Упрочнение резьб инструментом фирмы ECOROLL AG

1 Марта 2013

В этой статье речь пойдет о технологии упрочняющего накатывания наружных и внутренних резьб, на примере инструмента фирмы Ecoroll AG.

1. Применение

Радиус впадины является наиболее нагруженной частью профиля резьбы. Именно в этом месте чаще всего появляются трещины или разрушается резьба из-за усталости материала. Для повышения износостойкости резьб применяется метод упрочняющего накатывания, который подходит для обработки как цилиндрических, так и конических резьб.

2. Процесс упрочняющего накатывания

Упрочняющее накатывание - процесс пластического деформирования поверхностного слоя материала, который увеличивает усталостную прочность и снижает вероятность ранней поломки высоконагруженных деталей. В основе процесса лежат три физических эффекта:

• возникновение остаточных сжимающих напряжений;
• увеличение прочности (твердости);
• выглаживание поверхности.

Необходимый результат достигается за один проход инструмента, благодаря чему время обработки невелико. На рисунке 1. показаны остаточные сжимающие напряжения после дробеструйной обработки (shot peened) и упрочняющего накатывания (deep rolling). Следует отметить, что сжимающие напряжения благоприятно сказываются на износостойкости детали.

После завершения процедуры упрочняющего накатывания невозможно измерить качество упрочнения неразрушающим методом. Поэтому очень важен контроль основных характеристик процесса, которые были заданы ранее, при проектировании и отработке технологии.

Основные параметры упрочняющего накатывания:

• Усилие накатывания. Инструмент фирмы Ecoroll AG для контроля усилия имеет встроенный индикатор часового типа.
• Геометрия. Обеспечивается формой накатного ролика.
• Частота вращения заготовки и подача.

Наиболее важным параметром является усилие накатывания. Фирма Ecoroll AG считает целесообразным использовать теоретические рекомендации (см. таблицу «Технические характеристики»), Однако, следует учесть, что предсказать величину роста усталостной прочности невозможно, поэтому для определения оптимальных рабочих параметров необходимо провести обработку 2-3 тестовых деталей и подвергнуть их испытаниям на долговечность.

На рисунке 2 показано распределение напряжений в детали типа «болт» с центральным отверстием. Как видно, в неупрочненной завинченной детали распространены неблагоприятные растягивающие напряжения, максимум которых находится на поверхности резьбы. В упрочненной завинченной детали на поверхности находятся сжимающие напряжения, что благоприятно сказывается на износостойкости детали при динамических и циклических нагрузках, изгибах и скручивании резьбы.

Сжимающие напряжения возникают при деформировании материала под давлением накатного ролика, который изготовлен таким образом, чтобы усилие накатывания концентрировалось в области радиуса впадины резьбы.

Следует учесть, что при упрочняющем накатывании изменяется профиль резьбы (см. рисунок 3.1, 3.2):

• опускается впадина резьбы;
• из-за перетекания материала над областью упрочнения появляются вздутия;
• происходит перемещение стенок резьбы;
• увеличивается наружный диаметр (для наружных резьб).

Указанные изменения приемлемы для конических резьб, используемых в нефтяной отрасли. Они зафиксированы во всемирно распространенных Технических условиях API №7. Цилиндрические резьбы могут быть упрочнены тем же способом, но для их работы необходим зазор между свинчиваемыми поверхностями. Если деформация резьбы сокращает зазор до величины меньше допустимой, то необходимо восстановить зазор. Существует два способа решения этой проблемы:

• Предварительное точение резьбы в меньший (для валов) или больший (для отверстий) диаметр.
• Доработка резьбы: удаление вздутий и уменьшение наружного диаметра до номинала. Если при доработке не затрагивалась упрочненная область, результаты упрочнения не пострадают.

3. Инструмент для упрочняющего накатывания резьб

В программе поставок фирмы Ecoroll AG присутствует инструмент для обработки наружных и внутренних резьб.

Инструмент для упрочняющего накатывания наружных резьб EF90.

Этот инструмент (см. рисунок 4) состоит из хвостовика (1), набора пружин (2), индикатора (3), накатной головки (4), ролика (7) и его держателя (5). Ролик может перемещаться в осевом направлении на величину +0,25 мм для компенсации ошибки позиционирования. Для каждого типа резьбы требуется отдельный ролик.

         

Инструмент для упрочняющего накатывания наружных резьб FAK025.

Конструкция инструмента FAK025 аналогична EF90 (см. рисунок 5).

Инструмент может применяться на станках с ЧПУ. Максимальное усилие накатывания - 20 кН. Упрочняющему накатыванию могут подвергаться материалы с пределом прочности до 1400 Н/мм² или пределом текучести до 1400 Н/мм². Максимальная скорость обработки 20 м/мин.

Инструмент имеет 3 варианта исполнения: в зависимости от шага резьбы применяются 3 типоразмера ролика (см. таблицу 1). Для достижения наилучшего результата ролик изготавливается с максимальным допуском радиуса +0,1 мм.

При работе инструмента усилие создается за счет радиального перемещения револьверной головки станка и передается на корпус инструмента. Величина перемещения определяет величину изгиба пружин и, соответственно, величину усилия накатывания. Инструмент при вводе в резьбу не должен быть нагружен. Радиальное перемещение включается только когда инструмент полностью войдет в контакт с первым витком резьбы, и оно должно быть осуществлено за пол-оборота. Рекомендуется изготавливать резьбу с увеличенными на 2 витка заходом и сбегом (в начале и конце резьбы) для входа и выхода инструмента. После упрочняющего накатывания эти участки могут быть срезаны токарным резцом (см. рисунок 6). Обратите внимание на то, что расстояние от оси ролика до ближайшего торца должно составлять не менее 16 мм.

   

Примечание: максимальная длина резьбы определяется максимально допустимым прогибом детали, который, в свою очередь, зависит от свойств материала, диаметра и шага резьбы, способа зажима детали и ее конфигурации. Для деталей, у которых отношение длины к диаметру более трех, все указанные выше параметры требуют уточнения.

Егор Панченко
Журнал «Стружка», декабрь 2005 г.