработанного резанием, примерно на 10% при испытании на растяжении и на 20–35% при испытании витков на срез.

Для высоконагруженных резьбовых деталей местом наибольшей концентрации напряжений являются впадины профиля. Поэтому для повышения усталостной прочности необходимо стремиться к минимальному параметру шероховатости поверхности таких участков; в этом отношении накатанный профиль обладает преимуществами перед нарезанным профилем.

Изменение физико-механических свойств поверхностного слоя металла в процессе накатывания профиля оказывает еще большее влияние на усталостную прочность деталей. Образующийся наклеп поверхностного слоя и текстура металла в значительной степени повышают циклическую прочность деталей. Этому способствуют также остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое металла.

Для сравнения прочности при симметричном усталостном изгибе нарезанных и накатанных витков были испытаны образцы Трап 36 х 6, изготовленные из стали 45, в результате испытаний получены усталостные кривые с пределами выносливости 115 Мпа у нарезанного и 377 Мпа у накатанного профиля. Таким образом, предел выносливости накатанного профиля в три раза выше, чем у нарезанного профиля. Прочность накатанного винтового профиля при усталостном знакопеременном растяжении также в 3,5 раза выше, чем у обработанного резанием профиля.

Еще большее повышение усталостной прочности наблюдается у деталей, изготовленных из легированных сталей с высоким пределом прочности при растяжении, профиль на которых накатан после термической обработки свыше 39 HRC. В этом случае усталостная прочность резьбовых соединений повышается в несколько раз. Особое значение это приобретает, например, при изготовлении крепежа и резьбовых соединений для авиационной промышленности. Всем понятно, к каким катастрофическим последствиям может привести разрушение резьбового соединения или выход из строя детали самолета. Поэтому при изготовлении болтов, винтов и т.д. для авиационной промышленности из соображений безопасности запрещено нарезание резьбы, а применяется только способ накатки.

Из приведенных данных следует, что накатывание винтовых поверхностей улучшает физико-механические свойства металла заготовки и в большинстве случаев устраняет необходимость последующей термообработки; кроме того, для накатанных деталей вместо высоколегированных сталей можно применять более дешевые углеродистые и малоуглеродистые стали. Это тоже подтверждает целесообразность широкого применения способа накатывания вместо обработки резанием.

Оборудование для накатывания резьбы на метизах и деталях машин

Двухроликовые профиленакатные станки

Накатывание двумя или тремя приводными цилиндрическими роликами нашло широкое применение на машиностроительных заводах при изготовлении резьбы и других профилей повышенной точности. Преимущества способа: универсальность процесса, широкий диапазон диаметров накатываемой резьбы (2–200 мм) и шагов (0,35–16 мм), отсутствие ограничения длины накатываемой резьбы (до 2000 мм и больше), высокий предел прочности обрабатываемых заготовок – до 1500 МПа, высокая точность накатанной резьбы (поле допуска 4h и выше); относительная простота конструкции оборудования.

Используемые для этого способа профиленакатные (резьбонакатные) полуавтоматы являются универсальными машинами. Они предназначены для холодного накатывания точной метрической, трапецеидальной и других типов резьбы; червяков; профилей на ходовых винтах; рифлений; мелкомодульных косозубых колес, а также для правки и калибровки цилиндрических и сферических тел. Процесс накатывания профиля на цилиндрических поверхностях заготовок выполняется обкатыванием профиля, нанесенного на цилиндрических роликах по поверхности заготовок, при принудительном вращении обоих роликов и радиальном перемещении одного ролика под действием усилия, развиваемого гидроприводом подач.

Заготовка, установленная между роликами на ножевую опору или в центрах специального устройства, будет вращаться в результате действия сил трения, возникающих при соприкосновении роликов с заготовкой и возрастающих по мере внедрения профиля роликов в заготовку и образования на ней профиля, негативного профилю на роликах.

В настоящее время серийно изготавливаются станки с давлением накатки от 5 до 60 т. В зависимости от модификации станок может быть оборудован ЧПУ, вместо электродвигателей и трансмиссий применяются серводвигатели, все команды задаются с пульта управления, а результаты настройки станка вводятся в память и могут быть впоследствии отображены на дисплее. Точность и надежность станков позволяют применять их для накатки всех типов резьбы (в том числе конической резьбы), червяков, мелкомодульных косозубых колес, ниппелей, цапф, а также для обкатки клапанов. Станки легко оснащаются автоматическими механизмами загрузки и выгрузки деталей, что позволяет широко применить их в автоматических комплексах и линиях для изготовления массовых деталей. При использовании автоматической загрузки станок накатывает до 1200 деталей в час.

