Jak to działa – precyzyjne walcowanie gwintów

W Horst Engineering & Manufacturing Co. działające od roku wieloosiowe centra tokarskie Citizen Swiss i tokarki wieloosiowe Eurotech pompują kompletne, precyzyjnie obrobione komponenty. Toczą się, wiercą, frezują, a nawet gwintują. Jednak w tej samej małej fabryce w East Hartford w stanie Connecticut siostrzana firma Horst Engineering, Thread Rolling Inc., używa pięćdziesięcioletnich nawlekarek walcowych Waterbury, Hartford i Reed do formowania gwintów zewnętrznych w wyspecjalizowanym, a jednocześnie elegancko prostym procesie wtórnym.Nie wszystkie ich maszyny są antykami. Duża część sprzętu została odnowiona, a nowsze maszyny są mieszane ze starymi. Dlatego dobrze się składa, że ​​zamieszkali w najbardziej historycznej części starej fabryki, gdzie pięćdziesięciopięcioletnia podłoga z bloczków drewnianych symbolizuje sześćdziesięcioletnią rodzinną firmę.

Walcowanie gwintów to proces znany już od ponad stu lat i istnieją maszyny, które w porównaniu z nimi sprawiają, że pięćdziesięcioletnie maszyny wyglądają młodziej. Rolki gwintowane są dostępne w różnych typach i rozmiarach, ale wszystkie wykorzystują mechanizm, w którym matryce ze stali hartowanej są dopasowane i ustawione tak, aby penetrowały z siłą, aby przekształcić powierzchnię materiału o okrągłej średnicy w kształt gwintu. Cylindryczny przedmiot lub półfabrykat jest podawany do maszyny (ręcznie lub automatycznie), a matryce obracają się (matryce cylindryczne) lub poruszają się ruchem posuwisto-zwrotnym (matryce płaskie), aby wytworzyć gwint w procesie formowania „bezwiórowego”. Każdy kształt, kształt i rozmiar gwintu ma unikalny zestaw matryc, które są zwykle szlifowane ze stali narzędziowej poddanej obróbce cieplnej (zwykle Rockwell C 58-62) i zamawiane, a nie produkowane we własnym zakresie.

Walcowanie gwintów to przede wszystkim proces formowania na zimno przeprowadzany w temperaturze pokojowej, ale istnieje nisza dla walcowania na gorąco, gdy materiały są większe niż Rockwell C 45, ponieważ żywotność matrycy byłaby poważnie zagrożona. Podobnie jak szlifowanie bezkłowe, proces siostrzany, proces walcowania gwintów może odbywać się z posuwem lub przelotowym. Walcowanie gwintów jest metodą z wyboru w przypadku zastosowań związanych z gwintowaniem na dużą skalę. Planetarne maszyny do gwintowania walców matrycowych są w stanie formować gwinty na dziesiątkach tysięcy części na godzinę. Szybkobieżne pionowe lub nachylone maszyny tłokowe z płaskimi matrycami mogą również generować duże wydajności produkcyjne, a poziome cylindryczne maszyny z dwiema matrycami mogą szybko wyprodukować tysiące stóp pręta gwintowanego.

Wiele artykułów, które można kupić w lokalnym sklepie z narzędziami, takich jak wkręty do drewna, śruby do drewna i wkręty maszynowe, zostało wyprodukowanych masowo przy pomocy maszyn do walcowania gwintów. Gwinty Acme, podporowe, ślimakowe, kwadratowe i rurowe to tylko kilka unikalnych form, które można wytworzyć poprzez walcowanie gwintów; jednakże gwinty śrubowe maszynowe są najbardziej znane osobom zajmującym się obróbką precyzyjną.

Z jednej strony automatyczne walcowanie gwintów na dużą skalę jest interesujące ze względu na szybkość i stabilność wymiarową procesu, ale produkcja elementów złącznych i części klasy komercyjnej jest stosunkowo powszechną praktyką. Na drugim końcu spektrum znajduje się bardzo wyspecjalizowana nisza precyzyjnego walcowania gwintów, głównie w małych partiach części. Niektóre gałęzie przemysłu zaawansowanych technologii, w tym lotnictwo i sporty motorowe, wymagają gwintów o wyjątkowo wąskich tolerancjach z doskonałym wykończeniem powierzchni oraz dodatkowej wytrzymałości właściwej częściom wytwarzanym w procesie formowania. Thread Rolling Inc. wykorzystuje kombinację pionowych cylindrycznych maszyn z trzema matrycami, poziomych maszyn z płaskimi matrycami i poziomych cylindrycznych maszyn z dwiema matrycami do produkcji precyzyjnych gwintów.

