Основные сведения об эвольвентном зацеплении.

Уравнение эвольвенты.

Профиль боковых сторон зубьев зубчатых колес с эвольвентным зацеплением представляет собой две симметрич­но расположенные эвольвенты.

Эвольвента — это плоская кривая с переменным радиусом кривиз­ны, образованная некоторой точкой на прямой, обкатывающейся без скольжения по окружности, диаметром (радиусом) db(rb), называемой основной окружностью.

На рис. 1, а показано построение эвольвенты, а на рис. 1, б — расчетная схема для определения координат точки М, находящейся на прямой ВМ. Из условия обката без скольжения ВМ = АВ.

Здесь ВМ — нормаль к эвольвенте и одновременно радиус ρм кри­визны эвольвенты в точке М; θм — угол, отсчитываемый от начала эвольвенты до точки М; vм — угол развернутости эвольвенты; αм — угол профиля эвольвенты в точке М (угол между касательной к эвольвенте и радиусом rм).

Эвольвентная кривая
Рис. 1. Эвольвентная кривая:
а — построение эвольвенты; б — расчетная схема

GamePark RU

Так как ВМ = АВ, то rb ∙ tgαм = rb.vM. Следовательно, vм = tgαм, θм = vм — αм и θм=tgαм—αм = invαм.

Угол θм = invαм называется инволютой или эвольвентным углом. В справочниках имеются специальные таблицы инволют: invαм = f (αм ).

Уравнение эвольвенты в полярных координатах на основании рис. 1 выглядит так:

Чтобы построить эвольвенту, нужно задать значение радиуса rм не­которой точки М и при определенном радиусе основной окружности rb найти значение cos αм, а затем по углу αм найти эвольвентный угол θм = inv αм.

Уравнение эвольвенты можно записать также в декартовых коорди­натах X-Y. Из ΔОВМ следует, что

Координаты точки М, т.е. уравнение эвольвенты:

Радиус основной окружности rb найдем для точки, лежащей на де­лительной окружности радиуса r = mz / 2 , в которой угол профиля стандартного эвольвентного зацепления α = 20°. Тогда из уравнения найдем, что

Характерной особенностью эвольвенты является переменность угла профиля αм и радиуса кривизны ρм в каждой из ее точек.

Из рис.1, б следует, что

При z → ∞ ρм → ∞, то есть эвольвента превращается в прямую линию, которую можно рассматривать как частный случай эвольвенты. Отсюда следует, что характер эвольвентного зацепления не изменится, если колесо будет сцепляться с рейкой, имеющей z = ∞ и прямолиней­ный профиль зубьев с углом α=20°, то есть становится возможным на­резание эвольвентных колес инструментами реечного типа (гребенки, червячные фрезы) методом обкаточного огибания.

Основные параметры эвольвентного зацепления.

На рис. 2 показано зацепление двух зубчатых колес с эвольвентным профилем. Рассмотрим основные параметры зацепления, их определения и стандартные обозначения.

Эвольвентное зацепление зубчатых колес
Рис. 2. Эвольвентное зацепление зубчатых колес.

Print Bar

В отличие от при­нятого ранее, обозна­чение всех параметров производится строчными, а не заглавными буквами с индексами, указывающими их принадлежность коле­су, инструменту, типу окружности и виду сечения.

Стандартом преду­смотрены три группы индексов:

• первая группа: п, t, x — означает вид сечения, соответственно, нормальный, торцевой (окружной), осевой;

• вторая группа: a, f, b, w, y — означает, что параметр относится соответственно к окружностям выступов, впадин, основной, начальной и любой концентричной окружности. Для делительной окружности ин­декс не указывается;

• третья группа индексов: 1, 2, 0 — означает, что параметр относит­ся соответственно к шестерне, колесу, зуборезному инструменту.

Порядок использования индексов определяется номером группы, т.е. вначале предпочтение отдается индексам первой группы, затем вто­рой и т.д.

Некоторые индексы разрешается опускать в случаях, исключающих возникновение недоразумений или не имеющих применения по опреде­лению. Например, у прямозубых цилиндрических колес не используют­ся индексы первой группы. В ряде случаев некоторые индексы с целью сокращения записи также опускаются.

Рассмотрим зацепление двух прямозубых цилиндрических (рис. 2) колес: с меньшим числом зубьев (z1), называемого шестер­ней, и с большим числом зубьев (z2), называемого колесом; соответст­венно с центрами колес в точках О1 и О2. В процессе обката шестерни с колесом происходит качение без скольжения двух центроид — окружно­стей, соприкасающихся в полюсе зацепления — Р. Эти окружности на­зываются начальными, а их диаметры (радиусы) обозначаются с ин­дексом w: dw1 (rw1), dw2 (rw2). Для некорригированных колес эти окруж­ности совпадают с делительными окружностями, обозначение диамет­ров (радиусов) которых дается без индексов первой и второй групп, т.е. для шестерни — d1(r1), для колеса — d2(r2).

Делительная окружность — окружность, на которой шаг между зубьями и угол профиля равны им же на делительной прямой зубчатой рейки, сцепленной с колесом. При этом шаг P = πm — расстояние ме­жду двумя соседними одноименными сторонами профиля. Отсюда диа­метр делительной окружности колеса равен

d = Pz / π = mz

Модуль зуба m = P/ π — величина условная, имеющая размерность в миллиметрах (мм) и используемая как масштаб для выражения многих параметров зубчатых колес. В зарубежной практике в этом качестве используется питч — величина обратная модулю.

Основная окружность — это окружность, от которой образуется эвольвента. Все параметры, относящиеся к ней, обозначаются с индек­сом b, например, диаметры (радиусы) колес в зацеплении: db1 (rb1), db2 (rb).

