JAKOŚĆ GWINTÓW WEWNĘTRZNYCH WALCOWANYCH I NAGNIATANYCH GŁOWICAMI ROLKOWYMI

Transkrypt

1 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS 163 Sanisław OKOŃSKI, Ryszard MOSZUMAŃSKI, Adam TABOR Poliechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki, Kraków JAKOŚĆ GWINTÓW WEWNĘTRZNYCH WALCOWANYCH I NAGNIATANYCH GŁOWICAMI ROLKOWYMI Słowa kluczowe Walcowanie gwinu, nagniaanie gwinu, głowica rolkowa, średnice podziałowe, chropowaość powierzchni, wyrzymałość na ścinanie, srukura maeriału, wardość Sreszczenie Gwiny kszałowane plasycznie mają szereg zale. Możliwe jes uzyskanie niskiej chropowaości powierzchni i dużej dokładności. Gwin ma podwyższoną wyrzymałość na ścinanie i docisk powierzchniowy. Przeprowadzono badania wymiarów i chropowaości powierzchni gwinów walcowanych i nagniaanych oraz badania porównawcze wyrzymałości na ścinanie gwinów walcowanych i skrawanych. Ponado przeprowadzono badania mikrosrukur oraz wyznaczono rozkłady wardości HV 0,1 na przekrojach gwinów walcowanych. Wprowadzenie Zasosowanie walcowania lub nagniaania na zimno za pomocą głowic rolkowych jes możliwe i celowe w przypadku kszałowania gwinów wewnęrznych drobnozwojowych o dużych średnicach w maeriałach plasycznych o małej wardości (np. w salach niskowęglowych lub sopach miedzi i aluminium do przeróbki plasycznej), dla kórych wykonanie gwinu o wysokiej jakości meodami obróbki wiórowej jes urudnione a czasem niemożliwe.

2 164 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS Doyczy o również gwinów z zarysami specjalnymi np. z dużymi kąami wierzchołkowymi. Gwin wewnęrzny jes kszałowany przez obroowe rolki głowicy (rys. 1) 1. W zależności od rodzaju maeriału obrabianego oraz średnicy i skoku kszałowanego gwinu, narzędzia e mogą być ze względu na ograniczoną wyrzymałość lub rwałość ich elemenów (rolek, łożysk i korpusu) wykorzysane do: walcowania gwinu o pełnym zarysie wpros w oworze półwyrobu o odpowiedniej średnicy, walcowania gwinu wsępnie wykonanego za pomocą obróbki skrawaniem i mającego średnice mniejsze od nominalnych, nagniaania gwinu wsępnie wykonanego za pomocą obróbki skrawaniem. Gwiny kszałowane plasycznie mają szereg zale. Możliwe jes uzyskanie niskiej chropowaości powierzchni i dużej dokładności. Gwin ma podwyższoną wyrzymałość na ścinanie i docisk powierzchniowy [2 4, 6, 7, 10]. Rys. 1. Głowica do gwinów M36 z wymiennymi rolkami (narzędzie prooypowe wykonane w Zakładzie Narzędziowym WSK PZL Rzeszów [9]) W niniejszej pracy przedsawiono wyniki badań wybranych wskaźników charakeryzujących jakość gwinów wewnęrznych walcowanych i nagniaanych. 1. Zakres i echnika badań Przedsawione w dalszym ciągu wyniki badań doyczą: wymiarów i chropowaości powierzchni gwinów walcowanych i nagniaanych, wyrzymałości na ścinanie gwinów walcowanych i skrawanych. Ponado przedsawiono obrazy mikrosrukury maeriału na przekrojach gwinów walcowanych oraz przykładowy rozkład wardości HV 0,1. 1 Konsrukcje głowic rolkowych wzorowane na własnych rozwiązaniach [3, 4, 5] oraz echnologia walcowania i nagniaania gwinów wewnęrznych były przedmioem projeku badawczego [9]. W ramach ego projeku opracowano dokumenację konsrukcyjną, wykonano prooypowe narzędzia i zrealizowano badania doświadczalne procesów walcowania i nagniaania gwinów wewnęrznych merycznych i specjalnych w zakresie średnic nominalnych mm [1, 8, 9].

