Marek Kołodziej, Maciej Kowalski: Ocena efektywności wygniatania

1492
MECHANIK NR 10/2016
Ocena efektywności wygniatania gwintów
w stopach magnezu
Estimate of the effectiveness thread forming in magnesium alloys
MAREK KOŁODZIEJ
MACIEJ KOWALSKI *
W artykule przedstawiono wyniki badań nad możliwością zastosowania wstępnego podgrzania stopów magnezu w celu uzyskania lepszej jakości oraz wytrzymałości na zrywanie podczas
wygniatania gwintów. Uzyskane wyniki porównano z gwintami
wykonanymi tradycyjnymi gwintownikami skrawającymi.
SŁOWA KLUCZOWE: gwint, stopy magnezu
The article presents results of research on the possibility of
using pre-heat the magnesium alloys in order to achieve better
quality and tensile strength during the thread forming. The
results were compared with conventional threads made screw
tap.
KEYWORDS: thread, magnesium alloys
Połączenia gwintowe są dziś często stosowane w budowie maszyn, a także w życiu codziennym. Służą przede
wszystkim do łączenia elementów, pełnią również funkcje
przenośnika siły oraz ruchu. Jedną z metod kształtowania
plastycznego gwintów wewnętrznych jest proces wygniatania, który polega na wyciskaniu gwintu wewnątrz obrabianego materiału narzędziem o spiralnie ukształtowanej
części formującej. Spiralny gwint, poprzez poligonalnie
(wielokątnie) ukształtowaną część wygniataka, jest „wkręcany” do wywierconego otworu z odpowiednim, stałym
posuwem zgodnym z podziałką gwintu. Profil gwintu jest
wciskany w materiał gwintowanego otworu stopniowo poprzez stożek prowadzący (nakrój) [1÷4]. Podczas procesu
nagniatania gwintów nie dochodzi do przerwania włókien
w materiale obrabianym, co ma miejsce podczas obróbki
skrawaniem. Dzięki temu następuje powierzchniowe utwardzenie materiału, a co za tym idzie zwiększenie wytrzymałości zwojów gwintu na ścinanie, zginanie oraz naciski
powierzchniowe [5].
Metodyka badań
Badaniom poddano stopy odlewnicze na bazie magnezu
AZ91 oraz AM60. Stopy te charakteryzują się dobrą lejnością oraz dobrym stosunkiem masy do wytrzymałości. Do
badań wybrano jeden z wielu możliwych do wykonania
gwintów (z uwagi na jego szerokie zastosowanie) – gwint
metryczny M6. Próbki do badań przygotowano w postaci
„plastrów” o grubości od 20 do 22 mm, które zostały odcięte
z półwyrobów w postaci wlewków. Aby w pełni wykorzystać
powierzchnię próbek, naniesiono na nie siatki ustalające
położenie kolejnych otworów. Aby uniknąć odkształcania
się otworów podczas obróbki gwintownikiem i gniotownikiem, został przyjęty minimalny odstęp pomiędzy krawędziami sąsiednich otworów wynoszący 6 mm. Do wykonania otworów i ich nagwintowania posłużono się wiertłami
o średnicach: Ø5 mm oraz Ø5,5 mm. Do wykonania gwintów zastosowano gwintownik skrawający VIS M6-6H oraz
* Dr inż. Marek Kołodziej ([email protected]), dr inż. Maciej
Kowalski ([email protected]) – Katedra Obrabiarek i Technologii
Mechanicznych Politechniki Wrocławskiej
DOI: 10.17814/mechanik.2016.10.426
gwintownik wygniatający EMUGE M6-6HX. Ponadto, aby
proces wygniatania przebiegał poprawnie, konieczne
było zapewnienie odpowiedniego smarowania. Ponieważ
otwory były wygniatane w temperaturze dochodzącej do
350°C, zastosowano olej FLOWDRILL FTMZ, znajdujący
zastosowanie w procesach gwintowania w podwyższonej
temperaturze oraz wiercenia termicznego. Próbki zostały nagwintowane ręcznie, aby uniknąć ich nadmiernego
ochłodzenia podczas przenoszenia z pieca na wiertarkę
i mocowania na jej stole. Dzięki temu czas od wyjęcia
próbki z pieca do jej nagwintowania nie przekraczał 60 s.
Przebieg procesu gwintowania przedstawiono na rys. 1.
÷
Rys. 1. Przebieg procesu gwintowania gwintownikiem wygniatającym
W celu porównania wyników uzyskanych dla różnych
wartości temperatury wstępnego podgrzania gwinty zostaną wykonane w następującej temperaturze: 20 °C; 200 °C;
250 °C; 300 °C; 350 °C. Do podgrzania próbek wykorzystano piec laboratoryjny. Wykonane gwinty poddano
oględzinom wizualnym za pomocą mikroskopu laboratoryjnego oraz zrywaniu gwintu za pomocą klucza dynamometrycznego.
