сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
УДК 621.88 Крепежные средства
ББК 306 Общая технология. Основы промышленного производства
В статье рассмотрены вопросы обработки внутренних резьб деформированием с использованием раскатников и комбинированных метчиков. Внутренние резьбы до недавнего времени нарезались метчиками, что сопровождается рядом существенных недостатков, которые в наибольшей степени проявляются при получении резьбовых отверстий в высокопластичных материалах. В этих случаях целесообразно обрабатывать резьбы пластическим деформированием бесстружечными метчиками. Рассмотрены отдельные варианты конструкций инструментов для повышения качества внутренней резьбы деформированием и комбинированной обработкой, приведены расчетные зависимости для определения параметров инструментов и подготовки отверстий. Новизной работы являются особенности конструкции и геометрии раскатников и комбинированных метчиков для обработки деформированием внутренних резьб.
резьба, методы, обработка, деформирование
Введение
Одними из наиболее распространенных неподвижных соединений деталей машин являются резьбовые соединения, которые подразделяются на две группы: болт (шпилька) – гайка и шпилька – резьба в корпусной детали. Наружные резьбы на стандартных резьбовых деталях: винтах, болтах и шпильках, в основном получают с использованием различных методов накатывания, которые позволяют обеспечить достаточную точность, низкую шероховатость поверхности резьбы, а также повышенную прочность витков. Получение внутренней резьбы, в основном, осуществляется с использованием метчиков различных конструкций: в гайках – гаечными метчиками, в резьбовых отверстиях корпусов машинно-ручными. Применение гаечных метчиков (в связи с их конструктивными особенностями – большая длина режущей части), в основном обеспечивает требуемое качество резьбовой поверхности, однако в высокопластичных материалах может происходить налипание металла во впадинах резьбы метчика, что, в свою очередь, приводит к задирам в резьбе, а в некоторых случаях может вызвать поломку режущего инструмента. Использование машинно-ручных метчиков для нарезания резьбы также может вызывать определенные недостатки, как при изготовлении резьбы, так и при ее эксплуатации [1, 3, 10]:
а - достаточно проблематично обеспечить высокую точность резьбы с высокой надежностью;
б - удаление стружки из нарезанных метчиком отверстий вызывает определенные трудности;
в - при изготовлении точных резьб появляется необходимость использования комплекта метчиков, что значительно увеличивает трудоемкость изготовления;
г - снижение усилия затяжки в соединении при воздействии знакопеременных нагрузок при эксплуатации вследствие неравномерности распределения нагрузки по виткам резьбового соединения, причиной которого является конусность резьбы (на первых двух-трех витках), вызванная подрезанием боковых сторон профиля витка под действием влияния осевых сил при резьбонарезании метчиком;
д) вероятность появления схватывания частиц металла наружной и внутренней резьбы при высоких усилиях затяжки («заедание» в резьбовом соединении), вызванная низкой шероховатостью поверхности боковых сторон витка резьбы.
Конструкция и область применения раскатников
Наибольшие сложности возникают при получении такими метчиками резьб в высокопластичных материалах – низкоуглеродистых сталях, алюминиевых сплавах, коррозионностойких сталях и т.п., появлению срывов витков резьбы. Избежать вышеуказанных недостатков позволяет использование для получения внутренних резьб пластического деформирования [2, 7, 9] посредством бесстружечных метчиков (раскатников), а также чистовой обработки комбинированными режуще-деформирующими метчиками.
Раскатники (бесстружечные метчики) [4, 6] применяют для получения внутренних резьб в материалах высокой пластичности с относительным удлинением ≥ 10% (низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,3% и Ϭв ≤ 500 МПа, некоторые пластичные коррозионностойкие стали, медь, латунь, пластичные бронзы, алюминиевые деформируемые и литейные сплавы, цинковые и магниевые сплавы и другие материалы).
Обработка резьб раскатниками производится на тех же станках, что и нарезание метчиками с использованием стандартной технологической оснастки (резьбонарезные патроны, копиры и т.д.).
