СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕВЫХ РЕЗЬБОВЫХ ДЕТАЛЕЙ КРЕПЛЕНИЯ С ГОЛОВКАМИ ИЗ ТЕРМИЧЕСКИ УПРОЧНЯЕМЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF FABRICATING ROD THREADED FASTENERS WITH HEADS FROM THERMAL-HARDENED HIGH-STRENGTH TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к способам производства резьбовых крепежных изделий из термически упрочняемых высокопрочных двухфазных титановых сплавов (α+β), переходного, псевдо-β и β классов и может быть использовано при изготовлении крепежных деталей, например болтов.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных титановых сплавов, включающий отрезку мерной заготовки в виде цилиндрического стержня, снятие на ней фасок, нагрев части заготовки, предназначенной для горячей высадки головки, горячую высадку головки с образованием галтели на участке между цилиндрической частью стержня и головкой, упрочняющую термическую обработку заготовки, механическую обработку стержня, галтели и поверхности головки, обкатку галтели, проточку части стержня, предназначенной для нанесения резьбы, и накатывание на ней резьбы (RU 2156828 C1, B21K 1/44, 27.09.2000, 7 с.[1]).
Недостатком известного способа [1] являются ограничения по прочности деталей крепления, связанные с низкой пластичностью сплавов в термически упрочненном состоянии и невозможностью качественного нанесения резьбы накатыванием из-за появления при накатывании недопустимых дефектов, что делает невозможным изготовление болтов с прочностью более 1100 МПа и заданными уровнями выносливости.
Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение прочности, долговечности и выносливости крепежных деталей, а также создание такого технологического процесса, который обеспечивал бы эффективное и качественное нанесения резьбы без образования дефектов в поверхностном слое изделий. Кроме того, расширяются технологические возможности процесса, так как данное техническое решение позволяет осуществлять нанесение резьбы различными методами обработки, например путем нарезания или накатки.
Заявленный технический результат достигается способом изготовления стержневых резьбовых деталей крепления с головками из термически упрочняемых высокопрочных титановых сплавов, включающим отрезку мерной заготовки в виде цилиндрического стержня из двухфазного титанового сплава, снятие на ней фасок, нагрев части заготовки, предназначенной для горячей высадки головки, горячую высадку головки с образованием галтели на участке между цилиндрической частью стержня и головкой, упрочняющую термическую обработку заготовки, механическую обработку стержня, галтели и поверхности головки, обкатку галтели, проточку части стержня, предназначенной для нанесения резьбы, и нанесение на ней резьбы, при этом согласно изобретению нагрев части заготовки, предназначенной для горячей высадки головки, осуществляют до температуры на 50-200°С ниже температуры полиморфного превращения в сплаве, после упрочняющей термической обработки заготовки часть стержня, предназначенную для нанесения резьбы, закаливают на глубину 0,2-1,0 шага резьбы и осуществляют ее холодное пластическое деформирование со степенью обжатия 3-15%.
При этом заявленное изобретение в частных случаях его реализации характеризуется следующими приемами:
- мерную заготовку получают из закаленного прутка, а упрочняющую термическую обработку осуществляют путем операции старения;
- упрочняющую термическую обработку заготовки осуществляют путем отжига, закалки и старения;
- закалку части стержня, предназначенной для нанесения резьбы, осуществляют путем индукционного нагрева;
- холодное пластическое деформирование части стержня, предназначенной для нанесения резьбы, осуществляют при коэффициенте зоны деформации Δ=D/L, равном не менее 7, где D - диаметр заготовки перед ее холодным пластическим деформированием, L - длина зоны контакта вдоль оси заготовки между инструментом, с помощью которого осуществляют холодное пластическое деформирование, и заготовкой;
- холодное пластическое деформирование части стержня, предназначенной для нанесения резьбы, осуществляют ротационной ковкой;
- холодное пластическое деформирование части стержня, предназначенной для нанесения резьбы, осуществляют радиально-сдвиговой прокаткой;
- холодное пластическое деформирование части стержня, предназначенной для нанесения резьбы, осуществляют обкаткой;
- нанесение резьбы осуществляют путем нарезания с помощью резца или плашки;
- нанесение резьбы осуществляют путем накатки.
Заявленное изобретение осуществляется следующим образом.
Отрезают мерную заготовку в виде цилиндрического стержня от прутка из термически упрочняемого высокопрочного титанового сплава, который может быть предварительно закален. Осуществляют снятие на заготовке фасок.
Нагревают часть заготовки, предназначенную для горячей высадки головки, до температуры на 50-200°С ниже температуры полиморфного превращения в двухфазном титановом сплаве. При этом горячую высадку головки стержня осуществляют с образованием галтели (имеющей радиус перехода) на участке между гладкой цилиндрической частью стержня и его головкой.
Затем осуществляют упрочняющую термическую обработку заготовки (полуфабриката), которая на данном этапе включает цилиндрическую гладкую часть, головку и галтель. Упрочняющую термическую обработку заготовок из титановых сплавов проводят путем отжига, закалки и старения при режимах, подробно описанных в специализированной технической литературе.
Высокопрочные титановые сплавы в упрочненном состоянии малопластичны и труднодеформируемы, что создает непреодолимые трудности при накатывании резьбы требуемого металлургического качества. Болты с резьбой, нанесенной резанием, имеют неприемлемо низкий уровень выносливости и исполнение резьбы резанием не допускается на болтах авиационного назначения. Известно, что при закалке титановые сплавы в отличие от сталей разупрочняются, а их пластичность при этом повышается. Учитывая изложенное, после упрочняющей термической обработки заготовки осуществляют поверхностную закалку, например, индукционным нагревом токами высокой частоты части стержня, предназначенной для нанесения резьбы (т.е. часть или весь участок гладкой цилиндрической части заготовки), на глубину 0,2-1,0 шага резьбы, в результате чего поверхностный слой заготовки, подвергшийся закалке, становится более пластичным, что обеспечивает последующее качественное накатывание резьбы, а также снижает энергозатраты при обработке (в том числе и предварительной обработке стержня при его проточке).
После операции закалки часть стержня, предназначенную для нанесения резьбы, холодным пластическим деформированием обжимают со степенью обжатия 3-15% (относительное обжатие). Холодное пластическое деформирование осуществляется при коэффициенте зоны деформации Δ=D/L, равном не менее 7, где D - диаметр заготовки непосредственно перед ее холодным пластическим деформированием, L - длина зоны контакта вдоль оси заготовки между инструментом (каждым инструментом деформирующего устройства), с помощью которого осуществляют холодное пластическое деформирование, и заготовкой. При этом пластическая деформация локализуется в наружном слое заготовки и не распространяется в центральные области заготовки. Холодное пластическое деформирование может быть осуществлено различными известными методами: редуцированием, ротационной ковкой, радиально-сдвиговой прокаткой или обкаткой.
Затем на металлорежущих станках (токарном и бесцентрошлифовальном) осуществляют механическую обработку следующих частей заготовки: гладкого цилиндрического стержня, галтели и поверхности головки на заданный размер.
Следующей технологической операцией является обкатка радиуса перехода между гладкой цилиндрической частью стержня и его головкой для упрочнения поверхностного слоя галтели.
Перед накатыванием резьбы осуществляют проточку части стержня под диаметр, необходимый для накатывания резьбы.