Śruby i wkręty to najbardziej podstawowe elementy mechaniczne, szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu, takich jak samochody, maszyny przemysłowe i budownictwo. W odróżnieniu od spawania i nitowania największą cechą śrub jest to, że można je łatwo usunąć nawet po dokręceniu i można je ponownie wykorzystać-po ponownym dokręceniu.
Proces produkcji śrub tytanowych
Materiałem do produkcji śrub jest zazwyczaj drut zwinięty. Po wtórnej obróbce, takiej jak trawienie, smarowanie, wyżarzanie i ciągnienie drutu, łeb śruby i gwinty są formowane,-poddawane obróbce cieplnej i powierzchni-za pomocą kucia na zimno. W zależności od rodzaju produktu, niektóre wymagają obróbki cieplnej przed formowaniem gwintu, a inne nie. Obróbka wtórna jest zwykle wykonywana przez wyspecjalizowany personel, ale czasami odbywa się w zakładzie produkującym śruby.
Formowanie łba śruby ogólnie odnosi się do procesu kucia na zimno łba śruby przy użyciu maszyn kuźniczych, takich jak maszyna spęczająca lub maszyna z popychaczem, zwanego „spęczaniem”. Kucie na zimno, znane również jako tłoczenie na zimno, odnosi się do przetwarzania w temperaturze pokojowej. Jest to termin kontrastujący z obróbką na gorąco i na gorąco, podczas której materiał jest podgrzewany przed obróbką. Proces kucia polega na cięciu zwojów stali na odpowiednie długości, a następnie prasowaniu materiału przy użyciu kilku matryc kuźniczych. Kucie obejmuje cztery etapy: spęczanie, głębokie tłoczenie, wytłaczanie odwrotne i wykańczanie. Spęczanie polega na ściskaniu materiału z jednego końca w celu rozszerzenia go poza pierwotną średnicę; głębokie tłoczenie, odwrotnie, ściska materiał z jednego końca, aby zmniejszyć go do mniejszej średnicy; wytłaczanie odwrotne polega na dociskaniu materiału z jednego końca do matrycy o mniejszej średnicy, powodując jego wytłaczanie na zewnątrz z jednoczesnym utworzeniem otworu; wykańczanie polega na usunięciu nadmiaru grubości za pomocą matrycy kuźniczej. W zależności od kształtu produktu metody te można stosować osobno lub w połączeniu. Bardziej złożone kształty wymagają większej liczby etapów przetwarzania, aby stopniowo nadać kształt produktowi, ale zwykłe śruby można uformować tylko w 2-5 krokach.
Proces formowania części gwintowanej obejmuje użycie walcarki do kucia na zimno i kształtowania gwintu w procesie formowania gwintu śruby. Metoda formowania jest taka sama jak w przypadku łba śruby. Kształt gwintu jest formowany poprzez zaciśnięcie półwyrobu pomiędzy dwoma zestawami matryc kuźniczych, obracanie jednej z matryc przy jednoczesnym obracaniu półwyrobu i kształtowanie go w gwint poprzez formowanie plastyczne. Matryce do kucia używane do formowania gwintów nazywane są „matrycami do walcowania”. Istnieją trzy typy maszyn do formowania walcowego: maszyny do formowania matrycowego do kucia płaskiego, maszyny do formowania matrycowego do kucia okrągłego i maszyny do walcowania planetarnego. Maszyny do formowania matrycowego do kucia płaskiego wykorzystują dwie zwykłe matryce do walcowania; jeden jest nieruchomy, podczas gdy drugi porusza się tam i z powrotem, aby zwinąć i ukształtować półfabrykat. Maszyny do formowania walcowego do kucia na okrągło wykorzystują dwie równoległe cylindryczne matryce do walcowania, które obracają się w tym samym kierunku, aby walcować i kształtować półfabrykat umieszczony pomiędzy dwiema matrycami. Planetarne maszyny do walcowania i formowania zaciskają półfabrykat pomiędzy cylindryczną matrycą do kucia a matrycą w kształcie wachlarza-, a następnie walcują i kształtują go, obracając cylindryczną matrycę do kucia.
Śruby formowane przez kucie na zimno i obróbkę cieplną są zazwyczaj wykonane z materiałów o twardości odpowiedniej do obróbki plastycznej. Materiały o dużej zawartości węgla lub dodanych pierwiastków stopowych są z natury twarde i trudne w obróbce, dlatego niektóre wymagają wyżarzania w celu ich zmiękczenia. Większość materiałów nie jest w stanie osiągnąć wymaganej wytrzymałości w warunkach kucia na zimno. Obróbka cieplna przeprowadzana po kuciu na zimno nadaje śrubie wymaganą wytrzymałość i właściwości mechaniczne i jest najważniejszym etapem produkcji śruby. Śruby dzieli się na różne klasy wytrzymałości w zależności od ich zastosowania i zastosowania. Obróbka cieplna jest konieczna, aby uformowane śruby posiadały odpowiednie wymagane właściwości mechaniczne.