Касательно к основным окружностям через полюс зацепления Р проходит прямая N—N, а ее участок N1—N2 называется линией зацепле­ния. По ней в процессе обката перемещается точка контакта сопрягае­мых профилей колес. N1—N2 называется номинальной (теоретической) линией зацепления, обозначаемой буквой g. Расстояние между точками пересечения ее с окружностями выступов колес называется рабочим участком линии зацепления и обозначается ga.

В процессе обката зубчатых колес точка контакта профилей пере­мещается в пределах активного (рабочего) участка линии зацепления ga, которая является нормалью к профилям обоих колес в этих точках и одновременно общей касательной к обеим основным окружностям.

Угол между линией зацепления и перпендикуляром к линии, соеди­няющей центры сопрягаемых колес, называется углом зацепления. У корригированных колес этот угол обозначается αw12, для некорригированных колес αw12 = α0.

Межцентровое расстояние некорригированных колес

αw12 = rw1 + rw2 = r1 + r2 = m(z1 + z2)/2.

Окружности выступов и впадин — окружности, проходящие соот­ветственно через вершины и впадины зубьев колес. Их диаметры (ра­диусы) обозначаются: da1(ra1), df1(rf1), da2(ra2), df2(rf2).

Шаги зубьев колес — Pt, Pb, Pn, Px — это расстояния между одно­именными сторонами профиля, замеренные:

а)  по дуге делительной окружности в торцевом сечении — окружной (торцевый) шаг Pt = πd / z;

б)   по дуге основной окружности — основной шаг Pb = πdb / z;

в)   по контактной нормали (линии зацепления) — основной нормаль­ный шаг Pbn;

г)   по нормали к направлению зубьев и по оси (у винтовых пере­дач) — нормальный шаг Pn и осевой шаг Px.

Коэффициент перекрытия ε — отношение активной (рабочей) час­ти линии зацепления к основному нормальному шагу:

ε = ga /Pbn

Окружная (торцевая) толщина зуба St — длина дуги делительной окружности, заключенная между двумя сторонами зуба. Толщина, из­меренная по хорде, обозначается как S.

Окружная ширина впадины между зубьями e — расстояние между разноименными сторонами профиля по дуге делительной окружности.

Высота головки зуба ha — расстояние между окружностями высту­пов и делительной: ha = ra — r.

Высота ножки зуба hf — расстояние между окружностями дели­тельной и впадин: hf = r — rf.

Высота зуба: h = ha + hf.

Рабочий участок профиля зуба — геометрическое место точек кон­такта профилей сопрягаемых колес, определяется как расстояние от вершины зуба до точки начала эвольвенты. Ниже последней следует переходная кривая.

Переходная кривая профиля зуба — часть профиля от начала эволь­венты, т.е. от основной окружности до окружности впадин. При методе копирования соответствует форме головки зуба инструмента, а при ме­тоде обкатки образуется вершинной кромкой режущего инструмента и имеет форму удлиненной эвольвенты (для инструментов реечного типа) или эпициклоиды (для инструментов типа колеса).

Другие параметры и обозначения будут приведены ниже по мере использования.

Понятие об исходном контуре рейки.

Как было показано выше, частным случаем эвольвенты при z = ∞ является прямая линия.

Это дает основание использовать в эвольвентном зацеплении рейку с прямобочными зубьями. При этом любое зубчатое колесо данного модуля независимо от числа зубьев может быть сцеплено с рейкой того же модуля. Отсюда возникла идея обработки колес методом обкатки. В зацеплении колеса с рейкой (рис. 3) радиус начальной окружности последней равен бесконечности, а сама окружность превращается в на­чальную прямую рейки. Линия зацепления N1N2 проходит через полюс P касательно к основной окружности колеса и перпендикулярно к боко­вой стороне профиля зуба рейки. В процессе зацепления начальная ок­ружность колеса обкатывается по начальной прямой рейки, а угол заце­пления становится равным углу профиля зуба рейки α.

Зацепление зубчатой рейки с колесом
Рис. 3. Зацепление зубчатой рейки с колесом.

Так как профиль зубьев рейки — прямая линия, это в значительной мере упрощает контроль линейных параметров зубьев и угла профиля. С этой целью стандартами установлено понятие исходного контура зубчатой рейки (рис. 4, а).

В соответствии со стандартами, принятыми в нашей стране для эвольвентного зацепления, исходный контур имеет следующие пара­метры зубьев в зависимости от модуля:

  • угол профиля α = 20°;
  • коэффициент высоты головки hα* = 1;
  • коэффициент высоты ножки hf* = 1,25;
  • коэффициент радиального зазора с* = 0,25 или 0,3;
  • коэффициент граничной (рабочей) высоты зуба hL* = 2;
  • шаг зубьев P = πт;
  • толщина зуба S и ширина впадины е: S = e = 0,5P = πт / 2.

Делительная прямая рейки проходит по середине рабочей высоты зуба hL.

Для зуборезных инструментов основные параметры зубьев по ана­логии с изложенным выше задаются параметрами исходной инстру­ментальной рейки (рис. 4, б). Так как зубья режущего инструмента обрабатывают впадину между зубьями колеса и могут нарезать колеса с модифицированным (фланкированным) профилем, между названными исходными контурами имеются существенные различия, а именно:

Исходные контуры зубчатой рейки и инструментальной рейки
Рис. 4. Исходные контуры:
а — зубчатой рейки; б — инструментальной рейки
  1. Высота головки зуба исходной инструментальной рейки ha0 = (hf0* + c0*)m = 1,25m, т.е. коэффициент высоты головки hα0* = 1,25. Высота ножки зуба hf0 = 1,25т , а полная высота зуба h0 =ha0 +hf0 = 2,5m.
  2. Если нарезаемое колесо имеет срез у головки (модифицирован­ный профиль), то ножка зуба инструментальной рейки должна иметь утолщение с параметрами hф0, αф0, nф0.