3 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS 165 Badania procesu walcowania przeprowadzono dla nasępujących gaunków maeriałów i rodzajów gwinu: sal 11SMn30, w sanie dosawy, pręy 50 mm, wardość 80 HRB, gwin meryczny M36x2, dural AW-2017A (PA6), przesycany w emperaurze 495 o C, 45 min, pręy 50 mm lub 60 mm, wardość 25 HRB, gwin meryczny M36x2 oraz gwin specjalny o zarysie rójkąnym, skoku 2 mm, średnicy nominalnej 36 mm i kącie wierzchołkowym 120 o (36x2 120 o ), mosiądz MO63, blachy o grubości 20 mm, wardość 30 HRB, gwin meryczny M36x2, aluminium A1, wardość poniżej 20 HRB, gwin meryczny M24x2. Dodakowo w ograniczonym zakresie wykonano próby walcowania gwinu M68x3 w sali C10 i aluminium A1 (pręy 110 mm w sanie dosawy). Badania procesu nagniaania przeprowadzono dla rzech gaunków maeriałów: sal 11SMn30 w sanie dosawy, pręy 60 mm, wardość 80 HRB, dural AW-2017A (PA6), przesycany w emperaurze 495 o C, 45 min, pręy 50 mm lub 60 mm, wardość 25 HRB, sal C35 w posaci odkuwek nakręek po kuciu na gorąco. Czynnikiem badanym była nominalna warość grubości warswy odkszałcanej g, wynikająca z różnicy średnic głowicy i gwinu przeznaczonego do nagniaania wykonanego za pomocą obróbki skrawaniem. Nagniaano gwin meryczny M36x3. Średnice podziałowe D 2 i wewnęrzne D ego gwinu dobierano sosując związek: = d D ' = d 2 D ' 2 2g = sin α (1) gdzie α jes połową kąa wierzchołka gwinu, d 2 i d oznaczają odpowiednio nominalne warości średnic podziałowych i zewnęrznych głowicy. Dla gwinu merycznego (α = 30 o ): = 4g (2) W [8, 9] przyjęo, że pojęcie nagniaania gwinu doyczy przypadku, gdy g < 0,125 mm ( < 0,5 mm dla gwinu merycznego). Dla większych warości g mamy (umownie) do czynienia z walcowaniem. Gwiny walcowano lub nagniaano na okarce TUM25 z zasosowaniem prooypowych narzędzi [9]. Sosowano prędkości walcowania 0,06 0,09 m/s i posuw równy skokowi gwinu. Ośrodkiem chłodząco-smarującym był olej maszynowy.

4 166 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS Średnice podziałowe gwinów mierzono przyrządem mikromerycznym prod. Ulra Präzision Messzeuge GMBH oraz za pomocą długościomierza TRIMOS Horizon Premium Charakerysyki chropowaości powierzchni badano z wykorzysaniem profilografomeru T1E zgodnie z normami ISO. Rejesrowano profile chropowaości powierzchni i wyznaczano paramery Ra, R i Rz 2. Badania porównawcze wyrzymałości na ścinanie gwinów walcowanych i skrawanych przeprowadzono na maszynie wyrzymałościowej EU40 sosując specjalnie wykonane oprzyrządowanie [9]. Umowną wyrzymałość na ścinanie określano ze wzoru: Fmax R = (3) πβd sh gdzie: F max maksymalna siła, powodująca ścięcie zwojów gwinu, β współczynnik zależny od średnicy zewnęrznej d s rzpienia ścinającego gwin, h długość gwinu (wysokość próbki pierścieniowej). Obrazy mikrosrukur uzyskano za pomocą mikroskopu opycznego Nicon Eclipse ME 600 z cyfrowym zapisem obrazu (zgłady rawione). Rozkłady wardości HV 0,1 badano za pomocą wardościomierza FUTURE TECH E Wyniki badań Na rys. 2 4 przedsawiono zależności średnic: podziałowej D 2 i zewnęrznej D 1 od średnicy D 0 oworu pod gwin przy walcowaniu. Rysunki 5 i 6 obrazują wpływ nominalnej grubości warswy odkszałcanej g przy nagniaaniu na średnicę podziałową gwinu. Przykładowe wyniki pomiarów średnicy podziałowej gwinu nagniaanego podano w ab. 1. Wyniki badań chropowaości powierzchni dla gwinu specjalnego 36x2 120 o przedsawiono w ab. 2, a dla nagniaanych gwinów merycznych w ab Minimalne zmierzone warości paramerów chropowaości po walcowaniu i nagniaaniu gwinów podano w ab. 6. Tabela 7 zawiera przykładowe wyniki badań porównawczych wyrzymałości na ścinanie gwinów walcowanych i skrawanych. Wybrane obrazy mikrosrukury maeriału na przekrojach gwinów walcowanych i nagniaanych przedsawiają rys. 7 i 8. Na rys. 9 przedsawiono rozkład wardości HV 0,1 na przekroju gwinu M36x2 walcowanego w sali 11SMn30. 2 Pomiary chropowaości wykonał B. Kapusa. 3 Pomiary mikrowardości wykonał M. Nykiel z Insyuu Inżynierii Maeriałowej Wydziału Mechanicznego Poliechniki Krakowskiej.

