Способ накатывания резьб

 

Использование: в металлообработке для изготовления резьб пластическим деформированием. Сущность изобретения: при осуществлении способа обработки минимизируют возникающие при накатывании резьб с поперечной подачей самопроизвольные осевые относительные перемещения инструмента и заготовки. Это достигается за счет использования инструмента, диаметр которого устанавливают в соответствии с глубиной внедрения инструмента в материал заготовки, диаметром заготовки под накатывание резьбы, числом заходов резьбы инструмента и величиной упругой радиальной деформации инструмента при накатывании, согласно зависимости D_u = (d₃-f_b)K + 2W_y, где D_u - наружный диаметр резьбы инструмента, мм; f_b - глубина внедрения инструмента в материал заготовки, мм; d₃ - диаметр заготовки под накатывание резьбы, мм; K - число заходов резьбы инструмента; W_y - величина упругой радиальной деформации инструмента при накатывании, мм. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к металлообработке и может быть использовано для изготовления резьб пластическим деформированием.

Известен способ накатывания резьб инструмента накатывающими роликами с винтовой многозаходной резьбой при внедрении инструмента поперечной подачей в заготовку и взаимосвязанном их вращении; в способе обработки используют инструмент диаметром, соответствующим среднему диаметру накатываемой резьбы, числу заходов резьбы инструмента и припуску, предусмотренному на возможную сошлифовку инструмента по мере его износа, при этом диаметр инструмента определяют зависимостью D_cp kd_cp + ΔD_ср, где D_ср средний диаметр резьбы инструмента; k число заходов резьбы инструмента; d_ср средний диаметр накатываемой резьбы; ΔD_ср запас на изнашивание и сошлифовку инструмента (Δ= 0,017-0,018), принимаемый в зависимости от диаметра самого инструмента и диаметра накатываемой резьбы [1] Известен способ накатывания резьб при относительном движении инструмента, имеющего на рабочей части винтовую резьбовую поверхность, и заготовки в перпендикулярном ее оси направлении и во взаимосогласованном их вращении (обкатывании), в котором для накатывания резьб используют инструмент, диаметр которого устанавливают в соответствии со средним диаметром накатываемой резьбы и числом заходов резьбы инструмента, согласно зависимости D_cp kd_ср [2] Известен способ накатывания резьб путем относительного движения инструмента, имеющего на рабочей части винтовую резьбовую поверхность, и заготовки в перпендикулярном ее оси направлении и взаимосогласованного их вращения. Способ предусматривает определение диаметра используемого для накатывания инструмента в соответствии с диаметром заготовки под накатывание и числом заходов резьбы инструмента [3] В известных способах накатывания резьб не удается достигнуть улучшения качества резьбы изделия и повышения стойкости инструмента из-за возникающих существенных по величине, самопроизвольных осевых относительных перемещений инструмента и заготовки. Эти перемещения неизбежны при резьбонакатывании инструментами, имеющими на рабочей поверхности винтовую резьбу, и являются органическим недостатком известных способов резьбонакатывания, осуществляемых с поперечной подачей инструмента (заготовки). Самопроизвольные осевые относительные перемещения инструмента и заготовки являются следствием непостоянства в течение одного цикла обработки диаметров обкатки инструмента и заготовки, вызванного их взаимным сближением в результате рабочей подачи.

От возникающих осевых перемещений непосредственно зависят стабильность работы инструмента, качество резьбовых изделий, стойкость инструмента и нередко, если возможность осевых перемещений исключена (обработка накатыванием деталей в центрах, патроне станка и т.д.), осуществимость процесса в целом. Возможность минимизации осевых перемещений обуславливает улучшение качества резьбовых изделий и повышение стойкости инструмента.

Целью изобретения является улучшение качества резьбы изделия и повышение стойкости инструмента путем минимизации возникающих осевых относительных перемещений инструмента и заготовки.

Цель достигается тем, что способ накатывания резьб осуществляют при относительном движении инструмента, имеющего на рабочей части винтовую резьбовую поверхность, и заготовки в перпендикулярном ее оси направлении и во взаимосогласованном их вращении, причем отличием предлагаемого способа является то, что для накатывания резьб используют инструмент, диаметр которого устанавливают в соответствии с глубиной внедрения инструмента в материал заготовки, диаметром заготовки под накатывание резьбы, числом заходов резьбы инструмента и величиной упругой радиальной деформации инструмента при накатывании согласно зависимости D_и (d_з f_в)k + 2W_у, где D_и наружный диаметр резьбы инструмента, мм; f_в глубина внедрения инструмента в материал заготовки, мм; d_з диаметр заготовки под накатывание резьбы, мм; k число заходов резьбы инструмента; W_у величина упругой радиальной деформации инструмента при накатывании, мм.

