Добрянський С.С.

НТУ України «Київський політехнічний інститут», Україна

ПОЛІПШЕННЯ ЯКОСТІ НАРІЗУВАНИХ РІЗЬБ ОБКАТУВАННЯМ ГОЛОВКАМИ

Отримання якісних різьбових поверхонь представляє достатньо трудне технологічне завдання, що викликало появу ряду різних способів різьбо формування. Спільною для них є проблема високої точності і низької шорсткості гвинтових поверхонь при достатній продуктивності процесу. Ці питання набувають особливого значення при виготовленні різьб 4-го ступеня точності і посадок з натягом, які широко застосовуються у сучасних двигунах та силових установках для з’єднання високонавантажених деталей, які сприймають великі динамічні та теплові навантаження. Надійність тугої посадки повинна забезпечуватись натягом по середньому діаметру d₂, а його постійність – підвищеною точністю і низькою шорсткістю спряжуваних поверхонь. При шорсткості поверхонь 4-5-го класу (R_z 40-12,5 мкм) висота мікронерівностей стає співрозмірною з допусками на d₂ виготовлення тугих різьб, що при згвинчуванні, внаслідок зминання мікронерівностей, приводить до порушення заданої конструкторської посадки і зниження надійності різьбового з’єднання. Труднощі виготовлення високоякісних різьб підвищуються зі зростанням кроку різьби, тобто зі збільшенням перерізу зрізуваної стружки, що приводить до різкого погіршення процесу різьбоформування, зниження якості різьб та стійкості інструмента.

Для виготовлення зовнішніх різьб на універсальних металорізальних верстатах та верстатах з ЧПК широко застосовують різьбонарізні головки типу К і КА з круглими гребінками та різьбонакатні головки типу ВНГН, які працюють з осьовою подачею.

Нарізування різьб діаметрами 20-30 мм з кроком 1,5-3 мм на сталі 45 головками КА при умовах, близьких до оптимальних, забезпечує отримання різьб 4h ступеня точності і посадок з натягом з шорсткістю поверхонь R_a 5…2,5 мкм. При цьому допуск на розміри діаметра вихідної заготовки d_з може знаходитись в межах 11-12-го квалітету точності.

При накатуванні аналогічних різьб головками ВНГН-4 можна отримати різьби 6h ступеня точності з шорсткістю поверхонь R_a 0,32…0,08 мкм, але поле розсіювання 6Sd₂ накатаних різьб в 1,4-2,3 разу перевищує поле розсіювання діаметрів вихідних заготовок. Теоретично установлено [1], що для отримання різьб 4h ступеня точності необхідно підготовити заготовки з діаметром h7-h8 квалітету для різьб з кроком 1-1,5 мм і h8-h9 – для кроку 2-3 мм. Якщо врахувати нежорстку конструкцію головок типу ВНГН і допуски на її налагодження, то у кращому випадку можна накатувати різьби 6h ступеня точності при підготовці d_з за h8-h9 квалітетом, що підвищує трудомісткість процесу внаслідок точної обробки діаметра заготовки. Крім того, при вкатуванні головки в заготовку на витки забірного конуса роликів діють великі згинальні зусилля, що часто приводить до їх викришування. Великі сили при накатуванні різьб і низька жорсткість головок ВНГН приводять до швидкої втрати налагоджуваного розміру різьби, низької стійкості головок. Вартість різьбонакатних головок типу ВНГН значно перевищує вартість різьбонарізних головок типу КА.

Для отримання високоточних різьб з низькою шорсткістю поверхонь рекомендується їх нарізування головками типу КА або К з наступним обкатуванням головками типу ВНГН, що дозволить забезпечити високу точність різьб при нарізуванні головками КА і низьку шорсткість поверхонь внаслідок обкатування головками ВНГН.

Обкатування різьб можна виконувати за трьома схемами [1].

а) Обкатування різьб тільки зі зминанням мікронерівностей, тобто без значної пластичної деформації поверхневих шарів металу самих витків. При цьому попередньо нарізають різьби повного профілю, а їх середній діаметр визначають за формулою

.

б) Обкатування з пластичною деформацією припуску на бокових сторонах витків. При цьому необхідно нарізувати різьби неповного профілю щоб забезпечити вільне переміщення деформованого металу в зону вершин, тобто необхідно зменшити зовнішній діаметр різьби.