5 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS 167 Rys. 2. Zależność średnic: podziałowej D 2 (krzywa górna) i D 1 (krzywa dolna) walcowanego gwinu od średnicy oworu D 0 ; maeriał: dural AW-2017A (PA6), przesycanie: 45 min, 495 o C, gwin M36x2. Zaznaczono pola olerancji: T D 140 µm (4H), klasa gwinu: dokładny 2 oraz T D : 236 µm (4H), 300 µm (5H), 375 µm (6H), 475 µm (7H) i 600 µm (8H) 1 Rys. 3. Zależność średnic: podziałowej D 2 (krzywa górna) i D 1 (krzywa dolna) walcowanego gwinu od średnicy oworu D 0 ; maeriał: mosiądz MO63, gwin M36x2. Pola olerancji jak na rys. 1

6 168 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS Rys. 4. Zależność średnic: podziałowej D 2 (krzywa górna) i D 1 (krzywa dolna) walcowanego gwinu od średnicy oworu D 0 ; maeriał: sal 11SMn30, gwin M36x2. Pola olerancji jak na rys. 1 Rys. 5. Zależność średnicy podziałowej D 2 gwinu nagniaanego od nominalnej grubości warswy odkszałcanej g; maeriał: sal 11SMn30, wymiar gwinu: M36x3. Zaznaczono pole olerancji = 140 µm (4H), klasa gwinu: dokładny T D 2

7 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS 169 Rys. 6. Zależność średnicy podziałowej D 2 gwinu nagniaanego od nominalnej grubości warswy odkszałcanej g; maeriał: dural AW-2017A (PA6) przesycany, wymiar gwinu: M36x3. Zaznaczono pole olerancji = 140 µm (4H), klasa gwinu: dokładny T D 2 Tabela 1. Przykładowe wyniki pomiarów średnicy podziałowej gwinu nagniaanego. Średnica podziałowa D 2 w mm gwinu nagniaanego M36x3 w sali C35 mierzona za pomocą długościomierza TRIMOS Horizon Premium Wymiary gwinu nagniaanego: D = 36,37 mm, D 2 = 34,14 mm, D 1 = 32,77 mm g = 0,02 mm A A , , , , , ,0746 B B , , , , , ,0863 A B B Miejsca pomiarów A Wymiary nominalne głowicy: d = 36,45 mm, d 2 = 34,22 mm, d 1 = 32,75 mm

8 170 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS Tabela 2. Wyniki badań paramerów chropowaości powierzchni walcowanego gwinu specjalnego 36x2 120 o Maeriał: dural AW-2017A (PA6) sarzony samorzunie (walcowanie w sanie przesyconym), D 0 = 35,20 mm) Lp. Ra, µm] R, µm Rz, µm 1 0,072 0,59 0,46 2 0,175 1,53 1,04 3 0,104 0,74 0,56 4 0,075 0,83 0,54 5 0,082 0,59 0,44 6 0,084 0,57 0,41 7 0,156 1,02 0,73 Średnia 0,107 0,84 0,60 Przedział ufności (α = 0,1) ±0,031 ±0,25 ±0,16 Ra min, µm 0,072 Tabela 3. Wyniki badań paramerów chropowaości powierzchni dla gwinów nagniaanych M36x3 Maeriał: dural AW-2017A (PA6) sarzony samorzunie (nagniaanie w sanie przesycanym) Wymiary gwinu nagniaanego: D = 36,17 mm, D 2 = 33,94 mm, D 1 = 33,41 mm g = 0,07 mm Lp. Ra, µm R, µm Rz, µm 1 0,096 0,90 0,66 2 0,081 1,10 0,54 3 0,104 1,27 0,70 4 0,157 1,14 0,75 Średnia 0,110 1,10 0,66 Przedział ufności (α = 0,1) ±0,039 ±0,18 ±0,11 Ra min, µm 0,096 Wymiary nominalne głowicy: d = 36,45 mm, d 2 = 34,22 mm, d 1 = 32,75 mm Tabela 4. Wyniki badań paramerów chropowaości powierzchni dla gwinów nagniaanych M36x3 (cd.) Maeriał: dural AW-2017A (PA6) sarzony samorzunie (nagniaanie w sanie przesycanym) Wymiary gwinu nagniaanego: D = 36,05 mm, D 2 = 33,82 mm, D 1 = 33,58 mm g = 0,10 mm Lp. R a, µm R max, µm R z, µm 1 0,077 0,69 0,48 2 0,130 1,56 0,79 3 0,076 0,67 0,49 4 0,087 0,58 0,51 Średnia 0,093 0,86 0,57 Przedział ufności (α = 0,1) ±0,030 ±0,54 ±0,18 Ra min, µm 0,076 Wymiary nominalne głowicy: d = 36,45 mm, d 2 = 34,22 mm, d 1 = 32,75 mm