Использование в способе накатывания резьб инструмента предлагаемого диаметра обеспечивает достижение минимально возможных самопроизвольных осевых относительных перемещений инструмента и заготовки, благодаря чему улучшается качество резьбы изделия и повышается стойкость инструмента.

На фиг.1 представлена принципиальная схема накатывания резьб предлагаемым способом; на фиг.2 циклограммы возникающих осевых относительных перемещений инструмента и заготовки в процессе обработки предлагаемым и известными способами накатывания резьб.

Для осуществления способа используют одно из известных технических средств: специализированный резьбонакатный станок, стан поперечно-винтовой прокатки, тангенциальную или радиальную резьбонакатную головку, устанавливаемую на универсальном станке или автомате и имеющую в качестве инструмента накатывающие ролики с винтовой многозаходной резьбой. Режимы накатывания устанавливают с учетом конкретных условий обработки, исходя из существующих нормативов.

Способ накатывания осуществляют совокупностью трех рабочих движений: вращением инструмента накатывающих роликов, вращением заготовки и относительным поперечным (радиальным, тангенциальным, радиально-тангенциальным) перемещением инструмента и заготовки. Заготовку, на поверхности которой необходимо получить резьбу, прокатывают между двумя или несколькими накатывающими роликами, имеющими резьбовую рабочую поверхность и выдавливающими в результате поперечного внедрения роликов резьбовой профиль на заготовке. Четвертый вид движения, возникающий самопроизвольно при осуществлении способа накатывания резьб и обусловленный непостоянством диаметров обкатки инструмента и заготовки, осевые их относительные перемещения, которые являются органическим недостатком любого известного процесса накатывания резьб роликами с винтовой резьбой и поперечной подачей инструмента (заготовки). В связи с тем что полное исключение возникающих осевых перемещений невозможно из-за органических особенностей процесса, возникает необходимость достижения минимально возможных их количественных значений.

Вращающийся инструмент диаметром D_и из исходного положения 1, в котором происходит начальный его контакт с вращающейся заготовкой диаметром d_з, непрерывно перемещают поперечной подачей S_п через промежуточное положение 2 в конечное положение 3. В промежуточном положении 2 обкатка профилей резьб происходит на некоторой глубине f₁ внедрения инструмента, при этом в деформировании участвуют боковые стороны l_б профиля резьбы и его вершина шириной e. В конечное положение 3 инструмент приводят продолжающимся перемещением на последующую глубину f₂, где прекращают поперечную подачу и осуществляют полную обкатку и калибрование профиля резьбы с шагом Р на полной глубине внедрения f_в инструмента в материал заготовки. Глубина f_в является фактической глубиной внедрения, которая меньше кинематически задаваемой движением подачи S_п, глубины f_к (на фиг.1 не показана) на величину упругой радиальной деформации W_у инструмента, возникающей в результате воздействия на него радиальных сил накатывания f_в f_к W_у. В результате внедрения инструмента в материал заготовки и движения взаимной обкатки на обрабатываемом изделии получают резьбу с наружным d_н, средним d_ср, внутренним d_в диаметрами и углом профиля α.

Проведенными теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что величину и характер самопроизвольных осевых относительных перемещений инструмента и заготовки определяет взаимозависимость основного конструктивного параметра инструмента диаметра накатывающего ролика со следующими параметрами процесса, заготовки и инструмента: глубиной внедрения f_в инструмента в материал заготовки, диаметром заготовки d_з под накатывание резьбы, числом заходов k резьбы инструмента (отношением хода резьбы инструмента Р_h1 к ходу резьбы изделия Р_h2), и величиной упругой радиальной деформации W_у инструмента при накатывании.