3. Толщина зуба у зубчатой рейки S = πт /2, а у инструментальной рейки при нарезании колес с модифицированным профилем зубьев

S0 = πт/2 ± ΔS0

Поправка ΔS0 берется из справочников в зависимости от величины модуля зуба. Знак «+» берется для чистовых, а знак «-» — для черновых инструментов. В первом случае происходит утонение зубьев нарезаемо­го колеса с целью создания бокового зазора между зубьями сцепляемых колес, во втором случае утолщение, в результате чего нарезаемые зубья получают припуск на чистовую обработку.

У колес с обычным (немодифицированным) профилем зубьев изме­нение толщины нарезаемых зубьев можно получить путем смещения инструментальной рейки относительно центра колеса и утолщение ее зубьев у ножки не требуется.

Параметры зацепления корригированных зубчатых колес.

Корригирование (исправ­ление) колес дает возможность улучшить зубчатое зацепление по сравнению с нормальным зацеп­лением в отношении трения, из­носа и прочности зубьев, умень­шить вероятность подреза ножки зубьев при малом их числе и др.

Применительно к долбякам корригирование дает возмож­ность получения задних углов на режущих кромках (см. ниже).

Из известных методов корри­гирования на практике наиболь­шее применение нашло высот­ное корригирование, которое осуществляется путем смещения профиля исходной инструмен­тальной рейки относительно центра нарезаемого колеса. Такое смещение принято считать положительным, если рейка отводится от центра коле­са, и отрицательным, когда она приближается к его центру (рис. 5). Величина смещения оценивается произведением x0∙m, где х0 — коэффи­циент смещения.

Схема высотного корригирования зубчатого колеса
Рис. 5. Схема высотного корригирования зубчатого колеса:
1 — положительное смеще­ние; 2 — нулевое смещение; 3 — отрицатель­ное смещение

При положительном смещении высота головки зуба нарезаемого колеса h’a1 увеличивается на величину x0∙m, а высота ножки h’f1 уменьшается на ту же величину. При отрицательном смещении, на­оборот, высота головки зуба уменьшается, а высота ножки уве­личивается. Полная высота зуба колеса в обоих случаях остается неизменной, при этом положение делительной и основной окружностей колеса постоянно и не зависит от величины смещения, то неизбежно изменение толщины зуба нарезаемого колеса по делительной окружности из-за смещения делительной прямой рейки относительно начального положения на величину ±x0m. Как видно из рис. 6, толщина зуба по делительной окружности у корригированного колеса при смещении рейки инструмента

S’1,3= πm/2 ± 2ΔS = πт/2 ± 2x0mtgα0

где ΔS = x0m tgα0 .

Знак «+» берется при положительном, а знак «-» — при отрицательном смещении.

Изменение толщины зуба на делительной ок­ружности при положительном смещении инструмен­тальной рейки
Рис. 6. Изменение толщины зуба на делительной ок­ружности при положительном смещении инструмен­тальной рейки.

При расчетах зуборезных инст­рументов, например долбяков, зу­бья которых корригированы, воз­никает необходимость определения толщины зуба на окружности лю­бого радиуса — rу, концентричной с делительной окружностью радиу­сом r.

Рис. 7. Толщина зуба Sy на окружности радиуса ry.

Из рис. 7 и уравнения эволь­венты следует, что толщина зуба по окружности радиуса ry в точке 2 равна

Sy = 2rу∙ψу

где ψу = ψ — (invαy — invα); ψ и ψу — углы между линией симметрии зуба и радиусами, проведенными в точке 1 на делительной окружно­сти и в точке 2 на окружности ра­диусом ry; invα и invαy — эвольвентные углы в этих точках.

Так как толщина зуба на дели­тельной окружности S‘1 — величина известная, а угол ψ = S‘1 /2r , то Sy можно определить по форму­лам:

для корригированных колес

Sy = 2ry(S‘1/2r + inv α — inv αy)

для некорригированных колес при S = πm / 2

Sy = dy (πm / 2d + inv α — inv αy )

Здесь углы α и αy, как следует из уравнения, определяются по следую­щим формулам: cosα = rb /r, cosαу = rb /rу.

На рис. 8 представлено зацепление двух колес с корригирован­ными зубьями. Его главная особенность заключается в том, что началь­ные окружности rw1 и rw2, проходящие через полюс зацепления Р, не совпадают с делительными окружностями r1 и r2. По этой причине угол зацепления αw12 колес не равен углу профиля исходной рейки, толщины зубьев на делительной окружности меняются, а также меняются соот­ношение высот головок и ножек зубьев, диаметры окружностей высту­пов, впадин и межцентровое расстояние между колесами.

Зацепление корригированных колес
Рис. 8. Зацепление корригированных колес.

Угол зацепления aw12 — это угол между линией зацепления N1N2 и перпендикуляром к прямой, соединяющей центры колес (для корриги­рованных колес αw12≠α).

Формулу для расчета αw12, а точнее inv αw12, найдем в следующей последовательности:

1. Запишем уравнение для расчета толщин зубьев на начальной ок­ружности Sw1 и Sw2 для шестерни и колеса на основании формулы, сменив индекс y на w.

2. Сумма толщин зубьев колес, находящихся в зацеплении, равна шагу на начальной окружности:

Sw1+Sw2 = Pw12

Путем алгебраических преобразований найдем эвольвентный угол inv αw12.

Толщины зубьев на начальных окружностях шестерни и колеса на основании уравнения

где r1, r2 — радиусы делительных окружностей (r1 = mz1 /2; r2 = mz2 /2);

S‘1, S’2 — толщины зубьев по делительным окружностям.