Koncentrujemy się na produkcji różnorodnych gwintów śrubowych o wysokiej precyzji, koncentrując się na standardowych, ujednoliconych i metrycznych kształtach gwintów 60°, najczęściej spotykanych w przemyśle lotniczym. Najczęściej walcowane tutaj wątki to klasa 2A i klasa 3A w postaciach UNF, UNC, UNJF i UNJC. Gwinty w kształcie litery „J” mają większy, kontrolowany promień nasady, co zapewnia dodatkową wytrzymałość w obszarze gwintu o dużym naprężeniu i są powszechne w przemyśle lotniczym. Kontrola wymiarowa gwintów wysokiej jakości różni się od odmiany komercyjnej. Specyfikacje są różne, ale normy lotnicze i wojskowe wymagają, aby do sprawdzenia średnicy podziałowej i powiązanych wymiarów stosować wskaźnik gwintu wskazujący.

Kontrolę średnic podziałowych przeprowadza się zarówno za pomocą sprawdzianów pełnych, jak i jednoelementowych, wskazujących, ustawionych za pomocą wzorców gwintów. Sprawdziany pierścieniowe gwintowane służą wyłącznie do celów informacyjnych. Do kontroli głównych średnic stosuje się standardowe mikrometry o średnicy zewnętrznej, a komparatory optyczne służą do sprawdzania mniejszych średnic i promieni grani. Dzięki dostępności wszystkich tych sprawdzianów na hali produkcyjnej operator walcowania gwintów może monitorować proces i szybko wprowadzać zmiany. Zużycie matrycy i inne zmienne mogą mieć wpływ na proces walcowania, ale po ustawieniu maszyny proces jest spójny i powtarzalny.

Gwinty formowane są preferowane w przypadku zastosowań o wysokiej wytrzymałości i krytycznych, takich jak te występujące w przemyśle lotniczym. Gwinty walcowane, zwłaszcza na częściach poddanych obróbce cieplnej, mają wyższą wytrzymałość na rozciąganie, ścinanie i zmęczenie. Podczas procesu walcowania nie jest usuwany żaden materiał, co eliminuje jedną z nieodłącznych wad gwintów ciętych lub szlifowanych. Właściwości formowania na zimno obejmują większą gęstość ziaren materiału lub cząsteczek, szczególnie tam, gdzie zostały one zagęszczone wzdłuż dolnej powierzchni bocznej każdego skoku gwintu oraz w nasadzie gwintu.

Metale lotnicze mogą być trudne w obróbce i formowaniu, dlatego powszechnie stosowane nasadki do gwintowania stosowane w maszynach śrubowych i tokarkach do pracy o większej objętości mają trudności ze spełnieniem wymagań jakościowych precyzyjnych gwintów. Siły wymaganej do formowania gwintów w stali stopowej poddanej obróbce cieplnej lub w częściach ze stopów egzotycznych wykonanych z Inconelu® lub tytanu nie można skutecznie osiągnąć bez użycia dedykowanego sprzętu. Firma Thread Rolling Inc. koncentruje się na gwintach o średnicy mniejszej niż 1500 cali, ale gwinty walcowane produkowane są na elementach złącznych o średnicy do 5,00 cali i nawet większej. Aby przemieścić tak dużą ilość materiału, potrzeba dużej siły, sięgającej trzydziestu lub czterdziestu ton nacisku walcowania generowanego przez bardzo duże maszyny. Niektóre gwinty są uważane za tak krytyczne, że wymagany jest proces pobierania próbek w ramach badań niszczących w celu mikroskopowego zbadania każdego skoku gwintu przy 500X.

Prawidłowo uformowane gwinty wymagają, aby matryce były dokładnie ustawione w jednej linii lub „dopasowane”. Niezależnie od tego, czy w procesie wykorzystywane są dwie, czy trzy matryce, muszą one być prawidłowo prowadzone, aby uniknąć defektów wewnętrznych, takich jak zakładki, pęknięcia, fałdy, szwy i kratery. Metoda niszczącej kontroli gwintów służy do identyfikacji defektów wewnętrznych i sprawdzenia, czy uzyskano właściwy przepływ ziaren materiału. Reprezentatywne próbki są testowane na początku każdej nowej konfiguracji oraz okresowo w trakcie serii produkcyjnej.

