(86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/GB01/ (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/GB01/ (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: , WO02/38329 (13) B1 (51) Int.Cl. B23P 15/00 ( ) F16B 37/06 ( ) (54) Sposób wytwarzania zaślepionej wkładki gwintowanej i zaślepiona wkładka gwintowana (30) Pierwszeństwo: , GB, (73) Uprawniony z patentu: AVDEL UK LIMITED, Welwyn Garden City, GB (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 11/05 (72) Twórca(y) wynalazku: KEITH DENHAM, Welwyn, GB MATTHIAS JOKISCH, Langenhagen, DE (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 06/11 (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Sławomir Budziński PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania zaślepionej wkładki gwintowanej z metalu i zaślepiona wkładka gwintowana. Zaślepiona wkładka jest wsuwana do przedmiotu obrabialnego, a następnie rozszerzana promieniowo, celem przymocowania do przedmiotu obrabialnego. W tym kontekście "zaślepiona" oznacza, że wkładka jest zakładana przy jednostronnym dostępie do przedmiotu obrabialnego. Takie wkładki zaślepione znane są w przemyśle wytwórczym i dostępne, na przykład pod nazwą Wkładka Avdel Hexsert z Dużym Kołnierzem oraz Cienkościenna Wkładka Nutsert (słowa AVDEL, HEXSERT, NUTSERT oraz CIENKOŚCIENNA NUTSERT są zastrzeżonymi znakami towarowymi). Zaślepione wkładki gwintowane są zazwyczaj wykonywane zarówno poprzez obróbkę pręta lub też przy zastosowaniu technik obróbki na zimno oraz wsadowe procesy wyżarzania, ten ostatni sposób jest najbardziej ekonomicznym sposobem wytwarzania. Wytrzymałość takich mocowań, po zainstalowaniu przez końcowego użytkownika jest adekwatna do lekkich i średnich obciążeń. W konsekwencji przy wysokich obciążeniach nie stosuje się zaślepionych wkładek gwintowanych. Celem przedmiotu wynalazku jest zapewnienie nowego sposobu wytwarzania zaślepionych wkładek gwintowanych, które mają wytrzymałość odpowiednią do zastosowań przy dużych obciążeniach. W konwencjonalnym sposobie wytwarzania występuje pewne zwiększenie twardości i wytrzymałości na rozciąganie, w części gwintowanej, będące skutkiem obróbki na zimno, przeprowadzanej po procesie wsadowego wyżarzania, ale oczywiście wzrost wytrzymałości uzyskiwany podczas obróbki na zimno, która następuje przed procesem wyżarzania jest utracony. Sposób wytwarzania zaślepionej wkładki gwintowanej z metalu, według wynalazku, zawierającej pierwszą strefę i drugą strefę, przy czym druga strefa obejmuje nakrętkę a pierwsza strefa obejmuje promieniowo powiększoną główkę na jednym końcu oddalonym od drugiej strefy, pojedynczą odkształcalną część, pierwszą sekcję przejścia pomiędzy częścią odkształcalną a główką, a także drugą sekcję przejścia pomiędzy częścią odkształcalną a drugą strefą, obejmujący etapy co najmniej częściowego formowania wkładki w procesie obróbki na zimno bez wytwarzania gwintu na zimno, formowania gwintu wewnętrznego w nakrętce, oraz wyżarzania pierwszej strefy wkładki do wytworzenia plastyczności w części odkształcalnej wyższej niż plastyczność pozostałej części wkładki tak, że część odkształcalna ma stałą twardość o względnie niskiej wartości wzdłuż długości, w celu ułatwienia jej późniejszego odkształcenia podczas montażu, charakteryzuje się tym, że część odkształcalna rozciąga się na większą długość niż długość, na którą rozciąga się każda z sekcji przejścia. Korzystnie jest kiedy etap wyżarzania prowadzi się przez pasmowe wyżarzanie pierwszej strefy. Jest również korzystnie, kiedy poprzez pasmowe wyżarzanie wytwarza się kontrolowany profil twardości pomiędzy częścią wkładki, która wymaga wysokiej plastyczności, a częścią wkładki, która wymaga wysokiej wytrzymałości. Korzystnie jako metal stosuje się stal niskowęglową. Korzystnie sposób modyfikuje się poprzez wzajemną zamianę miejscami czynności formowania wewnętrznego gwintu i czynności pasmowego wyżarzania pierwszej strefy. Sposób wytwarzania zaślepionej wkładki gwintowanej z metalu, według wynalazku, zawierającej pierwszą strefę i drugą strefę, przy czym druga strefa obejmuje nakrętkę a pierwsza strefa obejmuje promieniowo powiększoną główkę na jednym końcu oddalonym od drugiej strefy, pojedynczą odkształcalną część, pierwszą sekcję przejścia pomiędzy częścią odkształcalną a główką, a także drugą sekcję przejścia pomiędzy częścią odkształcalną a drugą strefą, przy czym część odkształcalna ma wyższą względną plastyczność niż pozostała część wkładki tak, że podczas montażu wkładki część odkształcalna będzie odkształcać się wcześniej niż pozostała część wkładki, przy czym część odkształcalna rozciąga się na większą długość niż długość, na którą rozciąga się każda z sekcji przejścia, obejmujący etapy co najmniej częściowego formowania wkładki w procesie obróbki na zimno bez wytwarzania gwintu na zimno, następnie wyżarzania pierwszej strefy wkładki tak, że ma stałą twardość o względnie niskiej wartości wzdłuż długości, następnie formowania gwintu wewnętrznego, charakteryzuje się tym, że przeprowadza się hartowanie indukcyjne co najmniej części nakrętki po etapie formowania gwintu wewnętrznego w nakrętce. Korzystnie sposób modyfikuje się poprzez wzajemną zamianę miejscami etapu formowania wewnętrznego gwintu i etapu wyżarzania pierwszej strefy wkładki, a jako metal stosuje się stal średniowęglową.