Шаг зубьев на начальных окружностях шестерни и колеса будет один и тот же:

Pw12 = 2πrwl / z1 = 2πrw2 / z2

Из уравнения следует, что

Подставим параметры:

2πrw1 / z1 = 2rw1(S‘1 / 2r1 + inv α — inv αw12) + 2rw12z2 / z1 (S’2/2r2 + inv α- inv αw12)

Сократим обе стороны равенства на 2rw1 и умножим на z1. В итоге полу­чим

π = S‘1 / m + z1 inv α — z1 inv αw12 + S’2 / m + z2 inv α — z2 inv αw12

После преобразования

(z1 + z2)inv αw12 = (z1 + z2)inv α + S‘1 /m + S’2m — π

Отсюда

Из этого уравнения следует, что если колесо z1 находится в зацепле­нии с инструментами реечного типа (червячная фреза, гребенка), у ко­торых z2 = ∞, то второй член правой части уравнения превращается в нуль и угол зацепления передачи становится равным углу профиля ис­ходного контура рейки, т.е. αw12 = α0.

Для инструментов типа колеса (долбяк, шевер) уравнение желательно представить в виде зависимости inv αw10 от величины сме­щения профиля пары корригированных колес z1 и z0. Для этого подста­вим значения S1 и S2, рассчитанные по формуле:

или после сокращений

где α0 — угол профиля инструмента.

Межцентровое расстояние у корригированных колес

αw12 = rw1 + rw2

Так как радиусы начальных окружностей равны

тогда

Номинальная длина линии зацепления (рис. 8):

g = N1P+ N2P = rw1 sin αw12 + rw2 sin αw12 = αw12 sin αw12

Длина активной части линии зацепления сопряженных колес равна расстоянию между точками пересечения линии зацепления ок­ружностями выступов шестерни и колеса (рис. 8):

Радиусы окружностей выступов и впадин у корригированного колеса с учетом смещения ±x0m:

При этом высота зуба колеса h = hα = hƒ от величины смещения профиля не зависит. Из-за разности знака у головки и ножки, т.е.

здесь и выше верхний знак ис­пользуется при положительном смещении, а нижний — при отрицатель­ном смещении профиля.

Возможен частный случай, когда пара «шестерня — колесо» или «колесо — инструмент» имеет одинаковые по величине, но обратные по знаку величины смещения (так называемое нулевое зацепление), тогда делительные окружности совпадают с начальными. Как следует из уравнения, в этом случае угол зацепления αw12 = α, но меняются толщина зубьев по делительной окружности и соотношение высот голо­вок и ножек зубьев. В этом случае межцентровое расстояние равно

αw12 = (d1 +d2)/2 = m(z1 + z2)/2.

Такая коррекция применяется при больших передаточных числах. При ней обычно положительное смещение берется для шестерни с це­лью увеличения прочности зубьев, т.е. имеет место только высотная коррекция.

При угловой коррекции шестерню и колесо изготавливают обычно с положительным смещением исходного контура. Угол зацепления у та­ких колес будет больше, чем у некорригированных (отсюда и название — «угловая коррекция»). Основное преимущество угловой коррекции пе­ред высотной состоит в том, что она дает возможность увеличить проч­ность зубьев как у шестерни, так и у колеса.

Если величина или знаки коррекции у нарезаемых колес не совпа­дают, то имеет место совмещение угловой и высотной коррекции одно­временно.

Инструменты для накатывания резьбы.

Накатывание резьбы представляет собой процесс холодного пласти­ческого деформирования поверхностных слоев заготовки. При этом де­формируемый при большом давлении металл заполняет впадины между витками резьбы инструмента и таким образом на заготовке создается резьба без снятия стружки. Этот метод нашел широкое применение, особенно в массовом и крупносерийном производствах.

К числу его достоинств относятся: 1) высокая производительность (в несколько раз большая, чем при обработке резанием); 2) низкая ше­роховатость поверхности резьбы; 3) повышенные твердость, прочность и износостойкость поверхностного слоя накатанной резьбы благодаря наклепу; 4) повышенная усталостная прочность детали.

К числу недостатков относятся: 1) высокая стоимость инструмен­тов; 2) пониженная точность резьбы по сравнению со шлифованием; 3) необходимость точного подбора размеров заготовки и инструмента, правильного выбора режима накатки, так как возможно появление перенаклепа, чешуйчатости и отслаивания материала по резьбе.

В литературе приводится описание большого числа спо­собов накатки, конструкций станков и инструментов для ее осуществ­ления.

Ниже дан анализ только четырех видов инструментов, получивших наибольшее распространение на практике.

GamePark RU

Резьбонакатные плоские плашки.

Резьбонакатные плоские плашки применяются для накатки на­ружных резьб различного профиля: метрических, упорных, трапецеи­дальных и др., а также различных видов шурупных резьб, червяков, рифлений, кольцевых и винтовых канавок на заготовках из пластичных материалов.

Плоские плашки (рис. 1, а) применяются в виде комплекта из двух плашек. Одна плашка крепится неподвижно на столе станка, а вто­рая связана с ползуном станка и в процессе работы совершает возврат­но-поступательное движение. При ходе влево подвижная плашка захва­тывает заготовку, подаваемую специальным механизмом станка, и про­катывает ее по неподвижной плашке.

Накатывание резьбы плоскими плашками
Рис. 1. Накатывание резьбы плоскими плашками:
а — схема накатывания; б — элементы резьбы на неподвижной плашке

На поверхностях плашек, обращенных друг к другу, нанесены (фре­зерованием и шлифованием) развернутые витки резьбы с углом наклона к направлению движения, равным углу подъема накатываемой резьбы τ. При настройке операции витки подвижной и неподвижной плашек сме­щают вдоль оси заготовки относительно друг друга на половину шага резьбы (0,5Р) так, чтобы выступы витков подвижной плашки точно попадали во впадины витков неподвижной плашки.

Неподвижная плашка для лучшего захвата заготовки и постепенно­го формирования резьбы имеет заборную часть длиной ℓ1, выполнен­ную под углом φ, калибрующую часть ℓ2 и выходную — сбрасывающую часть, подобную по конструкции заборной части. Они, таким образом, являются взаимозаменяемыми и по мере износа меняются местами.