Новой разработкой является встроенная в станки система контроля качества накатанной детали. Так как станки имеют точность повторения движения подвижной бабки в пределах 0,01 мм, то причиной брака может служить только ошибка в диаметре детали под накатку. Система контроля измеряет перемещение подвижной бабки, и если деталь имеет диаметр больше или меньше заданного, то соответственно изменяется и ход подвижной бабки. Сигнал поступает на пульт управления, загорается красная лампочка, и в зависимости от конструкции станка деталь вручную или автоматически сбрасывается в бункер брака.

Резьбонакатные головки

Накатывание неприводным цилиндрическим инструментом осуществляется с помощью резьбонакатных головок и державок, устанавливаемых на суппортах универсального оборудования. Использование резьбонакатных головок и устройств расширяет область применения накатывания и обеспечивает получение этим способом точной резьбы на универсальных металлорежущих станках: токарных, токарно-револьверных, одно- и многошпиндельных автоматах. Применение головок и устройств позволяет получать окончательно обработанные детали, удовлетворяющие необходимым требованиям по соосности, биению и стабильности размеров резьбы, не выделяя изготовление резьбы в самостоятельную операцию.

Современные резьбонакатные головки можно разделить на три основные группы:

1) с продольной подачей тремя роликами с кольцевой нарезкой;
2) с тангенциальной подачей двумя роликами с винтовой нарезкой;
3) с радиальной подачей двумя или тремя затылованными роликами.

Наряду с положительными свойствами резьбонакатных головок, такими как обеспечение снижения машинного времени в 5–7 раз по сравнению с нарезанием круглыми плашками, можно сказать, что эта технология не предназначена для крупносерийного производства.

Накатывание плоскими плашками

Накатывание плоскими плашками нашло широкое применение на метизных заводах при изготовлении крепежных деталей обычной точности. Точность накатываемой резьбы – не выше шестой степени по ГОСТ 16093-81. Этот способ имеет следующие преимущества: сравнительно высокую производительность, простоту конструкции оборудования и достаточно высокую надежность его работы, простоту конструкции и изготовления инструмента. Недостатки, ограничивающие применение этого способа: узкий диапазон диаметров накатываемой резьбы (1,5 – 33 мм), предел шагов 0,35–3 мм; ограничение длины накатываемой резьбы шириной плашек до 100 мм и предел прочности накатываемых заготовок до 900 МПа. Этим способом трудно получать резьбы на деталях повышенной твердости. Применение плашек специальной конструкции позволяет накатывать за один проход резьбы на самонарезающихся винтах и шурупах.

Накатывание инструментом ролик-сегмент

На резьбонакатных автоматах с инструментом ролик-сегмент заготовка прокатывается между вогнутой частью неподвижного резьбового сегмента и непрерывно вращающимся резьбонакатным роликом. Заготовки, поступающие из бункера, периодически подаются звездочкой так, что в зоне накатывания находится одновременно несколько заготовок, параллельно проходящих все этапы формирования резьбы.

Предел прочности обрабатываемых заготовок до 1400 МПа, точность накатанной резьбы – поле допуска 6g, 8g. Факторы, ограничивающие применение способа: узкий диапазон обрабатываемых деталей (диаметры от 1,6 до 16 мм), длина накатываемой резьбы до 80 мм, шаг резьбы до 2 мм, сложность конструкции и технологии изготовления резьбовых сегментов, сложность конструкции оборудования – планетарных автоматов.

Конструкция инструмента для профиленакатных станков

Накатывание методом радиальной подачи применяется при изготовлении резьбы и других профильных элементов на деталях с длиной резьбы, ограниченной шириной роликов.

Диапазоны накатываемой резьбы: диаметр до 200 мм, шаг резьбы до 16 мм, длина резьбы до 250 мм. Резьбонакатные ролики являются прецизионным инструментом, который должен отвечать высоким требованиям в отношении точности, качества рабочих поверхностей и сопротивления износу.

Ролики изготавливаются методом резьбошлифования на предварительно закаленной заготовке с твердостью 60–62 HRC. Они могут быть многократно перешлифованы по внешнему диаметру, что значительно сокращает расходы на инструмент.