Wyniki badań
Analizę jakości powstałych gwintów rozpoczęto od oględzin wizualnych i ustalenia, czy otrzymane gwinty odznaczają się właściwym zarysem uzwojenia, oraz porównania
ich z gwintem wzorcowym, wykonanym w temperaturze
otoczenia za pomocą gwintownika skrawającego. Na rys. 2
przedstawiono zestawienie gwintów wykonanych dla różnych wartości temperatury wstępnego podgrzania w stopach magnezu AM-60 i AZ-91.
Porównując fotografie przedstawiające uzwojenia gwintów w obu stopach, wykonane gwintownikiem skrawającym
i wygniatającym w temperaturze otoczenia, można jednoznacznie stwierdzić, że metoda wygniatania nie daje zadowalających efektów i nie pozwala na uzyskanie gwintu
o prawidłowym zarysie. Niedostateczna plastyczność stopu
magnezu w tej temperaturze uniemożliwia prawidłowe płynięcie materiału i w efekcie – ukształtowanie się zwojów
gwintu, których wierzchołki ulegają skruszeniu. Powoduje
to powstawanie wiórów, które dyskwalifikują proces obróbki plastycznej. Ponadto tworzące się w początkowej fazie
gwintowania wióry zapychają wręby gniotownika i powodują
jeszcze rozleglejsze uszkodzenia powstającego uzwojenia.
MECHANIK NR 10/2016
+
a)
1493
MECHANIK NR .../20...
b)
Rys. 5. Przebieg maksymalnego momentu zrywającego dla stopu AM-60
Rys.
5. Przebieg
maksymalnego
momentu
zrywającego dla stopu
w zależności
od temperatury
wstępnego
podgrzania
AM-60 w zależności od temperatury wstępnego podgrzania
Rys.
Jakość powierzchni
powierzchnigwintu
gwintuw w
stopie:
a) AZ-91,
b) AM-60,
Rys. 2.
2. Jakość
stopie:
a) AZ-91,
b) AM-60,
w
w zależności
od temperatury
wstępnego
podgrzani
a
zależności
od temperatury
wstępnego
podgrzania
W
wyniku dalszej analizy i porównania próbek wykonanych
W wyniku dalszej analizy i porównania próbek wykonametodą
wygniatania,
ale dla
temperatury
podgrzania
nych metodą
wygniatania,
aleróżnej
dla różnych
temperatur
podmateriału,
daje siędaje
zauważyć,
że wraz
ze wzrostem
temgrzania materiału,
się zauważyć,
że wraz
ze wzrostem
peratury
w zakresie
20÷350
°C uzyskano
poprawę stanu
stanu
temperatury
w zakresie
20÷350°C
uzyskano poprawę
powierzchni
gwintu oraz
oraz zmniejszenie
zmniejszeniesię
się ubytku
ubytkuwysokości
wysokości
powierzchni gwintu
uzwojenia. Wynika
Wynika to
toniewątpliwie
niewątpliwieze
zezwiększenia
zwiększeniaplastycznoplastyczności
materiału,
co umożliwia
dokładniejsze
wypełnienie
ści
materiału,
co umożliwia
dokładniejsze
wypełnienie
wrębów
wrębów gwintownika.
stopu
AM-60
opisane
procesy
gwintownika.
Dla stopuDla
AM-60
opisane
procesy
przebiegają
przebiegają
płynnie,
natomiast stopu
w przypadku
stopu
AZ-91
płynnie,
natomiast
w przypadku
AZ-91 daje
się zauwadajeznaczącą
się zauważyć
znaczący
różnicę
w gwintami
jakości między
gwinżyć
różnicę
w jakości
między
wykonanymi
tami
wykonanymi
w
temperaturze
250
i
300°C.
W
temperaw temperaturze 250 i 300 °C. W temperaturze powyżej 300 °C
turach powyżej 300°C materiał wydaje się uzyskiwać
materiał wydaje się uzyskiwać wystarczającą plastyczność,
wystarczającą plastyczność, co pozwala na powstanie chaco
pozwala na powstanie
charakterystycznych
kieszeni
na
rakterystycznych
kieszeni na
wierzchołkach zarysu
gwintu
wierzchołkach
zarysu
gwintu
(rys.
3).
Jest
to
zjawisko
po(rys. 3). Jest to zjawisko pożądane w tym rodzaju obróbki i
żądane
w tym
rodzaju obróbki
i nie wpływa
negatywnie
na
nie wpływa
negatywnie
na wytrzymałość
przyszłego
połąwytrzymałość
przyszłego połączenia.
czenia.