Для того чтобы подвижная плашка при обратном ходе не захватила накатанную заготовку и не испортила ее резьбу, длина подвижной плашки делается больше длины неподвижной плашки на 15…25 мм.

Заборную часть на подвижной плашке, как правило, не делают, но при накатке резьбы с шагом P > 1,25 мм сошлифовывают вершины вит­ков в начале плашки под очень малым углом φ1 = 7…22′ с целью повы­шения стойкости плашки.

Заборная часть неподвижной плашки играет важную роль, так как на ней фактически формируется профиль накатываемой резьбы. Ее дли­на ℓ1 должна быть такой, чтобы обеспечить поворот заготовки не менее чем на 1…2 оборота. При накатке резьб с шагом P > 1 мм ℓ1 = (1…2) πd2, где d2 — средний диаметр резьбы. Для резьбы повышенной точности ℓ1 = (3…4)πd2 .

Существуют разные способы оформления заборной части плашек. Наиболее простой из них заключается в сошлифовывании вершин вит­ков под углом φ=1…3°. Сами же витки предварительно имеют полный профиль по всей длине плашки. Недостатком такого способа является плохой захват заготовки в начальный момент проката и неравномерная нагрузка витков неподвижной и подвижной плашек. Из-за перегрузки последней она имеет меньшую стойкость, чем неподвижная плашка.

Для улучшения захвата заготовки, особенно при увеличенной длине заборной части (ℓ1 = 3πd2), на ней иногда вышлифовывают мелкие по­перечные канавки глубиной 0,2…0,7 мм с углом профиля 90°.

На практике у витков на заборной части неподвижной плашки часто делают полный профиль, используя для этого фрезерование и шлифова­ние (после термообработки) витков по контуру. При этом захват заго­товки и распределение нагрузки на витки становятся значительно луч­ше, чем при использовании первого способа, который в основном при­меняется для накатки резьб с неглубоким профилем и шагом P < 1 мм.

Иногда для повышения качества резьб с шагом P > 1,25 мм приме­няют двойную заборную часть. Для этого на витках с полным профилем в конце заборной части делают притупление по вершинам под углом φ1 < φ. При этом стойкость плашек также повышается благодаря сниже­нию нагрузки на витки, расположенные в начале калибрующей части.

Print Bar

Глубина захвата плашек выбирается такой, чтобы расстояние между плашками в начальной части было больше диаметра заготовки:

α = (dз -d1)/2 + (0,07…0,2) мм,

где dз — диаметр заготовки (определяется экспериментально); d1 — внутренний диаметр резьбы.

Калибрующая часть плашки служит для окончательного формиро­вания резьбы, поэтому витки на ней имеют полный профиль.

Высота головки витков плашки берется больше высоты ножки резь­бы детали на величину запаса на износ, равную 0,015Р, а высота ножки должна быть больше высоты головки и резьбы на величину зазора Δ = 0,025Р, чтобы не допустить касания между вершинами витков накаты­ваемой резьбы и впадинами витков плашки. Металл, выдавливаемый витками плашки, должен свободно размещаться во впадинах между витками. В противном случае это приведет к резкому повышению уси­лий прокатки, снижению стойкости плашек из-за выкрашивания витков и даже к разрыву заготовки.

Длина калибрующей части плашки должна быть достаточной для обеспечения нескольких оборотов заготовки. Обычно она равна ℓ2 = (2..3)πd2. Таким образом, общая длина неподвижной плашки ко­леблется в пределах (5…8)πd2. Ширина плашки должна быть на 2…3 шага больше длины накатываемой резьбы. Высота плашек равна25…50 мм. Для надежного закрепления торцы плашек срезают под уг­лом 85°.

Плашки изготавливают из сталей марок Х12М, Х6ВФ и других с термообработкой до твердости HRCЭ 59…61. Резьбы диаметром d=1,5…25,0 мм накатываются на станках-автоматах с производительно­стью до 450…1600 шт./мин. Чем меньше диаметр резьбы, тем выше производительность процесса накатывания. Из-за того, что формирова­ние резьбы происходит на очень короткой длине заборной части и сте­пень деформации очень большая, а также из-за погрешностей изготов­ления и установки плашек на станке точность накатываемой резьбы не­высокая, не выше h6.

Резьбонакатные ролики.

Резьбонакатные ролики (рис. 2) используют для накатывания наружных резьб. Этот процесс является более совершенным по сравне­нию с накатываниями плоскими плашками, хотя и значительно уступает ему по производительности (60…80 шт./мин).

Ролики обеспечивают более точную резьбу, так как работают с ма­лыми давлениями и, кроме того, резьба на роликах вышлифовывается с
высокой точностью и малой шероховатостью поверхности. Установка и регулирование роликов на размер проще и точнее, чем плашек. Благо­даря постепенной радиальной подаче роликов нагрузка на витки рас­пределяется более равномерно, поэтому можно производить накатку резьбы даже на полых заготовках, а также на заготовках из малопла­стичных материалов. Ролики позволяют производить накатку резьб на заготовках диаметром от 2 до 60 мм, что значительно выше, чем плаш­ками.

Накатывание резьбы круглыми плашка­ми с радиальной подачей
Рис. 2. Накатывание резьбы круглыми плашка­ми с радиальной подачей:
а — схема накатывания; б — развертка витка резьбы ролика

Как видно из схемы на­катывания резьбы роликами (рис. 2, а), заготовка помещается между двумя ро­ликами 1 и 2, которые в про­цессе накатки вращаются в одном направлении, а заго­товка — в противоположном. Один из роликов (ведущий) получает вращение от при­вода станка и радиальную подачу по направлению к заготовке и другому ролику. В результате этого каждый ролик участвует витками своей резьбы в формирова­нии резьбы заготовки.