3 PL B1 3 Korzystnie jest, kiedy kolejny etap obróbki powierzchniowej występuje po etapie wyżarzania pierwszej strefy wkładki, przy czym w etapie obróbki powierzchniowej stosuje się korzystnie powlekanie galwaniczne. Zaślepiona wkładka gwintowana według wynalazku charakteryzuje się tym, że jest wytworzona przy pomocy sposobu według jednego z zastrzeżeń od 1 do 10 i posiada stałą twardość, o względnie niskiej wartości, wzdłuż znacznej części swojej długości. Zaślepiona wkładka gwintowana, według wynalazku, zawierająca promieniowo powiększoną główkę, pojedynczą część odkształcalną oraz nakrętkę, gdzie nakrętka posiada gwint wewnętrzny i twardość o zasadniczo stałej wartości rozciągającej się promieniowo od gwintu wewnętrznego do powierzchni zewnętrznej nakrętki, charakteryzuje się tym, że część odkształcalna ma twardość o zasadniczo stałej wartości wzdłuż znacznej części swojej długości, przy czym twardość części odkształcalnej jest mniejsza niż twardość nakrętki, przy czym korzystnie twardość nakrętki przekracza 200 Hv. Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na załączonym rysunku, na którym fig. 1a i 1b przedstawiają zaślepioną wkładkę gwintowaną przed i po zainstalowaniu w przedmiocie obrabianym, fig. 2a, 2b i 2c - przebieg procesu wytwarzania zaślepionych wkładek gwintowanych, fig. 3a i 3b, 4a i 4b - układ zamontowanych zaślepionych wkładek gwintowanych, podczas nadawania momentu dokręcania na odpowiadającą im śrubę, fig. 6 - twardość i odpowiadająca wytrzymałość na rozciąganie materiału, w części wkładki tworzącej nakrętkę, fig. 5a i 5b - położenie wkładki, w którym te wartości twardości są zmienne, fig. 7 - szczególny typ przedmiotu obrabialnego, w którym można zastosować, w sposób korzystny, wkładki stanowiące przedmiot wynalazku, fig. 8 - wkładka zamontowana w takim, przedmiocie obrabialnym, fig. 9 - proces stosowany względem przedmiotu obrabialnego następujący po zamontowaniu a fig. 10 i 11 - twardość wzdłuż przekrojów podłużnych. Fig. 1, 3, 4, 5a, 8, 9, 10 i 11 ukazują wkładkę w osiowym przekroju podłużnym, zaś fig. 5b, w przekroju poprzecznym, wykonanym wzdłuż ukazanej strzałkami linii przekroju z fig. 5a. Fig. 2a, 4 i 4b ukazują stan techniki. W sposobach wytwarzania z fig. 2a, 2b i 2c, w czynności 1, wykorzystuje się kuźniarkę postępującą do obróbki na zimno. Sposób wytwarzania gwintu wewnętrznego, z czynności 3, z fig. 2a i 2c, oraz z czynności 2, z fig. 2b, jest zazwyczaj