При обработке раскатниками виток резьбы в обрабатываемой детали формируется за счет пластического перераспределения металла в зоне воздействия деформирующих выступов инструмента. Диаметр отверстия под резьбу Dо при этом немного больше среднего диаметра резьбы D2, вершина витка формируется из материала, вытесняемого вершинами витков деформирующих выступов раскатника на его заборной части.
в сравнении с другими способами резьбонарезания раскатники обеспечивают:
а - стабильное получение резьб любой точности, так как при этой обработке отсутствует разбивка резьбы;
б - снижение шероховатости;
в - упрочнение материала витков резьбы и впадин, что повышает прочность резьбового соединения;
г - увеличение скорости обработки до двух раз.
Кроме этого отпадает необходимость в удалении стружки из отверстий. Конструкция раскатника менее трудоёмка в изготовлении, так как исключается ряд операций: фрезерование стружечных канавок, затылование заборного конуса, затачивание по передней поверхности. Как и метчики, раскатники бывают машинно-ручные и гаечные с прямым или изогнутым хвостовиком. Обработку раскатниками выполняют на том же оборудовании, что и метчиками. В качестве смазывающе-охлаждающих технологических сред (СОТС) при обработке резьб в цветных металлах и сплавах рекомендуют водные эмульсии с повышенным до 10…15% содержанием эмульсола. При обработке в сталях применяют масляные СОТС типа МР – 1, МР – 4, ОСМ – 1 и другие. Общий вид конструкции машинно-ручного раскатника приведен на рис.1.
Рабочая часть 1 имеет полнопрофильную коническую резьбу на длине заборного конуса l1 и цилиндрическую резьбу на калибрующей части l2. В поперечном сечении рабочая часть представляет собой затылованный многогранник с числом граней z и величиной затылования k. Число граней z принимают равным 3 или 4 при диаметре dа0 меньше 6 мм; z = 6 – при dа0 от 6 до 30 мм и z = 8 или 9 при dа0 > 30 мм. В качестве затыловочной кривой чаще всего используют спираль Архимеда. Величину затылования k определяют по формуле:
(1)
где dа0 – наружный диаметр резьбы раскатника; α = 6…70 – угол спада затыловочной кривой.
Для плавного скругления деформирующих выступов предусматривают цилиндрическую площадку шириной с = 0,05Р (рис.1, Б). Шлифование конической и цилиндрической резьб с затылованием производят за одну резьбошлифовальную операцию. После резьбошлифования резьбу рабочей части тщательно полируют особомелкозернистой пастой до шероховатости Rz = 0,6…0,4 мкм.
Во впадинах граней вышлифовывают смазочные канавки шириной 2…5 мм и глубиной hk, равной высоте профиля резьбы. Наружный диаметр dа0 = d+0,12P, где d – номинальный диаметр резьбы, Р – шаг резьбы.
Рис.1. Общий вид бесстружечного метчика: 1 – рабочая часть; 2 – хвостовик
Fig. 1. General view of the handling tap: 1 - working part; 2 - shank
|
6 |
Длину заборного конуса l1 определяют по зависимости:
где D0 – диаметр отверстия под резьбу; φ – угол наклона заборного конуса (φ = 100 –для машинно-ручных и φ = 1030'–для гаечных раскатников).
Длину калибрующей части принимают l2 = (8…10)Р. Резьбу калибрующей части (как и у метчиков) шлифуют с обратной конусностью 0,04…0,06 мм на 100 мм длины. Материал рабочей части – сталь Р6М5, HRC 63…66.
Конструкция хвостовика 2 такая же, как и у метчиков соответствующего типа и размера. Материал хвостовика – сталь 45Х, HRC 42…45.
Внутренний диаметр резьбы раскатника d10 выбирают в зависимости способа раскатывания: а) способ «открытого контура», при котором вершина витка при деформации металла формируется свободно и d10 не участвует в работе; б) способ «замкнутого контура», при котором вершина формируемого витка образуется площадкой a на дне впадины резьбового витка раскатника.