Śruby stosowane w silnikach samochodowych często przylegają do oleju smarowego, więc nie rdzewieją nawet bez obróbki powierzchni. Jest to jednak tylko niewielka część śrub; większość z nich jest stosowana w środowiskach korozyjnych i dlatego szybko rdzewieje bez obróbki powierzchni. Jeśli zardzewiałe śruby nie zostaną poddane obróbce, korozja uniemożliwi ich odkręcenie, a w poważnych przypadkach mogą pęknąć, co prowadzi do poważnych wypadków. Dlatego śruby stosowane w środowiskach korozyjnych wymagają obróbki powierzchniowej, takiej jak galwanizacja. Obróbkę powierzchni śrub można ogólnie podzielić na galwanizację i powlekanie. Najpowszechniej stosowaną metodą jest galwanizacja, która ma zalety niskiego kosztu i dobrej odporności na korozję. Jeśli wymagana jest większa odporność na korozję niż w przypadku galwanizacji, można zastosować galwanizację stopową, taką jak cynkowane żelazo i cynk-nikiel, lub można zastosować powłokę kompozytową cynkowo-aluminiową.
Kierunek rozwoju śrub samochodowych
W ostatnich latach producenci samochodów zażądali niższych kosztów komponentów, mniejszej masy i większej wytrzymałości. Jednocześnie, aby rozwiązać problemy środowiskowe, należy zmniejszyć emisję CO2, a aby zmniejszyć zużycie paliwa, należy zminimalizować masę pojazdu. W kosztach produkcji śrub główną część stanowi koszt półwyrobu; dlatego najskuteczniejszą metodą jest obniżenie kosztu samego materiału. Japońscy producenci samochodów badają wykorzystanie niedrogich materiałów zagranicznych w celu zmniejszenia kosztów dostaw materiałów. Aby sprostać wymaganiom klientów, producenci śrub przeprowadzili również różne badania dotyczące zmniejszenia masy śrub. Jako środki mające na celu zmniejszenie masy śrub, niektórzy wykorzystują metale lekkie, takie jak aluminium lub tytan, podczas gdy inni zmniejszają rozmiar śrub. Chociaż zmniejszenie rozmiaru śruby może zmniejszyć wagę, jeśli rozmiar śruby zostanie zmniejszony przy tej samej klasie wytrzymałości, siła dokręcania śruby zmniejszy się ze względu na zmniejszone-pole przekroju poprzecznego.
Dlatego, aby zapewnić ten sam poziom wytrzymałości przy jednoczesnym zmniejszeniu rozmiaru śruby, należy zwiększyć wytrzymałość śruby. Obecne normy publiczne, takie jak JIS i własne normy producentów samochodów, określają jedynie wymagania dotyczące śrub o klasie wytrzymałości poniżej 12,9. W przypadku zwykłych śrub hartowanych i odpuszczanych charakterystyka opóźnionego pękania drastycznie pogarsza się, gdy klasa wytrzymałości przekracza 12,9. W niektórych zastosowaniach, gdzie są już stosowane-śruby o wysokiej wytrzymałości 10,9 lub 12,9, osiągnięcie zmniejszenia masy poprzez zmniejszenie rozmiaru wymaga użycia śrub o klasie wytrzymałości przekraczającej 12,9 i zastosowania metod poprawiających charakterystykę opóźnionego pękania. Aby osiągnąć wysoką wytrzymałość, niektóre śruby hartowane i odpuszczane poprawiają charakterystykę opóźnionego pękania poprzez dodanie pierwiastków stopowych. Chociaż dodanie pierwiastków stopowych może w pewnym stopniu poprawić charakterystykę opóźnionego pękania, wysoka cena tych pierwiastków nieuchronnie zwiększa koszty.
Innym podejściem jest użycie-niehartowanych i odpuszczonych śrub. Śruby niehartowane-i odpuszczone nie wymagają obróbki cieplnej po formowaniu; ich wytrzymałość jest zapewniona przede wszystkim poprzez hartowanie. Mikrostruktura śrub-niehartowanych i ulepszanych cieplnie jest zupełnie inna niż śrub hartowanych i odpuszczanych, wykazując dużą odporność na opóźnione pękanie. W-śrubach niehartowanych stosuje się materiały o wyższej zawartości węgla niż śruby hartowane. Dzięki kontrolowanemu chłodzeniu i obróbce cieplnej na etapie kęsa można osiągnąć duże zmniejszenie powierzchni. Po hartowaniu poprzez ciągnienie drutu, dalsze utwardzanie przez zgniot na etapie formowania śruby zapewnia wytrzymałość śruby. Chociaż zwykłe śruby nie są odpuszczane po uformowaniu, muszą zostać poddane oksydowaniu, aby wyeliminować wewnętrzne naprężenia w wyniku kucia na zimno. Wadą jest to, że twardość materiału jest wyższa niż w przypadku śrub hartowanych, co sprawia, że są one bardzo trudne do formowania. Obecnie wytrzymałość-niehartowanych śrub stosowanych w silnikach wynosi 1600 MPa, a wytrzymałość-niehartowanych śrub stosowanych w nadwoziach pojazdów osiągnęła 1400 MPa. Oczekuje się, że popyt na te-śruby o wysokiej wytrzymałości będzie w przyszłości nadal rosnąć.