określany mianem gwintowania walcowego. Te sposoby wytwarzania są typowe dla wytwarzania zaślepionych wkładek gwintowanych i dobrze znane ze stanu techniki. W związku z tym, jak ukazuje fig. 1a, zaślepiona wkładka gwintowana 11 jest wytwarzana w dowolnym procesie, ukazanym przez fig. 2a, 2b lub 2c. Ukazany przykład wykonania jest cylindryczny i dostosowany do dopasowania w odpowiadającym mu cylindrycznym otworze w przedmiocie obrabialnym 19 (fig. 1b). W innych przykładach wykonania, nie pokazanych, zewnętrzna powierzchnia 12 wkładki może mieć na przekroju kształt wielokąta, na przykład sześciokąta lub kwadratu tak, aby odpowiadała kształtowi otworu w przedmiocie zastosowania. Strefa 1 wkładki, ukazanej przez fig. 1a, powinna być odpowiednio plastyczna tak, aby odkształcała się pod działaniem przyrządu montażowego (nie pokazanego), tworząc ślepo zakończony łeb 13 z fig. 1b. W przykładach procesów wytwarzania wkładki znanych ze stanu techniki plastyczność ta jest uzyskiwana w procesie wyżarzania całej wkładki, zazwyczaj w procesie stosowanym dla całego wsadu, jak ukazuje to czynność 2 z fig. 2a, gwint wewnętrzny 14 z fig. 1a jest wytwarzany w czynności 3 z fig. 2a. Poprzez wytwarzanie gwintu po procesie wyżarzania uzyskuje się miejscowe utwardzenie pewnego stopnia, w obszarze gwintu. Twardość wkładki po procesie wsadowego wyżarzania wynosi zazwyczaj 115 Hv (Indeks twardości Vickersa), zaś materiałem na wkładkę jest zazwyczaj nisko węglowa stal zawierająca 0,1% węgla. Utwardzenie gwintu umiejscowione jest blisko jego powierzchni. W niewielkiej odległości od powierzchni gwintu twardość gwałtownie maleje, co ukazano linią Proces 1" z fig. 6. Gdyby zastosować taką wkładkę w zastosowaniu pod wysokim obciążeniem, w którym odpowiadająca jej śruba wymaga wysokiego stopnia momentu dokręcania, wtedy ponieważ wytrzymałość materiału w tym przekrój u (fig. 5b i 6) jest względnie niska, promieniowa siła, wytwarzana przez dokręcanie śruby 15 z fig. 4a do gwintu wkładki, mogłaby być wystarczająca do spowodowania promieniowego rozszerzenia części nakrętnej 16 z fig. 4a i 4b. Powoduje to zmniejszenie obszaru styku pomiędzy gwintem na śrubie 17 z fig. 4b i wewnętrznym gwintem wkładki Zmniejszenie obszaru styku wraz z obniżoną twardością gwintu skutkuje jego uszkodzeniem przy względnie niskim momencie dokręcania. Na przykład wkładka z gwintem M8 zostanie uszkodzona przy momencie dokręcania około 40 do 45 Nrn.