9 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS 171 Tabela 5. Wyniki badań paramerów chropowaości powierzchni dla gwinów nagniaanych 36x3 cd. Maeriał: sal C35 (odkuwki nakręek) Wymiary gwinu nagniaanego: D = 36,37 mm, D 2 = 33,94 mm, D 1 = 33,41 mm g = 0,02 mm Lp. Ra, µm R max, µm R z, µm 1 0,481 3,62 2,50 2 0,338 2,98 1,64 Ra min, µm 0,338 g = 0,03 mm Lp Ra, µm R max, µm R z, µm 1 0,313 2,41 1,92 2 0,434 2,69 2,16 Ra min, µm 0,313 Wymiary nominalne głowicy: d = 36,45 mm, d 2 = 34,22 mm, d 1 = 32,75 mm Tabela 6. Minimalne zmierzone warości paramerów chropowaości po walcowaniu i nagniaaniu gwinów Minimalne warości paramerów chropowaości po walcowaniu i nagniaaniu gwinów Lp. Maeriał Gwin Rodzaj obróbki Ra, µm 0,072 R, µm 0,59 Rz, µm 0,46 1 Dural AW- Specjalny 36x2 Walcowanie 2017A (PA6) 120 o 2 Sal 11SMn30 M36x2 0,070 0,34 0,34 3 M36x3 Nagniaanie 0,073 0,58 0,48 4 Sal C35 M36x3 0,313 2,41 1,92 Tabela 7. Przykładowe wyniki badań porównawczych wyrzymałości na ścinanie gwinów walcowanych i skrawanych. Przedziały ufności średnich i isoność różnic wyrzymałości na ścinanie gwinów M36x2 w s walcowanych ( R ) i skrawanych ( R ) Maeriał Sal 11SMn30 Dural AW-2017A (PA6) przesycany Mosiądz MO63 w R, MPa 256 ± ± ± 3 s R, MPa 232 ± ± ± 11 Tes isoności różnic w s R R 5,100*** 6,237*** 4,772*** w s R R Przyros R = 100 % s R Liczba powórzeń dla gwinu walcowanego n w Liczba powórzeń dla gwinu skrawanego n s Sopnie swobody f = n w + n s

10 172 a) PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS b) Rys. 7. Srukura maeriału na przekroju gwinu walcowanego: a) wierzchołek, b) dno wrębu (maeriał: sal 11SMn30, gwin M36x2, zgład rawiony Rys. 8. Srukura maeriału na przekroju gwinu walcowanego specjalnego 36x2 120o; maeriał: dural AW-2017A (PA6) sarzony samorzunie (walcowanie w sanie przesyconym), średnica zewnęrzna głowicy: d = 36,30 mm, D0 = 35,20 mm, zgład rawiony Rozkład wardości przedsawiony na powyższym rysunku opisuje funkcja wielomianowa: HV0,1 = 254,033-76,653x + 40,878x2 + 91,668y - 80,293xy + 22,362y2 (4) gdzie x i y są współrzędnymi na przekroju gwinu (w mm) zaznaczonymi na rys. 9.