Расчетный диаметр отверстия (мм) определяют по формуле:
где dа0 и d20 – наружный и средний диаметры раскатника, D1-номинальный внутренний диаметр резьбы, P – шаг резьбы, a – угол профиля резьбы.
Расчётное значение D0расч является пограничным. При обработке по способу «открытого контура» D0 будет большим на величину TD0, при «замкнутом контуре» D0 будет меньше в пределах TD0. Допуск TD0 принимают равным (0,05…007)P. Отверстия под резьбу обрабатывают свёрлами повышенного класса точности (класс A1).
Значения диаметров резьб и рекомендуемые размеры свёрл при обработке «открытым и замкнутым контуром» некоторых метрических резьб приведены в табл.1.
Таблица 1
Диаметры отверстий (мм) под резьбу при раскатывании
Table 1
Hole diameters (mm) for the thread when rolling
|
Диаметр резьбы |
Шаг резьбы |
Точность резьбы |
D0расч |
Открытый контур |
Замкнутый контур |
||
|
+ESD0 |
dc |
-EID0 |
dc |
||||
|
М4 |
0,7 |
4H,5H |
3,62 |
+0,040 |
3,6 |
-0,040 |
3,55 |
|
6H |
3,63 |
||||||
|
М5 |
0,8 |
4H,5H |
4,56 |
+0,045 |
4,55 |
-0,045 |
4,50 |
|
6H |
4,57 |
||||||
|
М6 |
1,0 |
4H,5H |
5,45 |
+0,050 |
5,45 |
-0,050 |
5,40 |
|
6H |
5,47 |
||||||
|
М8 |
1,25 |
4H,5H |
7,31 |
+0,062 |
7,30 |
-0,062 |
7,00 |
|
6H |
7,32 |
||||||
|
М10 |
1,5 |
4H,5H |
9,16 |
+0,075 |
9,15 |
-0,075 |
9,10 |
|
6H |
9,18 |
||||||
Качество обработки при раскатывании
|
7 |
Шероховатость боковых поверхностей раскатанной резьбы в несколько раз ниже, чем нарезанной метчиком. При соблюдении приведенных выше технологических рекомендаций получены значения параметров шероховатости боковых сторон профиля раскатанных резьб представлены в табл. 2.
Получаемая в резьбовых отверстиях шероховатость контактируемых боковых сторон профиля в резьбовых соединениях близка к оптимальной, устраняющей заедание при высоких силах предварительной затяжки. При этом снижается возможность уменьшения силы затяжки из-за смятия микронеровностей при переменных нагрузках на резьбовом соединении.
Стойкость раскатников значительно выше стойкости метчиков. Износ происходит по вершинам витков. Критерием износа считают износ (скругление) вершин первых калибрующих витков до состояния, когда проходной резьбовой калибр не ввинчивается в отверстие.
Таблица 2
Шероховатость поверхности боковых сторон профиля резьбы
Table 2
Surface roughness of the sides of the thread profile
|
Обрабатываемый материал |
Сталь 1Х18Н9Т |
Сталь 20 |
Алюминиевый сплав АЛ9 |
Алюминиевый сплав Д1 |
Медь М3 |
Латунь |
|
Rz, мкм |
5,0…6,0 |
4,5…5,0 |
3,7…4,1 |
1,0…1,5 |
3,0…3,9 |
2,9…3,1 |
Раскатники рекомендуют применять для резьб с шагом до 2,0…2,5 мм в стальных деталях и с шагом до 5 мм в деталях из цветных сплавов. При больших значениях шага P³3мм толщина стенки отверстия должна быть не менее диаметра резьбы.
Высокое качество раскатанных резьб, повышения их прочности способствует повышению надежности и долговечности резьбовых соединений.