Заготовка 3 устанавлива­ется на опорную линейку 4 с напаянной твердосплавной пластиной, обеспечивающей линейке высокую износо­стойкость. Для того чтобы заготовку не выталкивало из контакта с роликами, ее ось располагают ниже линии центров роликов на величину 0,1…0,6 мм.

По окончании формирования резьбы подача прекращается, и при дальнейшем вращении роликов происходит калибрование резьбы.

Направление резьбы на роликах обратное накатываемой. По оси ро­лики смещены на полшага относительно друг друга так, что выступы витков одного ролика входят во впадины витков другого ролика. При вращении роликов осевое перемещение заготовки отсутствует. Поэтому можно накатывать резьбу на заготовках с буртиками и на конических поверхностях. Наличие осевого перемещения свидетельствует о по­грешностях шага резьбы роликов, а попытки установить для заготовки упоры приводят к порче резьбы.

Основным условием получения правильной резьбы является равен­ство углов подъема резьбы роликов τи и заготовки τ. Кроме того, с уве­личением диаметра роликов из-за снижения удельного давления на за­готовку улучшается качество накатываемой резьбы и повышается их жесткость и прочность. Из этого следует, что на роликах должна быть нанесена многозаходная резьба (рис. 2, б). При этом угол подъема резьбы на инструменте и заготовке можно найти из выражений:

tg τи=Ри / πD2и; tg τ = Р / πd2

Приравняв τи = τ , получим

где i — число заходов; Ри — шаг витков резьбы инструмента; d2 — средний диаметр резьбы детали; D2и — средний диаметр резьбы ролика.

Многозаходную резьбу на роликах можно получить автоматически без использования делительных устройств при вышлифовывании ее на термически обработанных заготовках с помощью широких многониточ­ных шлифовальных кругов с подачей Ри = iP (рис. 3, а). Витки на этих кругах кольцевые, полученные с помощью специальных накаток. Ось круга при шлифовании устанавливается под некоторым углом к оси ролика, равным углу подъема резьбы τ.

Износ роликов часто сопровождается выкрашиванием отдельных витков резьбы. Для восстановления их можно перешлифовывать на дру­гой диаметр с пересчетом диаметра D2и по уравнению, но с дру­гим числом заходов i. Наружный диаметр роликов (рис. 3, а, б) равен

Dи = D2и +2 h1max

где h1max — наибольшая высота головки резьбы ролика (для метриче­ской резьбы h1max = 0,325Р).

При этом наименьшая ширина площадки по вершинам витков роли­ка должна быть не меньше 0,75 ширины площадки теоретического про­филя.

Накатный ролик
Рис. 3. Накатный ролик:
а — основные элементы ролика; б — схема для определения элементов профиля резьбы ролика

Высота ножки резьбы ролика h2min должна быть больше высоты го­ловки накатываемой резьбы (рис. 3, б), чтобы можно было гаранти­ровать зазор Δ=0,1…0,2 мм между впадиной резьбы ролика и наруж­ной поверхностью заготовки. Отсутствие такого зазора приводит к бочкообразности и овальности накатанной резьбы.

На практике ролики изготавливают диаметром Dи = 90…250 мм, шириной В=45…250 мм. Их используют на станках-автоматах с меж­центровыми расстояниями между роликами L = 90…435 мм. Изготавли­ваются ролики из тех же сталей, что и плашки.

Кроме рассмотренной схемы накатки резьбы и конструкции роли­ков существует также много других схем, например накатка тремя ро­ликами, планетарная накатка роликом и сегментной плашкой, накатка роликами с тангенциальной и осевой подачами и др.

Накатники.

Накатники (раскатники) применяются для получения внутренних резьб (рис. 4). Они представляют собой стержни с нарезанной резь­бой, соответствующей профилю накатываемой резьбы, с заборной и калибрующей частями и хвостовиком. Внешне они подобны метчикам, но, в отличие от них, не имеют стружечных канавок и, соответственно, режущих зубьев.

Накатник для внутренней резьбы
Рис. 4. Накатник для внутренней резьбы:
а — конструкция; б, в — профили продольного сечения накатника; г — профили поперечного сечения накатника

Формирование резьбы осуществляется также методом холодного пластического деформирования, но, в отличие от роликов и плашек, при этом имеет место не трение качения, а трение скольжения, вызывающее повышенный износ инструмента. По сравнению с метчиками накатники обладают большей прочностью, обеспечивают получение точных резьб с низкой шероховатостью поверхности, повышение прочности резьбы (до 20%). Наибольшее применение они нашли в приборостроении при накатке резьбы в пластичных материалах, в листовых заготовках из цветных металлов с длиной резьбы меньше диаметра, а также при на­катке резьбы в глухих отверстиях в вязких и мягких сталях.

Накатники из быстрорежущих сталей обеспечивают повышение стойкости до 10 раз по сравнению с метчиками только на малых диа­метрах (d = 3…5 мм), но с увеличением диаметра резьбы стойкость их резко уменьшается. На d = 10…12 мм их преимущества полностью те­ряются. Объясняется это сложными условиями работы накатников и высокой трудоемкостью их изготовления. При d > 10 мм эти накатники применяют только для повышения прочности и точности резьбы.

Твердосплавные накатники (монолитные, с напайными пластинами или механически закрепляемыми вставками для больших диаметров) дают значительное (от 8 до 100 раз) повышение стойкости, но очень дороги и сложны в изготовлении. При небольших диаметрах (d < 20 мм) они уступают по прочности стальным и не нашли применения в произ­водстве.

Заборная часть накатников представляет усеченный конус с резьбой полного профиля. Угол конуса φ = 45° для глухих отверстий и φ =10…15° для сквозных. Диаметр отверстия под накатку можно ориен­тировочно подсчитать по формуле

с последующей экспериментальной проверкой.