4 4 PL B1 Kiedy wkładka jest wytwarzana w procesie w przykładzie wykonania przedmiotu wynalazku (proces 2 z fig. 2b) utwardzanie materiału, wykonywane kiedy drut jest przetwarzany na wkładkę w procesie obróbki na zimno w czynności 1 oraz podczas operacji gwintowania walcowego w czynności 2 z fig. 2b, skutkuje wysokim stopniem twardości, proces 2 z fig. 6. Dlatego też wkładka 18 (fig. 3a), wytworzona w tym procesie może być z powodzeniem, zamontowana w przedmiocie obrabialnym 19 ponieważ wyżarzanie pasmowe w czynności 3 (fig. 2b) zapewnia wystarczającą plastyczność do umożliwienia uformowania zaślepionego łba 12 pęknięć, a jednocześnie wewnętrzna część gwintowana 20 wkładki ma wystarczającą wytrzymałość, aby oprzeć się rozszerzaniu, kiedy śruba 21 (fig. 3a) jest dokręcana nawet z bardzo wysokimi momentami dokręcania. Na przykład wkładka M8, wytworzona w procesie stanowiącym przedmiot wynalazku, może być dokręcana z momentami przekraczającymi 70 Nm bez uszkodzeń. Taka wkładka jest odpowiednia, w zakresie momentów dokręcania, dla śrub oznaczonych 10.9 i Profil twardości powstający podczas wyżarzania pasmowego może być zmienny, w zależności od dobranych parametrów, takich jak ukształtowanie pasmowej cewki wyżarzającej, ustawień mocy maszyny oraz czasu obróbki. Dzięki intensywności plastycznego odkształcania, podczas formowania zaślepionego łba pożądane jest płynne przejście ze strefy wyżarzania do strefy hartowania. Taki profil ukazuje fig. 10, gdzie wkładka M8 zawiera zmianę twardości pomiędzy kołnierzem wkładki 28, a odkształcalną częścią cylindryczną 29, na odległości około 1,5 mm oraz zmianę twardości pomiędzy częścią gwintowaną 30 i częścią 29 na odległości około 2 mm. W kolejnym przykładzie wykonania przedmiotu wynalazku wkładka, która ma pożądaną plastyczność w strefie 1 (fig. 1a) oraz wysoką wytrzymałość w strefie 2, dostosowaną do oznaczeń śrub 10.9 i 12.9 może być wytworzona przy zastosowaniu procesu 3 z fig. 2c. W takim wypadku wkładka jest wytwarzana ze średniowęglowej stali o zawartości od 0,3 do 0,35% węgla-wsadowy proces wyżarzania w czynności 2 (fig. 2c) wytwarza twardość około 140 Hv. Przy tej twardości wkładka ma odpowiednią plastyczność, aby wytrzymać boczne zaślepianie podczas montażu, bez pęknięć. Czynność 4 procesu 3 (fig. 2c) zawiera hartowanie indukcyjne strefy 2 z fig. 1. W procesie tym wytwarzana jest równomierna twardość w strefie 2 wynosząca około 350 do 400 Hv, jak widać z linii proces 3 z fig. 6. Proces hartowania indukcyjnego jest tak