Накатывание — процесс обработки металлов и других материалов поверхностным пластическим деформированием при помощи накатывающего инструмента (ролики, зубчатые накатники, плашки) с соответствующим резьбовым или иным профилем.
Накатывание как метод пластического деформирования металла существует более 150 лет. На первом оборудовании, предназначенном для холодного накатывания наружной резьбы на болтах для крепления железнодорожных шпал, применялись плоские плашки.
Теоретически резьбы и профили могут быть накатаны на любом пластически деформируемом материале. Однако стабильность процесса накатывания, выполнение требований, предъявляемых к качеству, точности и прочности накатываемых изделий, обеспечение экономически целесообразной стойкости инструмента, надежности и производительности оборудования определяют необходимые требования к свойствам материала заготовки.
Возрастающие требования к точности изготовления резьбовых профилей связаны с необходимостью улучшения функциональной надежности резьбовых соединений, с расширяющейся автоматизацией сборочных производств, где используются резьбовые детали.
Прогнозирование и классификация возникающих дефектов при накатывании резьбы — один из основных элементов современной технологии производства крепежных изделий, позволяющих обеспечить необходимое качество.
При накатывании резьбы цилиндрическая заготовка наружным диаметром, примерно равным среднему диаметру резьбы, вращается между рабочими поверхностями инструмента, имеющими заданный профиль. Резьбовые гребни накатного инструмента внедряются в поверхность заготовки и образуют на ней впадины, а вытесненный металл перемещается в радиальном направлении, образуя на заготовке гребни резьбы.
При накатывании резьбы в процессе пластической деформации изменяются физико-механические свойства поверхностного слоя металла. Образуется наклеп, повышающий твердость и прочность, появляются остаточные сжимающие напряжения с благоприятным распределением по сечению детали, видоизменяется форма и ориентация кристаллов (волокнистая текстура), протекает процесс образования карбидов, блокирующих дислокационные сдвиги и другие изменения. В результате этих превращений увеличивается сопротивление поверхностного слоя пластической деформации и разрушению, значительно повышается усталостная прочность деталей.
В процессе накатывания происходит непрерывное относительное проскальзывание металла заготовки относительно рабочей поверхности инструмента. По этой причине резьбы, полученные методом пластической деформации, имеют более высокий класс шероховатости поверхности профиля, чем шероховатость профиля резьбы, полученного методом шлифования.
Для получения резьбового профиля на крепежных деталях применяется разнообразный резьбообразующий инструмент: резьбонакатные плоские плашки, ролик-ролик и ролик-сегмент. Конструкции резьбообразующего инструмента также разнообразны и зависят от типа, а также производителя инструмента.
В плоских плашках используется, как правило, три рабочие зоны: заборная зона, обеспечивающая захват заготовки и предварительное профилирование; калибрующая зона, обеспечивающая получение окончательных геометрических размеров резьбы; зона сброса, позволяющая без залипания освободить заготовку из резьбообразующего инструмента.
В резьбонакатных роликах и ролик-сегментах может отсутствовать строгое разделение на рабочие зоны.
Накатывание резьбы сопровождается формоизменением поверхностного слоя заготовки, в результате чего на первом этапе получается овальное сечение; на втором этапе формирования резьбы, происходящей в калибрующей части инструмента, она приобретает форму окружности.
При использовании в качестве инструмента ролик-ролика или ролик-сегмента овальность устраняют на конечном участке резьбообразующей поверхности.
Режимы накатывания и степень заполнения контура оказывают решающее влияние на образование внутренних и поверхностных дефектов накатываемой резьбы.
Поверхностные дефекты, неизбежно сопутствующие на практике при накатывании резьбы, связаны с механикой этого процесса. Известно, что при накатывании резьбы может происходить шелушение, выкрашивание, отслаивание, растрескивание, вырывы поверхностных слоев металла или могут образовываться поверхностные дефекты, называемые закатами, складками, наслоениями, заусенцами и т.п., которые в зависимости от места расположения и глубины залегания способны влиять на статическую и циклическую прочность резьбового соединения.
Условия формирования профиля резьбы являются одной из основных причин образования поверхностных дефектов, связанных с механикой процесса накатывания. Профиль резьбы образуется, как правило, путем многократного и последовательного копирования профиля инструмента (подвижной и неподвижной плашек, роликов, ролика и сегмента).
Выдавливание профиля происходит за счет перераспределения элементарных объемов металла заготовки, вытесняемого рабочими витками резьбообразующего инструмента. При этом поверхность выдавливаемой резьбы соприкасается с рабочей поверхностью одной, а через каждые пол-оборота другой частью инструмента.
Можно предположить, что в процессе выдавливания пути прохождения рабочих витков инструментов по поверхности накатываемой резьбы либо совпадают (симметричная деформация), либо не совпадают (асимметричная деформация).
Симметричная деформация может привести к образованию дефекта в вершине полного профиля резьбы. Если в каждом цикле деформации тела заготовки вершина профиля инструмента смещается по новому пути на величину а, то возникновение дефектов возможно в любом месте профиля резьбы.
В реальном процессе накатывания резьбы нарушение симметрии деформирования металла может происходить в следующих случаях:
— вследствие неточной наладки резьбообразующего инструмента, то есть установки инструмента с неправильным смещением по шагу резьбы;
— из-за низкого качества изготовления резьбообразующего инструмента как по шагу резьбы, так и по форме профиля и углу наклона витков;
— в результате накатывания с полным заполнением профиля витков резьбообразующего инструмента;
— при недостаточной точности и жесткости конструкции резьбонакатного станка.