Для резьб с шагом P³2,5 в материалах средней и низкой пластичности рекомендуется способ чистовой обработки резьбы комбинированным режуще-деформирующим метчиком после предварительно нарезания черновым метчиком. Комбинированный режуще-деформирующий метчик (метчик-раскатник) имеет чередующие режущие лезвия и деформирующие выступы. Режущие лезвия вырезают часть вытесняемого деформирующими выступами металла и создают пространство для его пластического перемещения, что значительно уменьшает усилия деформации. Резьбы обрабатывают комплектом из двух метчиков на универсальных станках и станках с ЧПУ (токарные, фрезерно-сверлильно-расточные и др.). Обрабатываемые материалы – конструкционные углеродистые и легированные стали с sв=500…800 МПа (кроме коррозионностойких и жаропрочных), ковкие чугуны, бронзы.
Технологические возможности использования комбинированных метчиков.
|
8 |
Материал рабочей части – сталь Р6М5 или Р6М5К5, твердость HRCэ 63…66. Шероховатость резьбы деформирующих выступов по всему профилю и режущих зубьев по боковым сторонам профиля Ra=0,16мкм. Как и для бесстружечных метчиков, резьбу деформирующих выступов полируют. Шероховатость передней и задней поверхностей режущего зуба Ra=0,32мкм. Рекомендуемые скорости обработки и СОЖ принимают как для обычных режущих метчиков.
Резьбы с шагом P³4мм обрабатывают комплектом метчиков из трех штук. В этом случае принимают первый метчик в комплекте стандартным, размеры второго и третьего определяют по приведенной выше методике.
При обработке резьб в гайках больших диаметров можно совмещать в одном инструменте черновую рабочую часть и режуще-деформирующую. Такие конструкции известны под названием «метчик-протяжка».
Рис. 2. Конструкция комбинированного режущего-деформирующего
чистового метчика: 1 – режущий зуб; 2 – деформирующий выступ
Fig. 2. General view The design of the combined cutting-deforming
chisty tap: 1 - cutting tooth; 2 - a deform protrusion.
Заключение
1. Предложенные варианты резьбообразующих инструментов, теоретические установленные геометрические параметры конструкции, технологические режимы позволяют гарантировано обеспечивать качество внутренней резьбы высокой точности в деталях, выполненных из широкой гаммы материалов.
2. Для обеспечения резьбой своих эксплуатационных свойств вполне достаточно осуществлять контроль параметра шероховатости Ra.
1. Суслов А.Г. и др. Технология и инструменты отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием: справочник. В 2-х томах. Т.2. М.: Машиностроение, 2014. 444 с.
2. Суслов А.Г. и др. Справочник технолога: справочник. М.: Инновационное машиностроение, 2019. 800с.
3. Стешков А.Е., Прокофьев А.Н. Технологическое обеспечение качества резьбовых соединений. Наукоемкие технологии в машиностроении. 2012. №9(15). С14-15.
4. Прокофьев А.Н. Технологическое обеспечение качества резьбы отдельными методами. Наукоемкие технологии в машиностроении. 2020. №11(113). С.3-7.
5. Берберов С.А., Блюминштейн В.Ю., Болдырев А.И. и др. Справочник по процессам поверхностного пластического деформирования /под ред. С.А. Зайдеса. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2021. 504 с.
6. Суслов А.Г., Федоров В.П. и др. Фундаментальные основы технологического обеспечения и повышения надежности изделий машиностроения. М.: Инновационное машиностроение, 2022. 552 с.
7. Киричек А.В., Афонин А.Н. Резьбонакатывание. М.: Машиностроение, 2009. 312 с.
8. Стешков А.Е. Проектирование инструментов. Брянск: Изд-во Брянского ГТУ, 2009. 228 с.
9. Дальский А.М. и др. Справочник технолога-машиностроителя: справочник. В 2-х томах. Т.2. М.: Машиностроение-1, 2001.944 с.
10. Прокофьев А.Н. Технологическое обеспечение прочности и износостойкости резьбовых соединений. Справочник. Инженерный журнал. Инженерия поверхности. 2006. №4. С.21-24.