regulowany, aby utwardzanie nie dotyczyło strefy 1, w przeciwnym wypadku podczas zaślepiania łba wkładka byłaby podatna na pęknięcia na połączeniu między strefą wyżarzania, a strefą utwardzania. Z tego powodu obszar hartowania indukcyjnego nie przebiega przez całą długość strefy 2. Dla wkładki M8, na przykład, nie utwardzana część strefy 2 wynosi około 0,5 mm, jak ukazuje fig. 11. Możliwa jest modyfikacja sposobu, na przykład poprzez zamianę czynności 3 i 4 z fig. 2c tak, aby gwint wewnętrzny był formowany po czynności hartowania indukcyjnego. Zaletą wkładek stanowiących przedmiot wynalazku, wytwarzanych w procesie 2 (fig. 2b) lub w procesie 3 (fig. 2c) jest to, że są one szczególnie odpowiednie do zastosowania w przedmiotach obrabialnych znanych jako części kształtowane hydrodynamicznie. W takich przedmiotach obrabialnych, ukazanych przez fig. 7, otwór, w którym montowana jest wkładka jest przebijany podczas procesu kształtowania hydrodynamicznego. Ponieważ otwór jest ślepy nie stosuje się matrycy takiej jak w wypadku zwykłego przebijania otworu. Skutkiem tego jest efekt wgłębienia, w którym materiał krawędzi otworu jest obniżony, w stosunku do powierzchni przedmiotu obrabialnego. Inną cechą otworów przebijanych w częściach kształtowanych hydrodynamicznie jest to, że odkuwka z przebijania 23 z fig. 7 jest celowo pozostawiana, przymocowana do macierzystego przedmiotu obrabialnego. Zalety zastosowania wkładki stanowiącej przedmiot wynalazku staną się zrozumiałe w świetle poniższego opisu. Fig. 8 ukazuje wzdłużny przekrój przez zaślepioną wkładkę, zamontowaną w części ukształtowanej hydrodynamicznie, na przykład tej ukazanej na fig. 7, widoczne jest, że zaślepiona wkładka 13 1 w położeniu na obwodzie otworu 22, napotykając na pozostawioną odkuwkę 23 jest częściowo zakłócana przez odkuwkę, w związku z czym zaślepiony łeb 13 nie może być uformowany równomiernie. Jakkolwiek ze względu na to, że wkładka jest plastyczna w tym obszarze, ma ona możliwość odkształcenia się wokół tego zakłócenia. Ponadto, w niektórych wypadkach, efekt wgłębienia otworu jest taki, że wierzchnia powierzchnia 24 zainstalowanej wkładki znajduje się poniżej powierzchni 25 kształtowanego hydrodynamicznie przedmiotu obrabialnego. W takich wypadkach można zastosować przyrząd, ukazany na fig. 9, zawierający śrubę ściągającą 26 oraz płaski przecinak 27, poprzez które na wkładkę wywierana jest siła wystarczająca do tego, aby spowodować zmniejszenie wgłębienia przedmiotu obrabialnego, aż do momentu, kiedy wierzch