Возникающие осевые относительные перемещения инструмента и заготовки в известных способах накатывания резьб накапливаются на протяжении всего цикла обработки в одном из направлений. Оптимальным следует считать осуществление такого процесса, в котором эти перемещения минимизированы таким образом, что накапливаются до некоторой промежуточной стадии цикла обработки в одну сторону на такую минимальную величину, которая могла бы быть полностью компенсирована осевым перемещением, продолжающимся в обратном направлении до начального положения. Таким образом, процесс накатывания резьб осуществляется при минимально возможных осевых перемещениях, накапливаемых в одну сторону до некоторой промежуточной стадии цикла обработки, а затем меняющих знак на противоположный. В этом случае алгебраическая сумма осевых перемещений в положительную δР₁ и отрицательную δР₂ стороны равна нулю δР₁ + δР₂ 0 (перемещение в зависимости от знака при δР₁ и δ Р₂ происходит либо в направлении навинчивания (+), либо в направлении свинчивания (-) инструмента по резьбе изделия). С учетом изменяющихся в процессе накатывания диаметров обкатки инструмента и заготовки, а также возникающих упругих радиальных деформаций, влияющих на фактическую величину диаметра инструмента, осевые перемещения составляют в каждую из сторон δP₁= P-P δP₂= P-P где f₁ глубина внедрения инструмента в материал заготовки от начала процесса обработки до некоторой промежуточной стадии цикла, когда осевые перемещения меняют направление (знак); f₂ глубина внедрения инструмента в материал заготовки от стадии изменения направления (знака) осевых перемещений до окончания цикла накатывания.

При этом полное внедрение инструмента в материал заготовки при накатывании осуществляется на глубину f_в f₁ + f₂ и сопровождается упругой радиальной деформацией W_у инструмента, уменьшающей его диаметр на величину 2W_у. Отношение изменяющихся в процессе обработки диаметров взаимной обкатки инструмента и заготовки учтено в приведенных зависимостях отношением величин числителя и знаменателя.

Условие равенства нулю суммарных осевых перемещений δР₁ + δР₂ 0 с учетом изложенного выражается зависимостью P-P + P-P 0 откуда, принимая во внимание, что отношение хода резьбы инструмента P_h1 к ходу резьбы изделия P_h2 представляет собой число заходов k резьбы инструмента k P_h1/P_h2, а глубины внедрения f₁ и f₂ на разных этапах процесса, отличающихся направлением осевого перемещения, составляют общую глубину внедрения f_в инструмента f_в f₁ + f₂, имеем конечную зависимость, определяющую диаметр инструмента D_и (d_з f_в)k + 2W_у.

Зависимость, определяющая диаметр инструмента для использования в предлагаемом способе накатывания резьб, обеспечивает осуществление процесса обработки, при котором самопроизвольные и неизбежные осевые относительные перемещения инструмента и заготовки минимизированы: абсолютные величины осевых перемещений в положительную и отрицательную стороны равны между собой, а суммарные осевые перемещения равны нулю.

Многочисленные лабораторные эксперименты по практической реализации способа накатывания резьб на специализированных резьбонакатных станках, а также с помощью тангенциальных и радиальных резьбонакатных головок свидетельствуют о том, что оптимальные результаты по критерию обеспечения минимально возможных осевых относительных перемещений инструмента и заготовки обеспечивает использование в способе накатывания резьб инструмента, диаметр которого соответствует вышеприведенной зависимости. Незначительное изменение этого диаметра в пределах до 1% как в большую, так и в меньшую стороны, приводит к существенному увеличению возникающих осевых относительных перемещений инструмента и заготовки. Изменение диаметра инструмента в больших пределах ( ± 1 3%) приводит к ухудшению качества резьбы изделия по точности и шероховатости поверхности, к понижению стойкости инструмента, а при обработке заготовок в центрах к неосуществимости процесса.

Режимы обработки для осуществления способа накатывания резьб устанавливают, исходя из конкретных условий обработки, по существующей общемашиностроительной нормативной и справочной литературе.

П р и м е р. Накатывалась метрическая наружная однозаходная резьба М18 с шагом 1,5 мм по ГОСТ 9150-81, длиной L 20 мм, при использовании тангенциальной резьбонакатной головки, оснащенной двумя накатывающими роликами с винтовой двухзаходной резьбой. Резьбонакатная головка устанавливалась на поперечном суппорте шестишпиндельного горизонтального пруткового токарного автомата модели 1А240-6 в регулируемом плавающем держателе.

Обрабатываемые заготовки из углеродистой качественной стали 45 по ГОСТ 1050-74 имели следующие исходные физико-механические свойства: временное сопротивление при растяжении σ_в= 600 МПа; предел текучести физический σ_т= 365 МПа; относительное удлинение при разрыве σ 16% твердость по Бринеллю 195 НВ; шероховатость поверхности заготовки под накатывание Ra 2,5-1,6 мкм по ГОСТ 2789-73. Охлаждающе-смазывающая жидкость масло индустриальное 30. Материал накатывающих роликов сталь Х12Ф1 по ГОСТ 5950-73. Режимы накатывания: частота вращения шпинделей станка 704 мин^-1; величина подачи резьбонакатной головки S 0,2 мм/об; количество оборотов заготовки, совершаемых за период рабочего хода головки, 23,68 об. Накатывание осуществлялось открытым контуром профиля резьбы инструмента.

