Элементы теории процесса накатывания резьб

Накатывание резьб, как и шлицев, есть процесс пластической деформации металла, при котором происходит формирование профиля без снятия стружки.

Теория пластической деформации металлов создана трудами многих советских и зарубежных ученых. К ним в первую очередь относятся С. И. Губкин, Г. А. Смирнов-Аляев, В. С. Смирнов, Е. П. Унксов, а также многие другие ученые, разработавшие отдельные разделы и вопросы этой теории.

Накатывание резьбы в холодном состоянии основано на использовании пластических свойств металлов, т. е. на способности их в определенных условиях принимать под влиянием внешних сил, действующих статически или динамически, остаточные деформации без нарушения целостности. Заготовке придают требуемую форму и размер под накатывание. Формирование профиля резьб происходит за счет перераспределения-элементарных объемов заготовки, причем ее исходный объем остается приближенно постоянным.

Пластическая деформация металла заготовки сопровождается упругой деформацией. Механизм упругой и пластической деформации металлов согласно современным представлениям подробно изложен в трудах С. И. Губкина и других ученых. В самом общем виде они могут быть представлены следующим образом.

В зависимости от величины прилагаемого усилия происходит временное изменение межатомных расстояний в объемной кристаллической решетке обрабатываемого металла, внутрикристаллические и межкристаллические сдвиги. Когда прилагаемые усилия достигают определенного значения, помимо упругой деформации появляется пластическая (остаточная) деформация, и тело приобретает новую форму.

Обратимое изменение объема, а, следовательно, и размеров заготовки необходимо учитывать при накатывании резьбы. Изменение формы и размеров накатываемых деталей вследствие упругой деформации накатных роликов учитывается путем соответствующей корректировки формы и размеров профиля роликов.

Явления, характеризующие протекание процесса пластической деформации, обусловлены строением и свойствами обрабатываемого металла.

Как известно, все технические металлы имеют поликристаллическое строение, т. е. представляют собой зерна неправильной формы, анизотропные по своим механическим, химическим и физическим свойствам. Зерна состоят из металлического вещества, имеющего кристаллическое строение. Это значит, что атомы металла расположены в определенном порядке и образуют пространственную атомную решетку.

Большинство применяемых в машиностроении металлов имеет один из следующих трех типов пространственной решетки: гранецентрированную кубическую (у-железо, медь, никель, алюминий и др.); объемноцентрированную кубическую (а- и В-железо, а-хром. молибден, вольфрам, ванадий и др.); гексагональную плотноупакованную (бериллий, магний, титан и др.).

Механизм пластической деформации и явления, протекающие при деформировании металла, зависят не только от строения и свойств металла, но также от температуры и скорости деформации.

Деформацию, производимую при температуре более низкой, чем температура рекристаллизации, называют холодной деформацией.

Механизм холодной деформации характеризуется следующими явлениями: сдвиговой деформацией, изгибанием пространственной решетки, двойникованием‚ блокированием и изгибом блоков.

Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования показали наличие при деформировании металла линий скольжения, характеризующих сдвиги одних частей монокристаллов или кристаллитов относительно других. Впервые линии скольжения были обнаружены Д. К. Черновым. Доказано, что скольжение происходит по определенным кристаллографическим направлениям и по плоскостям решетки с наиболее плотным расположением атомов. Так, в кристаллах с кубической решеткой такими плоскостями являются плоскости октаэдра или грани куба.

Многими исследованиями установлено, что в процессе пластической деформации среди зерен с ясно выраженной сдвиговой деформацией наблюдаются участки с иным направлением, чем направление линий сдвигов. Это изменение направлений сдвигов есть результат изгиба кристаллографических плоскостей сдвига.

Помимо явлений скольжения внутри кристаллов и изгиба атомной решетки у некоторых металлов при их деформировании наблюдается одновременное скольжение по системе атомных плоскостей и поворот деформированных частей кристалла в зеркальное положение по отношению к недеформированному положению. Такое явление называют двойникованием. Двойникование сравнительно редко наблюдается при статическом нагружении и значительно чаще при деформировании ударом.

При малых скоростях пластическая деформация в начальной стадии может происходить за счет блокирования, т. е. дробление зерен на отдельные блоки без нарушения сплошности металла и пространственной решетки внутри каждого отдельного блока. Одновременно с образованием блоков происходит их поворот.

Возрастание пластической деформации приводит в конечном счете к дроблению кристаллита. После образования блоков начинается сдвиговая деформация. Таким образом, последовательность явлений, протекающих в металле по мере возрастания пластической деформации, следующая: блокообразование и поворот блоков, сдвиг и изгиб пространственной решетки.

Такой сложный характер механизма пластической деформации приводит к необходимости экспериментального изучения различных процессов обработки металлов давлением, в том числе и процесса накатывания резьбы, для установления оптимальных условий ведения этих процессов.

На фиг. 1 приведена картина течения металла при накатывании резьбы М10 на заготовке из стали 45.

Весь процесс формирования профиля резьбы разбит на десять последовательных ступеней (1-10) с начала вдавливания роликов в заготовку до образования полного профиля резьбы. На фиг. 1 показаны отдельные ступени процесса, а на фиг. 2 — картина изменения высоты подъема металла для каждой ступени при изменении глубины проникновения ролика в тело заготовки.

Анализ кривых, приведенных на фиг. 2, показывает следующее.

До ступени 3 при вдавливании роликов в заготовку обнаруживается довольно медленное течение металла вверх. Дальше, до ступени б, также наблюдается замедленное течение металла. Очевидно, на этой стадии формообразования вследствие уплотнения металла происходит сдвиг и поворот кристаллитов. Только начиная со ступени б наблюдается интенсивное течение металла вверх, пропорционально глубине проникновения роликов в тело заготовки. Следует предположить, что у ступени 6 достигается наибольшая глубина упрочнения поверхностного слоя металла у впадины резьбы.