При определении диаметров резьбы накатника нужно учитывать тип ее контура: открытый или закрытый. Соответственно у накатников для получения открытого контура внутренний диаметр резьбы на за­борном конусе не ограничен и в процессе формирования резьбы не уча­ствует (рис. 4, б), т.е. по внутреннему диаметру между накатником и заготовкой имеется зазор.

При закрытом контуре (рис. 4, в) на внутренний диаметр d1 уста­навливается жесткий допуск, так как он формирует вершины витков накатываемой резьбы. Зазор между заготовкой и раскатником отсутст­вует. Такой контур обычно используется при накатывании точных резьб с тугой посадкой.

При открытом контуре вследствие недостаточного заполнения ме­таллом впадин резьбы накатника на вершинах витков накатанной резь­бы образуются складки (кольцевые канавки). Поэтому накатники испы­тывают меньшие напряжения в резьбе и крутящий момент. Их стой­кость выше, чем у накатников для резьб с закрытым контуром.

С целью обеспечения более равномерной нагрузки на отдельные витки резьбы на практике применяют различные формы заборной части: с криволинейной образующей (по параболе, гиперболе, окружности), с переменной высотой витков и др. Но это возможно только при большой длине заборной части, равной ℓ1>(3…4)P. За счет этого при накатке резьбы в сквозных отверстиях можно получить существенное повыше­ние стойкости инструмента.

Калибрующая часть накатника предназначена для окончательного формирования и калибровки резьбы. Она имеет цилиндрическую резьбу полного профиля. Ее длина равна ℓ2 > (5…10)P. Средний диаметр резь­бы инструмента d2и принимается больше среднего диаметра накатывае­мой резьбы на 2/3 допуска на d2, а наружный диаметр dи больше диаметра резьбы dи = d+0,15P с учетом упругих деформаций восстановле­ния резьбы, имеющих место после вывода накатника из отверстия.

Внутренний диаметр при накатке резьбы с закрытым контуром мо­жет быть рассчитан по формуле

d1и = d1 + 0,6δ1

где δ1 — допуск на внутренний диаметр резьбы.

В целях уменьшения момента трения и облегчения формирования резьбы накатники в сечении, перпендикулярном к оси, изготавливаются с многогранным или криволинейным профилем, имеющим переменную величину площади контакта накатника и заготовки, и наличием зазора между ними (рис. 4, г). Для получения фасонных профилей исполь­зуют затыловочные станки. От правильного выбора формы и размеров поперечного сечения зависят прочность и стойкость накатников, сила трения при накатке, точность и шероховатость поверхности резьбы. При этом число граней обусловлено размерами резьбы. Так, для резьбы до М6 рекомендуется трех- или четырехгранные, для М6…М20 — шести­гранные, а для М20…М36 — шести- или восьмигранные накатники. Для повышения точности резьб необходимо стремиться к увеличению числа граней, хотя при этом увеличивается момент трения из-за худшего про­никновения СОЖ и увеличения степени наклепа резьбы.

Для снижения крутящего момента на нерабочей части граней накат­ника выполняют, например, смазочные канавки размером Вк ≥ 0,5…0,7 мм, hк = 0,5Р (рис. 4, г).

Во избежание защемления накатника в отверстии и для снижения крутящего момента на калибрующей части предусматривается неболь­шой обратный конус по наружному диаметру в пределах 0,05…0,10 мм на 100 мм длины.

Резьбонакатные головки.

Резьбонакатные головки используют для накатки наружных резьб на специальном или универсальном оборудовании и даже вручную. Они представляют собой сборный инструмент, использующий в качестве рабочих элементов ролики небольших диаметров, подобно резьбонарез­ным головкам. Имеется большое число вариантов конструктивного ис­полнения резьбонакатных головок. На рис. 5 приведены два варианта таких головок: с аксиальной (осевой) подачей заготовок и тангенциаль­ной подачей головки.

У головок с аксиальной подачей ролики имеют кольцевые витки, смещенные по оси на величину P/n , где n — число роликов (n = 3…4). Ролики устанавливаются под некоторым углом к оси заготовки, близ­ким к углу τ подъема резьбы. На роликах для лучшего захода имеется заборная часть длиной ℓ1min = 1,5P с двух сторон как с полным, так и с неполным профилем резьбы. Головки применяют для накатки резьбы на длинных и полых заготовках с толщиной стенки 2…4 мм. Резьбонакатная головка, показанная на рис. 5, а, реверсивная, приводимая во вращение воротком. Имеются более сложные конструкции: самооткры- вающиеся в конце хода, с осевой и радиальной подачами роликов и др. Самооткрывающиеся головки не требуют свинчивания, поэтому более производительны. Они могут быть вращающимися и невращающимися. Последние применяют на револьверных станках с вращением заготовки.

Резьбонакатные головки
Рис. 5. Резьбонакатные головки: а — аксиальная; б — тангенциальная

При накатке резьбы на длине (2…3)Р в начале захода используют принудительную подачу, равную шагу резьбы. Затем подачу отключа­ют, и процесс идет с самоподачей. Принудительная подача обычно при­водит к снижению стойкости роликов.

Резьбонакатные головки используют для накатки метрических, трубных и трапециевидных резьб диаметром d = 12…90 мм с шагом до Р = 10 мм. Число роликов у крупных головок может доходить до 10.

На рис. 5, в показана схема накатки резьбы с тангенциальной по­дачей головки, закрепленной на суппорте станка. Наибольшее примене­ние нашли головки с двумя роликами. Они бывают как с синхронным (через зубчатую передачу), так и с несинхронным вращением роликов. Витки роликов винтовые, с направлением резьбы, обратным направле­нию резьбы заготовки, и с числом заходов, обеспечивающим равенство углов подъема резьбы на роликах и заготовке. Число заходов зависит от шага резьбы и находится в пределах i = 2…6. Оси роликов параллельны оси заготовки. Ширина роликов больше длины накатываемой резьбы на величину не менее одного шага. Профиль витков одного ролика смещен на P/2 относительно профиля другого ролика.