Proces testowania wymaga wycięcia gwintów z reszty części, podzielenia ich wzdłużnie na pół, osadzenia w żywicy epoksydowej, oszlifowania i docierania do wykończenia o wartości trzech mikronów, wytrawienia w celu ukazania mikrostruktury i sprawdzenia pod mikroskopem. Cały proces trwa nieco ponad godzinę, ale wymaga specjalistycznego sprzętu do przygotowania metalograficznego i kontroli. Ponieważ produkcja jest wstrzymywana ze względu na testy, potrzebny jest szereg maszyn, więc mechanicy pracują nad kilkoma zadaniami jednocześnie, na przemian szlifując, gwintując i testując.

Często części są odbierane do serwisu w opakowaniach zbiorczych, ale kiedy są zwracane z błyszczącymi, precyzyjnymi gwintami, są pakowane indywidualnie z zabezpieczeniami, aby zapobiec uszkodzeniom podczas transportu. Któregoś dnia sprzedawca pakował pojedynczy niebieski pojemnik wyłożony wyściełaną pianką.

Wkładka piankowa została wycięta na potrzeby pojedynczego prototypowego wału. Ta osiemnastocalowa część była gwintowana na obu końcach. Część została zaprojektowana i skonstruowana tak, aby pomieścić gwinty walcowane. Oznaczało to, że średnice gwintu przed walcowaniem zostały odpowiednio sfazowane i szlifowane do prawidłowej średnicy podziałowej, czyli hipotetycznej średnicy pomiędzy średnicą większą i mniejszą, która służy do określenia rozmiaru gwintu. To konkretne zadanie nie wymagało badań niszczących, ale elementy zestawu zostały wyprodukowane z podobnego materiału w celu ustawienia maszyn. Przy wielkości partii obejmującej jedną sztukę nie ma miejsca na błędy, o czym doskonale wiedzieli wysoko wykwalifikowani mechanicy.

Najwyższej jakości nici walcowane produkowane są z najwyższej jakości półfabrykatów. Z tego powodu większość części wysyłanych do Thread Rolling Inc. pozostaje przewymiarowana, tak aby ostateczny proces wymiarowania mógł być kontrolowany poprzez szlifowanie bezkłowe. Po zeszlifowaniu odpowiedniego rozmiaru, zwykle przez współpracujący element do gwintowania i element szlifierski, części są szlifowane do ich ostatecznego rozmiaru w granicach 0,0004 cala, przy zachowaniu okrągłości w granicach 0,000050. Przed walcowaniem gwintów wykończenie powierzchni na średnicy jest zawsze lepsze niż 32 mikrocale. Dzięki nagniatającemu działaniu matryc wykończenie po walcowaniu, zwłaszcza na bokach, może wynosić nawet 4 mikrocale, w zależności od materiału i twardości. Wykończenie to kolejny powód, dla którego warto wybrać walcowanie zamiast innych procesów gwintowania.

Brak sterowania CNC w większości urządzeń oznacza, że ​​proces nie jest tak przyjazny dla użytkownika jak obróbka śrub, toczenie czy frezowanie. Trudno jest wyjaśnić klientom, że główna średnica w rzeczywistości zwiększa się podczas walcowania. Niektórzy nie chcą wierzyć, że uda im się skręcić swoje blanki poniżej średnicy głównej i że ich części nie pójdą na złom. Na przykład gwint.250-28 UNF-3A ma średnicę podziałową.2268-.2243 i średnicę główną.2500-.2435. Rozmiar półwyrobu przed gwintowaniem walca będzie bliski maksymalnej średnicy podziałowej, a materiał przemieszczany przez matryce uformuje się w zakresie mieszczącym się w głównej tolerancji średnicy.

Pracownicy Thread Rolling Inc. często słyszą, że klienci unikają prac wymagających walcowania gwintów, ponieważ proces ten wydaje się trudny, tajemniczy lub wymyka się spod ich kontroli. Proces jest wyjątkowy, ale w branży formowania precyzyjnego jest wielu specjalistów w tym rzemiośle. Proces ten po prostu nie może być wykonany tak łatwo, jak można by się spodziewać w dzisiejszym środowisku, w którym maszyny wieloosiowe „zrób wszystko” automatycznie wykonują swoją pracę. Aby odnieść sukces jako operator walcowania gwintów, potrzebne jest duże „wyczucie”. Precyzyjne walcowanie gwintów to praktyczny proces niszowy, który pozostanie na stałe.