Середній діаметр попередньо нарізаної різьби

,

де d₂ – необхідний середній діаметр різьби після обкатування; Δd₂ – припуск на d₂ під обкатування

,

де та α – параметри попередньо нарізаної різьби; та α – параметри різьби після її обкатування [2]; при цьому ; ΔR_z – величина мікронерівностей бокових сторін витків у площині, перпендикулярній до осі обкатуваної різьби, .

в) Обкатування роликами з кутом профілю при вершині 60⁰ різьб, які нарізані гребінками з кутом при вершині більшим 60⁰ (90-120⁰). Цей спосіб обкатування має деякі переваги та недоліки у порівнянні з схемами «а» та «б», але потребує виготовлення спеціальних гребінок, що суттєво підвищує вартість виготовлення різьб [1].

На рисунку показані результати дослідження процесів нарізування та обкатування різьб за схемами «а» та «б». Нарізування та обкатування різьб виконувалось при рясному охолодженні рідиною на масляній основі.

а) б)

Рис. Вплив способу різьбоформування на крутні моменти М_кр (а) та поле розсіювання 6 S_d2, мкм середніх діаметрів різьб (б):

1-обкатування різьб тільки зі зминанням мікронерівностей; 2-обкатування різьб з видавлюванням об’єму припуску в зону вершин; 3-нарізування різьб неповного профілю під наступне обкатування; 4-нарізування різьб повного профілю; 5-накатування різьб головками ВНГН-4; 6-нарізування і обкатування різьб в автоматичному режимі з нежорстким притисканням інструменту до виробу.

На основі проведених дослідів установлені значення крутних моментів і точності різьб, отриманих за допомогою певного способу різьбоформування.

Різьбонарізні головки типу КА при умовах, близьких до оптимальних, дозволяють на сталях 35, 45, 40Х стабільно отримувати різьби 4-го ступеня точності і посадок з натягом. При цьому поле розсіювання середніх діаметрів різьб неповного профілю, приблизно, в 1,8-2,0 рази менше, ніж при нарізуванні різьб повного профілю. При нарізуванні різьб неповного профілю стійкість гребінок збільшилась у 1,9…2,5 рази, а крутні моменти зменшились, приблизно, у 1,5 разу. Шорсткість поверхонь нарізаних різьб як повного, так і неповного профілю відповідала R_a 5…2,5 мкм.

Обкатування різьб тільки зі зминанням мікронерівностей (схема «а») не погіршує точності попередньо нарізаних різьб, а шорсткість поверхонь зменшується, приблизно, на два класи. При цьому крутні моменти у 5…9 разів менші ніж при накатуванні, що значно збільшує строк служби роликів і головок. За цією схемою обкатування можна отримувати різьби 4-го ступеня точності і посадок з натягом з шорсткістю R_a 1,25…0,32 мкм.

Обкатування різьб за схемою «б», з переміщенням припуску на бокових сторонах витків Δd₂ = 0,15…0,20 мм в зону вершин, приводить до збільшення поля розсіювання 6Sd₂ попередньо нарізаних різьб в 1,3-1,4 разу. При цьому крутні моменти в три рази менші, ніж при накатуванні тих же різьб. Шорсткість поверхонь знижується на 3-4 класи і відповідає R_a 0,32…0,16 мкм.

Проведені досліди показали, що різьби обкатані як за схемою «а», так і за схемою «б» відповідають вимогам 4-го ступеня точності, а шорсткість різьб, обкатаних за схемою «б», приблизно, на 1-2 класи нижча, ніж обкатаних за схемою «а».

Не рекомендується обкатувати різьби роликами закритого профілю, коли виникають крутні моменти у 5-10 разів більші, ніж при обкатуванні роликами відкритого профілю, що може привести до руйнування головки.

Література

1. Добрянский С.С., Артамонов Д.О. Нарізування, накатування і обкатування різьб головками. Вестник национального технического университета Украины «Киевский политехнический інститут». Машиностроение. № 55. – К.: НТУУ «КПИ».- 2009.

2. КоротковВ.П., Кустарев Б.Г., Хныкина А.В. Взаимозаменяемость резьбовых спряжений. М. Машиностроение, 1968. – 215 с.