Диаметр инструмента для накатывания резьбы устанавливался; исходя из следующих определяемых параметров, которым согласно формуле изобретения он должен соответствовать.

Диаметр заготовки d_з под накатывание резьбы выбирался по ГОСТ 19256-73 "Стержни под накатывание метрической резьбы. Диаметры", в соответствии с требуемой точностью резьбы изделия: d_з 16,98 мм.

Глубина внедрения f_в инструмента в материал заготовки
f_в t₁ 0,5(d_ср d_з), мм, где t₁ высота головки профиля резьбы инструмента, для метрической резьбы t₁ 0,303Р.

Для резьбы М18х1,5 мм, следовательно, имеем
t₁ 0,303 ˙ 1,5 0,4545 мм
d_ср 17,026 мм по ГОСТ 9150-81,
f_в 0,4545 0,5(17,026-16,98) 0,4315 мм
Число заходов k резьбы инструмента выбиралось наибольшим, допускаемым для размещения в рабочем пространстве устройства для накатывания
k 2
Величина упругой радиальной деформации W_у инструмента как функция наибольшей при накатывании радиальной силы P_R определялась на основании известных методов теории упругости
W_у= ln мм, где P_R наибольшая радиальная сила, действующая на накатывающий ролик в процессе обработки, Н;
γ коэффициент Пуассона материала инструмента;
Е модуль продольной упругости материала инструмента, МПа;
L длина обрабатываемой резьбы, мм.

Величина наибольшей при накатывании радиальной силы P_R составила P_R 24321Н; коэффициент Пуассона материала инструмента стали Х12Ф1 γ= 0,3; модуль продольной упругости материала инструмента Е2,2 ˙ 10⁵ МПа. Величина упругой радиальной деформации W_у как функция наибольшей при накатывании радиальной силы P_R cоставила
W_у= ln 0,0103 мм.

Диаметр инструмента для использования при осуществлении способа накатывания резьб составил
D_и (16,98-0,4315) ˙ 2 + 2 ˙ 0,0103 33,1176 ≈ 33,12 мм.

Для получения сравнительных данных проводилось накатывание резьб известными способами обработки с использованием инструментов, диаметры которых рассчитывали по традиционным зависимостям D_ср1kd_ср согласно данным [2] D_cp2 kd_cp + ΔD_cp2 согласно данным [1] Эти зависимости дают значения диаметров инструмента, большие по величине, чем диаметр инструмента, используемого в предлагаемом способе обработки. Для получения дополнительных сравнительных данных проводилось также накатывание резьбы с использованием инструмента, диаметр которого устанавливался меньшим, чем в предлагаемом способе обработки, и определялся зависимостью D_cp3 kd_в. Следовательно, в сопоставляемых способах обработки использовали инструменты двух граничных (наибольшего D_ср2 и наименьшего D_ср3) и двух промежуточных (D_ср1 и D_и) значений D_ср3<D<SUB>и

Записи циклограмм осевых относительных перемещений δР инструмента и заготовки за время цикла накатывания Т_ц сопоставляемыми способами обработки резьб свидетельствуют, что величину, характер и направление этих перемещений определяет диаметр инструмента. Кривая 1 характеризует осевые перемещения по предлагаемому способу обработки, в котором используют инструмент диаметром D_и (d_з f_в)k + 2W_у, кривая 2 то же для способа обработки согласно [2] D_cp1 kd_cp, кривая 3 то же для способа обработки согласно [1] D_cp2 kd_cp + ΔD_cp2 (граничный случай, характеризующий способ, в котором используют инструмент наибольшего из сопоставляемых диаметров) и кривая 4 то же для способа обработки с использованием инструмента диаметром D_ср3 kd_в (граничный случай, характеризующий способ обработки, в котором используют инструмент наименьшего из сопоставляемых диаметров).