Неточная наладка станка, особенно установка резьбообразующего инструмента по торцевому биению и шагу, нарушает симметричность деформации металла из-за несовпадения путей прохождения витков инструментов. Это приводит к появлению наиболее массовых дефектов, называемых закатами, складками, наслоениями и т.п. Существенно, что режим накатывания лишь в большей или меньшей степени способствует их контрастному проявлению.
Практика показала, что резьбообразующий инструмент, который имеет погрешности по углу подъема рабочих витков или по шагу, независимо от степени заполнения контура инструмента, формирует поверхностные дефекты в виде различных складок.
Это объясняется тем, что на каждом цикле формирования профиля резьбы вершина витка одного резьбообразующего инструмента из пары смещается относительно другого.
В результате накатывания резьбы в заполненном контуре происходит течение поверхностных слоев металла в осевом направлении, что приводит к прерыванию волокон и появлению поверхностных дефектов типа наслоений в основании витков резьбы.
Эти дефекты имеют место и при устранении любых причин, которые вызывают асимметричное деформирование металла в процессе формирования профиля резьбы.
Таким образом, основными причинами образования поверхностных дефектов, связанных с механикой процесса накатывания, являются несовпадение путей прохождения рабочих витков инструментов по поверхности заготовки, нарушающее симметрию деформирования металла, и накатывание в заполненном контуре рабочих витков инструмента, что приводит к осевому смещению поверхностных слоев металла.
Перекатка и складки на боковых поверхностях профиля резьбы и по внутреннему диаметру резьбы возникают в большинстве случаев потому, что настройка резьбонакатного инструмента не обеспечивает одинаковой врезки частей инструмента в поверхность заготовки.
Этот дефект возникает как при использовании плоских плашек, так и при формировании резьбы с использованием роликов и ролик-сегментов.
Вследствие этого предварительно накатанный одной частью инструмента профиль резьбы подвергается боковому смещению другой частью инструмента.
В процессе накатки резьбы подобный дефект может постоянно повторяться, так как возникающая на боковых сторонах профиля резьбы перекатка распространяется спиралеобразно вплоть до радиуса основы.
Возникновение подобного дефекта связано со следующими причинами:
— неточная настройка резьбообразующего инструмента;
— различные углы наклона резьбы на применяемом резьбообразующем инструменте;
— большой люфт в суппортах крепления резьбообразующего инструмента;
— несоответствие диаметров работающих в паре резьбообразующих роликов.
Перекатка, иначе говоря образование складок на боковых сторонах и на основе профиля резьбы, снижает ее усталостную прочность. Вследствие этого дефекты подобного рода, возникающие на резьбовых соединениях, не могут быть пронормированы только полем допусков.
Одним из наиболее важных условий обеспечения качества при накатывании резьбы является правильный выбор режимов накатывания: усилия, скорости и величины подачи. Эти параметры в большей степени зависят от размеров накатываемой резьбы и механических свойств накатываемого материала.
Точность и качество накатываемой резьбы зависят от времени накатывания — от окружной скорости и радиальной скорости подачи инструмента.
Из опыта накатывания резьб круглыми роликами для сталей с временным сопротивлением разрыву Св < 60 кг/кв. мм составляет 20-25 м/мин, а для легированных сталей 10-12 м/мин.
При увеличенной скорости и величине подачи наблюдается шелушение и даже отслоение резьбы от тела детали при механических испытаниях.
Причины образования поверхностных дефектов, не связанных с механикой процесса пластической деформации при накатывании резьбы, целесообразно выделить в особую группу. Прежде всего это повреждения резьбы, образующиеся при внешнем воздействии в процессе изготовления.
Подобные дефекты образуются при выкрашивании вершин витков резьбообразующего инструмента. Мелкие выкрашивания заметно увеличивают шероховатость поверхности впадин накатанной резьбы, крупные образуют критические поверхностные дефекты.
Механические повреждения возможны при попадании в зону контакта заготовки и резьбообразующего инструмента различных твердых частиц (мелкая стружка, абразивы и др.), которые могут находиться в СОЖ или на поверхности заготовки или инструмента.
Царапины, забоины и другие дефекты, как правило, образовываются в результате соударения деталей при падении с большой скоростью в технологическую тару.
Следует обратить внимание и на поверхностные дефекты, присутствующие на заготовке: хотя и в несколько измененном виде (за счет деформирования металла в процессе накатывания), они неизбежно остаются на резьбе готового изделия.
При значительных дефектах на поверхности заготовки, таких как штамповочные трещины, волосовины, закаты и др., качественное изготовление резьбы может быть невозможным. Из вышесказанного можно сделать вывод, что основными факторами, оказывающими влияние на качество изделия при накатывании резьбы, являются:
1. Качество используемого материала;
2. Качество заготовки для накатывания резьбы;
3. Качество изготовления применяемого резьбообразующего инструмента;
4. Качество настройки резьбонакатного автомата и качество наладки резьбообразующего инструмента (квалификация работников);
5. Выбор оптимальных режимов накатывания резьбы, зависящих от параметров применяемого материала и качества изготовления заготовки;
6. Техническое состояние оборудования.