11 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS 173 Rys. 9. Linie sałej wardości HV 0,1 na przekroju gwinu M36x2 walcowanego w sali 11SMn30 Podsumowanie Przeprowadzone badania wykazały, że walcowane i nagniaane gwiny wewnęrzne cechuje wysoka jakość echnologiczna. Orzymywano gwiny w klasie dokładnej, dla kórych olerancja średnicy podziałowej odpowiadała szeregowi 4H. Średnicę zewnęrzną można było kszałować dowolnie, zmieniając średnicę D 0 oworu pod gwin. Dobór średnicy D 0 dla zadanej warości średnicy zewnęrznej D 1 gwinu walcowanego można przeprowadzić na podsawie danych przedsawionych na rys Z rys. 2 6 widać, że gdy maleje średnica oworu pod gwin lub gdy rośnie grubość warswy odkszałcanej, względnie wyrzymałość kszałowanego maeriału, o średnica podziałowa walcowanego lub nagniaanego gwinu nieco się zmniejsza. Jes o skuek wzrosu sił promieniowych obciążających głowicę, a więc i odkszałceń sprężysych układu przedmio narzędzie. Gwiny kszałowane za pomocą walcowania i nagniaania charakeryzuje bardzo niska chropowaość powierzchni. Dla badanej sali niskowęglowej i sopu aluminium osiągnięo minimalne warości parameru Ra rzędu 0,07 µm. Maeriał w obrębie zwojów gwinu walcowanego jes umocniony, co powoduje isone podwyższenie wyrzymałości gwinu na ścinanie w porównaniu z gwinem skrawanym.

12 174 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS Ze względu na ograniczoną szywność i wyrzymałość głowic zasosowane meody obróbki mają ograniczone zasosowanie. Nie jes możliwe walcowanie oraz nagniaanie przy dużych grubościach warswy odkszałcanej gwinów wewnęrznych o małych średnicach, dużych skokach i w maeriałach o wysokiej wyrzymałości. Praca naukowa była finansowana ze środków Minisra Nauki, wykonana w ramach realizacji Programu Wieloleniego pn. Doskonalenie sysemów rozwoju innowacyjności w produkcji i eksploaacji w laach Bibliografia 1. Kuma W., Wołowicz M.: Konsrukcja głowic rolkowych do walcowania lub nagniaania gwinów wewnęrznych. Praca dyplomowa (magiserska), Poliechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny, Kraków Łyczko K.: Technologia narzędzi i wygniaania gwinów wewnęrznych. Poliechnika Częsochowska, Częsochowa Okoński S.: Badania procesu plasycznego kszałowania gwinów wewnęrznych. Praca dokorska, Poliechnika Krakowska, Kraków Okoński S.: Belsó meneek hengerlésére és roációs simio megmunkálására szolgáló görgös fejek szerkezei kalakiása. IV. Szerszam és Szerszamanyág Szimpozium, Miskolc (Węgry), Okoński S.: Głowica do walcowania lub dogniaania gwinów wewnęrznych. Paen UP PRL nr , Okoński S., Polański Z., Sołkowski T.: Dokładna obróbka plasyczna. Czasopismo Techniczne, z. 4 i 6 M, Okoński S.: Walcowanie gwinów wewnęrznych. Obróbka Plasyczna,. XVIII, z. 4, Okoński S.: Konsrukcja głowic do walcowania lub nagniaania gwinów wewnęrznych i echnologia obróbki (praca nie publ.). Kraków Projek Badawczy Zamawiany: PW-004/ITE/08/2006, zadanie 1.1.: Technologie walcowania i nagniaania gwinów wewnęrznych oraz konsrukcje głowic rolkowych do ich realizacji (S. Okoński, R. Moszumański i inni), Poliechnika Krakowska, Kraków Żurawski Z., Sikora J., Płużek J.: Walcowanie gwinów. WNT, Warszawa Recenzen: Henryk CZARNECKI

13 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS 175 The qualiy of inernal hreads rolled and burnished wih roller heads Key words Thread rolling, hread burnishing, roller head, pich diameer, surface roughness, shear srengh, srucure of maerial, hardness. Summary The hreads fabricaed by plasic working offer a number of indispuable advanages. I is possible o obain low surface roughness and high accuracy. The hreads are characerised by high shear srengh and surface pressure. The dimensions and surface roughness of he hreads were checked and he shear srengh of he rolled and machined hreads was compared. Addiionally, microsrucural examinaions were made on cross-secions of he rolled hreads and hardness disribuion was deermined.