Połączenia śrubowe są prawdopodobnie najczęściej stosowanymi elementami łączącymi w inżynierii mechanicznej. Są one przeznaczone do prostego i bezpiecznego łączenia komponentów. Ze względu na kształt gwintu i wynikającą z niego siłę zacisku, gwinty wewnętrzne i zewnętrzne są zaciskane razem, tworząc trwałe połączenie. Połączenia śrubowe są szczególnie ważne w przypadku dynamicznie obciążonych zespołów.

Śruba musi wytrzymać różne obciążenia. Z jednej strony na śrubę działa oczywiście obciążenie zewnętrzne; może to być obciążenie rozciągające, ściskające lub ścinające. Ponadto dokręcanie gwintów względem siebie powoduje naprężenia wewnętrzne, które poddają śrubę obciążeniu rozciągającemu.

Kształt gwintu oznacza, że element ma dużą liczbę silnych nacięć, które są krytyczne dla obciążeń dynamicznych i mogą prowadzić do inicjacji pęknięć w podstawie gwintu. Z tego powodu, szczególnie w przypadku komponentów o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa, należy zadbać o to, aby gwint nie został dodatkowo osłabiony w procesie produkcyjnym.

Tradycyjnie istnieją dwie alternatywne metody produkcji nici: Cięcie gwintów i walcowanie gwintów. W przypadku nacinania gwintów, kształt gwintu jest wytwarzany w procesie obróbki skrawaniem. Ogólnie rzecz biorąc, proces ten jest bardzo elastyczny i stosunkowo niedrogi w produkcji; to ostatnie jest szczególnie ważne w przypadku małych ilości lub specjalnych form gwintów. Co więcej, proces ten jest w rzeczywistości możliwy w każdym procesie obróbki skrawaniem.

W procesie walcowania gwintów, kształt gwintu jest formowany w komponencie. Jest to zatem proces formowania. Podobnie jak w przypadku wszystkich procesów formowania, proces ten jest bardzo wydajny i opłacalny, zwłaszcza w produkcji seryjnej. W przypadku produkcji pojedynczych części wymagane narzędzia są jednak bardzo drogie, a zatem nieopłacalne. Główną znaną zaletą walcowania gwintów jest to, że proces formowania zwiększa wytrzymałość gwintu.

Jeśli jednak wymagana jest zwiększona wytrzymałość w produkcji pojedynczych części lub małych serii, oba procesy osiągają swoje techniczne i ekonomiczne ograniczenia. Wówczas można wybrać trzeci, alternatywny wariant produkcji. Podczas głębokiego walcowania gwintu, obrobiony gwint jest następnie głęboko walcowany w korzeniu gwintu, zwiększając w ten sposób wytrzymałość dynamiczną gwintu. Walcowanie głębokie oferuje zatem możliwość wysoce elastycznej i ekonomicznej produkcji gwintów o wysokiej wytrzymałości.

W tym kontekście natychmiast pojawiają się następujące pytania: Jak należy oceniać wytrzymałość dynamiczną różnych wariantów gwintów? Czy walcowanie głębokie może zapewnić trwałość porównywalną z walcowaniem gwintów?

Odpowiemy teraz na te pytania na przykładzie pręta gwintowanego M12 wykonanego ze stali 42CrMo4. W tym celu pręty gwintowane zostały przetestowane na maszynie do badań rezonansowych Sincotec POWER SWING MAC zgodnie z normą DIN 969. W celu zarejestrowania pełnych krzywych Wöhlera, zakresy wytrzymałości na pełzanie i wytrzymałości zmęczeniowej zostały przetestowane przy użyciu metody sznura perełkowego i metody schodkowej.

Pręty gwintowane zostały wyprodukowane przez różnych partnerów projektu. Firma ECOROLL AG sama wyprodukowała zarówno nacięte, jak i następnie walcowane gwinty. Gwinty walcowane zostały dostarczone przez LMT Fette, jednego z wiodących producentów narzędzi do walcowania gwintów.

Jak widać na zdjęciu, głębokie walcowanie zostało przeprowadzone za pomocą mechanicznego narzędzia do głębokiego walcowania typu EF90. W tym narzędziu walec do walcowania wgłębnego jest montowany swobodnie, dzięki czemu znajduje się dokładnie w samej podstawie gwintu, gdy przyłożona jest siła walcowania Fw₌ 2 kN. Upraszcza to konfigurację maszyny i zapewnia powtarzalny proces głębokiego walcowania dużej liczby gwintów.

Oprócz analizy żywotności, przeanalizowano strefę krawędziową korzenia gwintu i przeprowadzono krzywe głębokości twardości, pomiary naprężeń szczątkowych i pomiary szerokości połówkowej w celu oceny i interpretacji wyników. Pomiary strefy krawędziowej i wyznaczenie krzywych Wöhlera zostały przeprowadzone w ramach projektu studenckiego na Uniwersytecie Nauk Stosowanych w Esslingen - Wydział Maszyn i Systemów.

Porównując różne warianty gwintów za pomocą zarejestrowanych wykresów Wöhlera, można wyraźnie zauważyć, że walcowanie gwintu zwiększa jego żywotność w porównaniu z gwintem ciętym. Punkt zgięcia prostej Wöhlera, a tym samym przejście do wytrzymałości zmęczeniowej, jest o 84% wyższy dla gwintu walcowanego niż dla gwintu ciętego. Wyrażone w naprężeniach obciążenia, oznacza to wzrost z 65,7 MPa do 121,0 MPa.

Powód tego można wyraźnie znaleźć w analizach mikrostruktury. Same mikrografy pokazują, że mikrostruktura walcowanych nici ma ciągły układ włókien, a ziarna są zdeformowane. Twardość w podstawie gwintu jest wyższa niż w przypadku cięcia do głębokości 1 mm. Szczątkowe naprężenia ściskające są szczególnie zauważalne. Do głębokości 1 mm występują stałe szczątkowe naprężenia ściskające o wartości ok.
-650 MPa. Naprężenia rozciągające występują już po 50 µm w naciętym gwincie.

Jeśli porównamy to z gwintem głęboko walcowanym, ogromne szczątkowe naprężenia ściskające można również zmierzyć w korzeniu gwintu. Chociaż nie są one stałe na tak dużej głębokości, nadal sięgają do głębokości 700 µm. Powoduje to również oczekiwany wzrost żywotności. W porównaniu do gwintu ciętego, wytrzymałość zmęczeniowa może zostać zwiększona o 30% dzięki głębokiemu walcowaniu.

Chociaż walcowanie głębokie nie jest tak efektywne jak walcowanie gwintów, wyniki pokazują, że walcowanie głębokie jest bardzo dobrą alternatywą dla walcowania i doskonałym uzupełnieniem cięcia gwintów, szczególnie w obszarze produkcji pojedynczych części lub małych serii.

Podziękowania
Chcielibyśmy podziękować zespołowi studentów z Uniwersytetu Nauk Stosowanych w Esslingen za opracowanie tych wyników. Jesteśmy również wdzięczni, że Uniwersytet Nauk Stosowanych w Esslingen pozwolił nam zbadać ten temat w ramach projektu studenckiego. Chcielibyśmy również podziękować firmie LMT Fette za dostarczenie walcowanych prętów gwintowanych.