Разработанная в последние годы система изготовления инструмента PSS позволила в значительной мере сократить время на наладку станка, так как при смене роликов не требуется настройка станка по витку. Это же дало возможность использовать комплект из четырех роликов для одновременной накатки двусторонней резьбы на шпильке.

Ролики для накатки «на проход»

Накатывание методом осевой подачи применяется при обработке длинной резьбы (свыше 250 мм), которая не может быть получена методом осевой подачи. Применяемые при этом методе ролики имеют угол подъема винтовой линии, отличающийся (в большую или меньшую сторону) от угла подъема винтовой линии накатываемой резьбы, Поэтому заготовка в процессе накатывания получает перемещение вдоль своей оси. Скорость осевого перемещения заготовки зависит от конструкции роликов, их диаметра, а также частоты вращения роликов. Диапазон резьбы, накатываемой методом осевой подачи: диаметр до 200 мм, шаг резьбы до 16 мм, длина резьбы 2000 мм и выше. Область применения накатывания с осевой подачей – все детали с длиной резьбы выше 200 мм. Примером являются резьбовые шпильки с метрическим и трапецеидальным профилем, ходовые винты металлорежущих станков, ходовые винты затворов и кранов в арматурной промышленности.

В зависимости от конструкции резьбонакатного станка изготавливается и инструмент. Оптимальными для накатки «на проход» являются станки с наклонными шпинделями. Это позволяет использовать ролики с кольцевой нарезкой. Преимуществом этой конструкции является возможность одним комплектом роликов заданного шага накатывать правую и левую, однозаходную и многозаходную резьбу на детали различных диаметров. Таким образом, резьбы Трап 32 х 6 правая и Трап 36 х 6 левая вы можете накатывать одним комплектом инструмента.

Новейшей разработкой фирмы «PEE–WEE» (Германия) является высокоскоростной резьбонакатной станок P 24 Highspeed, предназначенный для накатки резьбовых шпилек диаметром от 4 до 30 мм. Специально сконструированная трансмиссия, принудительно смазываемые выносные подшипники позволили достичь частоты вращения шпинделя 600 об/мин. При использовании специальных роликов это дало возможность накатывать, например, резьбу М 12 на скорости до 28 м/мин. Полностью автоматизированное устройство загрузки заготовки и отвода готовой детали позволяет свести до минимума эти затраты времени.

Стойкость резьбонакатного инструмента

На стойкость комплекта инструмента влияет ряд факторов, зависящих от характеристик обрабатываемых заготовок (марки стали, механических свойств, микроструктуры), накатного инструмента (конструкции, марки инструментального материала, механических свойств, режима термической обработки), состояния накатного оборудования и условий эксплуатации (режимов накатывания и охлаждения СОЖ).

Причины выхода из строя накатного инструмента следующие: изнашивание по вершинам витков, выкрашивание витков рабочей части, выкрашивание торцовых фасок инструмента.

Одним из важных мероприятий, уменьшающих вероятность выкрашивания торцовых кромок инструмента, является нанесение фаски на резьбовую часть заготовки. В зависимости от твердости материала наносится фаска с углом 15° – 20°. В результате этого уменьшается действие осевой силы на последний виток резьбы ролика в процессе пластической деформации. Если при накатке конструкционных сталей этой операцией можно пренебречь, то при накатке материалов с пределом прочности более 800 МПа без фаски происходит выкрашивание профиля спустя короткое время.

Для накатки резьбы с классом прочности 12.9, а также деталей из титановых и жаропрочных сталей на никелевой основе применяются ролики из быстрорежущих и специальных сплавов. Титановые и никелевые сплавы часто используются в авиационной промышленности и трудно поддаются деформации. Традиционно используемые ролики с накатанной резьбой не дают достаточной стойкости и при накатке некоторых жаропрочных сталей выкрашиваются спустя 100 деталей. Использование специальных твердосплавных материалов позволяет накатывать материалы с пределом прочности до 1500 МПа с достаточной стойкостью.

Использование твердосплавных роликов целесообразно также во всех областях промышленности, где применяются материалы с пределом прочности более 1000 МПа. Так, например, при накатке резьбы М 24 х 1,5 болта подвески колеса грузовика с классом прочности 12.9 стойкость достигает 15 тыс. штук одним комплектом до перешлифовки.