В зависимости от диаметра инструмента, используемого для осуществления способа накатывания, возникающие осевые перемещения могут накапливаться либо в положительную сторону в направлении навинчивания инструмента по резьбе изделия (кривые 2 и 3), либо в отрицательную сторону в направлении свинчивания инструмента по резьбе изделия (кривая 4). Согласно циклограмме осевых перемещений существует такое значение диаметра инструмента, которое обеспечивает осуществление процесса накатывания при минимально возможных величинах осевых перемещениях (кривая 1). В этом оптимальном случае осуществления способ накатывания (кривая 1) сумма осевых относительных перемещений инструмента и заготовки в положительную и отрицательную стороны равна нулю. Осевые перемещения накапливаются до некоторой промежуточной стадии цикла накатывания (кривая 1, точка а, Т_ц 0,71 с), а затем убывают в противоположную сторону меняют знак и в конце обработки соответствуют нулевому значению. Благодаря этому в конце цикла накатывания взаимная осевая ориентация инструмента и изделия соответствует их позиционированию перед началом обработки, а резьбовые поверхности инструмента и готового изделия беспрепятственно выводятся из контакта по окончании обработки.

Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что сопоставляемые способы накатывания резьб, в которых использовались различные по диаметру инструменты, обеспечивают неодинаковые по качеству (по точности и шероховатости поверхности резьбы) изделия. Наибольшую часть накатываемой резьбы 4_h по ГОСТ 16093-81 при наименьшей шероховатости ее поверхности R_a 0,32 мкм по ГОСТ 2789-73 обеспечивает предлагаемый способ обработки. Затем в порядке уменьшения точности резьбы и увеличения шероховатости ее поверхности следуют способ накатывания [2] точность резьбы 6g, шероховатость поверхности R_a 0,63 мкм; способ накатывания [1] где используют инструмент наибольшего из числа сопоставляемых способов диаметра точность резьбы 6е, шероховатость поверхности R_a 1,25 мкм и, наконец, способ накатывания, в котором используют инструмент наименьшего из числа сопоставляемых способов диаметра точность резьбы 6d, шероховатость поверхности R_a 1,25 мкм.

Среднее количество резьбовых деталей из конструкционной стали АЗОГ, обработанных в производственных условиях до полного износа инструмента максимальная штучная наработка накатывающих роликов, при двухсменном режиме работы и производительности токарного автомата 850 деталей в смену составило
при обработке предлагаемым способом 117,3 тыс.деталей;
при обработке по способу [2] 69,7 тыс. деталей;
при обработке по способу [1] 37,4 тыс. деталей;
при обработке по способу, использующему инструмент наименьшего диаметра из сопоставляемых способов обработки 56,1 тыс.деталей.

Полученные данные свидетельствуют о значительном влиянии возникающих осевых относительных перемещений инструмента и заготовки при накатывании резьб на стойкость инструмента. Предлагаемый способ накатывания резьб, характеризующийся достижением минимально возможных осевых перемещений, обеспечивая наибольшую стойкость инструмента среди сопоставляемых в равных производственных и технологических условиях способов обработки.

Использование предлагаемого способа накатывания резьб обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
улучшение качества резьбы изделия по точности и шероховатости обработанной поверхности;
повышение стойкости инструмента, выражающееся в увеличении максимальной штучной наработки накатывающих роликов;
повышение стабильности работы инструмента, определяющее уменьшение возникающих систематических и случайных производственных погрешностей резьбонакатывания и уменьшение рассеивания размеров резьбы обработанных деталей.

В настоящее время операция формообразования наружных цилиндрических и конических резьб с поперечной подачей инструмента или заготовки осуществляется на специализированном технологическом оборудовании резьбонакатных станках с использованием стандартных накатывающих роликов, а также на универсальном и автоматическом технологическом оборудовании станках токарной группы с использованием тангенциальных и радиальных резьбонакатных головок. Использование предлагаемого способа обработки на существующем технологическом оборудовании позволяет улучшить качество изделия благодаря повышению точности его резьбы и уменьшению шероховатости поверхности при повышении ресурса инструмента.

Формула изобретения

СПОСОБ НАКАТЫВАНИЯ РЕЗЬБ путем относительного движения инструмента, имеющего на рабочей части винтовую резьбовую поверхность, и заготовки в перпендикулярном ее оси направлении и взаимосогласованного их вращения, включающий определение диаметра используемого для накатывания инструмента в соответствии с диаметром заготовки под накатывание и числом заходов резьбы инструмента, отличающийся тем, что определение диаметра инструмента осуществляют также с учетом глубины внедрения инструмента в материал заготовки и величины упругой радиальной деформации инструмента при накатывании согласно зависимости
D_и (d_з f_в) · k + 2 W_у,
где D_и наружный диаметр резьбы инструмента, мм;
f_в глубина внедрения инструмента в материал заготовки, мм;
d_з диаметр заготовки под накатывание резьбы, мм;
k число заходов резьбы инструмента;
W_у величина упругой радиальной деформации инструмента при накатывании, мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3