5 PL B1 5 wkładki 24 (fig. 9) znajdzie się na tym samym poziomie, co wierzchnia powierzchnia przedmiotu obrabialnego 25. Oczywiście jeżeli wierzchnia powierzchnia wkładki 24; miała znajdować się ponad poziomem przedmiotu obrabialnego 25, wtedy można zastosować przecinak, który zawiera pierścieniowy rowek w swej przedniej powierzchni. Dopuszczalne jest również połączenie działania śruby ściągającej i przecinaka z działaniem urządzenia montażowego. Operacja z zastosowaniem śruby ściągającej i przecinaka, w celu spłaszczenia wgłębienia, wymaga względnie dużej siły, która musi być przeniesiona przez gwint wkładki i przez zaślepiony łeb na przedmiot obrabialny. Wkładka, która ma wysoką wytrzymałość gwintu, w połączeniu z wysoką plastycznością obszaru zaślepionego łba jest idealna do takich zastosowań. Wkładka stanowiąca przedmiot wynalazku spełnia bowiem te wymagania. Przedmiot wynalazku nie ogranicza się do szczegółów opisanych przykładów wykonania. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wytwarzania zaślepionej wkładki gwintowanej z metalu, zawierającej pierwszą strefę i drugą strefę, przy czym druga strefa obejmuje nakrętkę a pierwsza strefa obejmuje promieniowo powiększoną główkę na jednym końcu oddalonym od drugiej strefy, pojedynczą odkształcalną część, pierwszą sekcję przejścia pomiędzy częścią odkształcalną a główką, a także drugą sekcję przejścia pomiędzy częścią odkształcalną a drugą strefą, obejmujący etapy co najmniej częściowego formowania wkładki w procesie obróbki na zimno bez wytwarzania gwintu na zimno, formowania gwintu wewnętrznego w nakrętce, oraz wyżarzania pierwszej strefy wkładki do wytworzenia plastyczności w części odkształcalnej wyższej niż plastyczność pozostałej części wkładki tak, że część odkształcalną ma stałą twardość o względnie niskiej wartości wzdłuż długości, w celu ułatwienia jej późniejszego odkształcenia podczas montażu, znamienny tym, że część odkształcalna rozciąga się na większą długość niż długość, na którą rozciąga się każda z sekcji przejścia. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że etap wyżarzania prowadzi się przez pasmowe wyżarzanie pierwszej strefy. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że poprzez pasmowe wyżarzanie wytwarza się kontrolowany profil twardości pomiędzy częścią wkładki, która wymaga wysokiej plastyczności, a częścią wkładki, która wymaga wysokiej wytrzymałości. 4. Sposób według jednego z zastrz. 1, znamienny tym, że jako metal stosuje się stal niskowęglową. 5. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że modyfikuje się go poprzez wzajemną zamianę miejscami czynności formowania wewnętrznego gwintu i czynności pasmowego wyżarzania pierwszej strefy. 6. Sposób wytwarzania zaślepionej wkładki gwintowanej z metalu, zawierającej pierwszą strefę i drugą strefę, przy czym druga strefa obejmuje nakrętkę a pierwsza strefa obejmuje promieniowo powiększoną główkę na jednym końcu oddalonym od drugiej strefy, pojedynczą odkształcalną część, pierwszą sekcję przejścia pomiędzy częścią odkształcalną a główką, a także drugą sekcję przejścia pomiędzy częścią odkształcalną a drugą strefą, przy czym część odkształcalna ma wyższą względną plastyczność niż pozostała część wkładki tak, że podczas montażu wkładki część odkształcalną będzie odkształcać się wcześniej niż pozostała część wkładki, przy czym część odkształcalna rozciąga się na większą długość niż długość, na którą rozciąga się każda z sekcji przejścia, obejmujący etapy co najmniej częściowego formowania wkładki w procesie obróbki na zimno bez wytwarzania gwintu na zimno, następnie wyżarzania pierwszej strefy wkładki tak, że ma stałą twardość o względnie niskiej wartości wzdłuż długości, następnie formowania gwintu wewnętrznego, znamienny tym, że przeprowadza się hartowanie indukcyjne co najmniej części nakrętki po etapie formowania gwintu wewnętrznego w nakrętce. 7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że modyfikuje się go poprzez wzajemną zamianę miejscami etapu formowania wewnętrznego gwintu i etapu wyżarzania pierwszej strefy wkładki. 8. Sposób według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że jako metal stosuje się stal średniowęglową. 9. Sposób według jednego z zastrz. od 6 do 7, znamienny tym, że zawiera kolejny etap obróbki powierzchniowej po etapie wyżarzania pierwszej strefy wkładki. 10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że w etapie obróbki powierzchniowej stosuje się powlekanie galwaniczne.

6 6 PL B1 11. Zaślepiona wkładka gwintowana, znamienna tym, że jest wytworzona przy pomocy sposobu według jednego z zastrzeżeń od 1 do 10 i posiada stałą twardość, o względnie niskiej wartości, wzdłuż znacznej części swojej długości. 12. Zaślepiona wkładka gwintowana zawierająca promieniowo powiększoną główkę, pojedynczą część odkształcalną oraz nakrętkę, gdzie nakrętka posiada gwint wewnętrzny i twardość o zasadniczo stałej wartości rozciągającej się promieniowo od gwintu wewnętrznego do powierzchni zewnętrznej nakrętki, znamienna tym, że część odkształcalną ma twardość o zasadniczo stałej wartości wzdłuż znacznej części swojej długości, przy czym twardość części odkształcalnej jest mniejsza niż twardość nakrętki. 13. Wkładka według zastrz. 12, znamienna tym, że twardość nakrętki przekracza 200 Hv. Rysunki

7 PL B1 7

8 8 PL B1

9 PL B1 9

10 10 PL B1

11 PL B1 11

12 12 PL B1

13 PL B1 13

14 14 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 4,92 zł (w tym 23% VAT)