Rys. 3. Widok kieszeni na wierzchołku uzwojenia gwintu
Rys. 3. Widok kieszeni na wierzchołku uzwojenia gwintu
W kolejnym etapie przeprowadzono badania wytrzymaW kolejnym etapie badań przeprowadzono badania wyłościowe,
które polegały na zrywaniu wykonanych gwintów
trzymałościowe, które polegały na zrywaniu wykonanych
i pomiarze maksymalnego momentu, dla którego nastęgwintów i pomiarze maksymalnego momentu, dla którego
powało
zniszczenie
uzwojenia.
Odczyt
momentu
zrywanastępowało
zniszczenie
uzwojenia.
Odczyt
momentu
zryjącego
był
możliwy
dzięki
zastosowaniu
nasadki
dynamowającego był możliwy, dzięki zastosowaniu nasadki dynametrycznej
nanaklucz
zastosowano
mometrycznej
klucznasadowy.
nasadowy. Do
Do badań
badań zastosowano
śruby
wykonane w
w 10.9
10.9 klasie
klasie dokładności.
dokładności. Gwint
Gwint
śruby M6x20
M6x20 wykonane
poddawano
zrywaniu na
na długości
długości 10,4
10,4 mm.
mm. Wyniki
Wyniki przeprzepoddawano zrywaniu
prowadzonych badań
na rys.
4 dla4 stopu
AZprowadzonych
badańzamieszczono
zamieszczono
na rys.
dla stopu
91 i rys.i na
5 dla
linią oznaczono
wyAZ-91
rys.stopu
5 dlaAM-60.
stopu Czerwoną
AM-60. Czerwoną
linią oznatrzymałość
gwintu nacinanego
skrawającym,
czono
wytrzymałość
gwintu gwintownikiem
nacinanego gwintownikiem
która stanowi wartość
odniesienia.
skrawającym,
która stanowi
wartość odniesienia.
Rys. 4. Przebieg maksymalnego momentu zrywającego dla stopu AZ-91
4. Przebieg
maksymalnego
momentu
zrywającego dla stopu
wRys.
zależności
od temperatury
wstępnego
podgrzania
AZ-91 w zależności od temperatury wstępnego podgrzania
Zauważalny jest wyraźny trend rosnący na wykresie
Zauważalny jest wyraźny trend rosnący widoczny na wywyników
momentu zrywającego, który uzyskano dla próbek
kresie wyników momentu zrywającego, który uzyskano dla
wykonanych
w stopie AZ-91. Porównując gwinty dla tego
próbek wykonanych w stopie AZ-91. Porównując gwinty, dla
stopu,
wykonane
w temperaturze
otoczenia
gwintownikiem
tego
stopu,
wykonane
w temperaturze
otoczenia
gwintowniskrawającym
i
wygniatającym,
należy
stwierdzić,
żeże
wykiem skrawającym i wygniatającym należy stwierdzić,
gniatanie daje
wygniatanie
dajegwinty
dużo dużo
gorszegorsze
gwintypod
podwzględem
względemwytrzywymałości nanazrywanie.
zwiększanietemperatury
temperatury
trzymałości
zrywanie. Jednakże
Jednakże zwiększanie
wstępnegopodgrzania
podgrzaniapróbki
próbkidaje
dajestopniowy
stopniowywzrost
wzrost
wywstępnego
wytrzymałości
trzymałościgwintów.
gwintów.Największą
Największąwytrzymałość
wytrzymałośćuzyskano
uzyskano
przy
przymaksymalnej
maksymalnejtemperaturze,
temperaturze,dladlaktórej
którejwykonywano
wykonywano
badania
badaniadoświadczalne.
doświadczalne.
Zdecydowanie
sięsię
stop
magnezu
AMZdecydowanieinaczej
inaczejzachowuje
zachowuje
stop
magnezu
AM60,
nienie
daje
zwięk60,dla
dlaktórego
któregopodwyższanie
podwyższanietemperatury
temperatury
daje
zwiększenia wytrzymałości na zrywanie. Faktem jest, że w niemal
szenia wytrzymałości na zrywanie. Faktem jest, że w niecałym zakresie rozpatrywanych temperatur wygniatane
mal całym zakresie rozpatrywanej temperatury wygniatane
gwinty odznaczały się gorszą wytrzymałością, niż gwinty
gwinty odznaczały
się gorszą wytrzymałością
niżAZ-91
gwinty
skrawane.
Różnice w uzyskanych
wynikach dla stopu
skrawane.
Różnice
w
uzyskanych
wynikach
dla
stopu
AZ-91
i AM-60 należy tłumaczyć różnicami w składzie chemicznym
AM-60 należy
tłumaczyć
różnicami
w składzie
chemicznym
i izwiązanymi
z tym
właściwościami
badanych
stopów.
i związanymi z tym właściwościami badanych stopów.
Podsumowanie
Podsumowanie
Na podstawie uzyskanych wyników pomiarów wytrzymaNa podstawie uzyskanych wyników pomiarów wytrzymałości i kształtu zarysu gwintów oraz zdjęcia mikroskopołości
zarysu gwintów
oraz zdjęć mikroskopowych
wych, i kształtu
stwierdzono,
że
zastosowanie
gwintownika
stwierdzono, żepozwoliło
zastosowanie
gwintownika
wygniatającego
wygniatającego
na wzrost
jakości oraz
wytrzymapozwoliło
wzrostdla
jakości
wytrzymałości
jedyłości
gwintuna
jedynie
stopuoraz
AZ-91
podgrzanegogwintu
wstępnie
nienajwyższych
dla stopu AZ-91
podgrzanego wstępnie
do najwyższej
do
z rozpatrywanych
temperatur.
Niestety
analizowanej
temperatury.
Niestety
miejscowe
podgrzanie
miejscowe
podgrzanie
materiału
do temperatur
sięgających
350
°C nastręcza
liczne problemy,
jak350
chociażby
materiału
do temperatury
sięgającej
°C rodziwybór
liczne
metody
podgrzania
(np. indukcyjne,
oporowe,podgrzania
płomieniowe),
problemy,
jak chociażby
wybór metody
(np.
koszt
poświęconej
na topłomieniowe),
energii oraz czas
całego
procesu.na
indukcyjne,
oporowe,
koszt
poświęconej
Dopiero
pooraz
uwzględnieniu
tych
czynników
można
podjąć
to energii
czas całego
procesu.
Dopiero
po uwzględracjonalną
decyzję,
co do można
wyboru podjąć
metody racjonalną
gwintowania.
nieniu tych
czynników
decyzję,
Osobnym zagadnieniem jest problem tworzenia się wióco do wyboru metody gwintowania.
rów podczas wygniatania w niedostatecznie nagrzanym
Osobnym zagadnieniem jest problem tworzenia się wiómateriale. W konwencjonalnych konstrukcjach z materiałów
rów
wygniatania
w niedostatecznie
nagrzanym
takich podczas
jak stal czy
aluminium, nie
stanowiłoby to problemu,
o
materiale.
W konwencjonalnych
konstrukcjach
z takich
ile
by nie skutkowało
osłabieniem połączenia.
Jednak
wiórymai
teriałów,
jak stalodznaczają
czy aluminium,
nie stanowiłoby
to problemu,
pył
magnezowy
się znaczną
łatwopalnością
i ich
o ile by nie
skutkowało osłabieniem
połączenia.
Jednak wióobecność
dyskwalifikuje
element do pracy
w temperaturach
ry i pył magnezowy
się znaczną
łatwopalnością
grożących
zapłonem.odznaczają
W takim wypadku
alternatywnym
rozwiązaniem
możedyskwalifikuje
być zastosowanie
wkładek
gwintowych.
i ich obecność
element
do pracy
w tempera-
turze grożącej zapłonem. W takim wypadku alternatywnym
rozwiązaniem może być zastosowanie wkładek gwintowych.
LITERATURA
1. Łyczko K.: Technologia walcowania gwintów zewnętrznych.
LITERATURA
Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2010
2.1.Łyczko
Łyczko K.:
Warszawa:
Wydawnictwo
WNT,
K. Gwintowniki
„Technologiawygniatające.
walcowania gwintów
zewnętrznych”.
Warszawa,
2013
Wydawnictwa Naukowo-Techniczne. 2010.
3.2.Łyczko
Oczoś K.,K.Kawalec
A.: Kształtowanie
metali
lekkich.Wydawnictwo
Warszawa: Wy„Gwintowniki
wygniatające”.
Warszawa,
WNT.
dawnictwo
Naukowe PWN, 2012
2013.
4.3.Oczoś
Okoński S.,
R., Tabor A.: Jakość
K., Moszumański
Kawalec A. „Kształtowanie
metali gwintów
lekkich”.wewnętrznych
Warszawa, Wywalcowanych
i nagniatanych
rolkowymi. Kraków: Politechnidawnictwo Naukowe
PWN. głowicami
2012.
ka Krakowska,
2010
4.Okoński
S., Moszumański
R., Tabor A. „Jakość gwintów wewnętrznych
5. Przybylski
W.: Technologia
obróbki
nagniataniem.
Warszawa:
Wydawwalcowanych
i nagniatanych
głowicami
rolkowymi”.
Kraków,
Politechnictwa
Naukowo-Techniczne,
1987
nika Krakowska.
2010.
■
5.Przybylski W. „Technologia obróbki nagniataniem”. Warszawa, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne. 1987.
■