В начальный момент ролики касаются наружной поверхности заго­товки. Затем головке задается тангенциальная подача. Конец процесса накатывания резьбы наступает тогда, когда оси роликов окажутся в од­ной вертикальной плоскости с осью заготовки.

Резьбонакатные головки используются для накатки резьб диаметром d = 3…52 мм.

Резьбонарезные головки.

Они имеют достаточно широкое применение при нарезании чаще наружных и реже внутренних резьб на винтах, болтах, трубах и других деталях. Эти головки представляют собой достаточно сложные сборные конструкции с режущими элементами в виде круглых гребенок или плоских плашек, устанавливаемых в корпусе головки (рис. 1).

Типы резьбонарезных головок
Рис. 1. Типы резьбонарезных головок:
а — с круглыми гребенками; б — с тангенциальными плашками; в — с радиальными плашками

GamePark RU

Резьбонарезные головки делятся на две основные группы: самооткрывающие и регулируемые. У первых производится отвод гребе­нок от заготовки в конце операции нарезания резьбы и тем самым отпадает необходимость в обратном свинчивании, а следовательно, сокращается вспомогательное время и резко возрастает производи­тельность. Поэтому эти головки получили большее распространение, чем регулируемые, хотя последние проще по конструкции.

Резьбонарезные головки бывают вращающимися (модели 1КА…5КА), применяемыми на токарных автоматических и полуавтома­тических станках, а также невращающимися, применяемыми на токарных и револьверных станках. Раскрытие головки осуществляется при помо­щи упоров на станке и вилки, устанавливаемой в кольцевой проточке вращающейся головки или с помощью рукоятки у невращающихся го­ловок (рис. 2, а, б). В первом случае обычно заготовка не вращается, но может и вращаться. При этом раскрытие и закрытие головки проис­ходит автоматически. Во втором случае вращается только заготовка и подача головки происходит самозатягиванием или принудительно.

Конструкции резьбонарезных самооткрывающихся головок
Рис. 2. Конструкции резьбонарезных самооткрывающихся головок:
а — вращающаяся головка; б — невращающаяся головка

Print Bar

У невращающихся головок (модели 1К…5К) раскрытие головки производится автоматически в конце хода, а закрытие — вручную, с по­мощью рукоятки.

Из гребенок, применяемых в головках, наибольшее распростране­ние получили круглые гребенки, которые более технологичны, имеют точную шлифованную резьбу и допускают большое количество перето­чек.

Головки с тангенциальными плашками (рис. 1, б) хотя и допус­кают большое количество переточек, но из-за меньшей технологичности вытесняются головками с круглыми гребенками. Еще реже применяются головки с призматическими радиальными плашками (рис. 1, в), имею­щими минимальный запас на переточку, хотя конструкции головок с такими плашками более компактны.

Так как резьбонарезные головки представляют собой достаточно сложную конструкцию, то ниже, на примере круглых гребенок, рас­смотрим только режущий элемент головки, его геометрические пара­метры и установку относительно заготовки.

Круглые гребенки (рис. 3) подобны приведенным выше многони­точным круглым фасонным резцам с кольцевыми резьбовыми витками. Они имеют большой передний угол γз = 10…25° и угол заборного ко­нуса φ = 20°. Передняя поверхность гребенки затачивается под осевым углом λ.

Конструкция и геометрические параметры круглой гребенки
Рис. 3. Конструкция и геометрические параметры круглой гребенки.

При установке комплекта гребенок в резьбонарезной головке необ­ходимо, чтобы витки каждой из гребенок совпадали с впадинами наре­заемой резьбы. Поэтому они должны иметь смещение вдоль оси, равное шагу, деленному на число гребенок.

Так как витки у гребенок кольцевые, то оси гребенок должны быть наклонены к оси заготовки под углом τ подъема нарезаемой резьбы, где τ = P / πd.

Задний угол заточки

sin αз = hг / r.

На практике это требование выполняется за счет того, что гребенки крепятся на кулачках, управляющих самооткрыванием головки в конце хода, торец которых наклонен под углом τ (рис. 4, б). При этом фак­тический осевой угол на режущей части λ1 = τ + λ (λ1 = 6…7°). Наруж­ный диаметр гребенок d выбирается таким, чтобы при полном раскры­тии головки гребенки не выходили за габариты сводящего кольца, а в рабочем положении не касались бы друг друга.

Длина гребенки ℓ выбирается с таким расчетом, чтобы длина за­борной ℓ1 и калибрующей ℓ2 частей составляла бы не менее 7…8 ша­гов резьбы.

В рабочем положении центр гребенки располагается выше центра заготовки на величину h (рис. 4, а).

Из-за наличия углов λ1 и φ при заданном превышении h вершины зубьев вдоль оси гребенки располагаются на разных расстояниях С от оси заготовки (рис. 4). Расстояние С — очень важный параметр, ока­зывающий влияние на работоспособность головки, так как от него зави­сит самоподача инструмента и качество нарезаемой резьбы. Значение С переменно вдоль оси гребенки, вследствие чего изменяются углы реза­ния αр (угол между касательными, проведенными перпендикулярно к радиусам из центров заготовки и детали) и γр (угол между радиусом, проведенным из центра заготовки, и передней гранью), отличающиеся от углов заточки αз и γз (см. рис. 3).

На рис. 4, в показаны три положения вершин зубьев в различных сечениях по длине гребенки: 1) С > 0 — вершина зуба лежит выше цен­тра заготовки Оз; 2) С = 0 — вершина зуба лежит на одной высоте с цен­тром заготовки Оз; 3) С < 0 — вершина зуба лежит ниже центра Оз.

Углы резания αр и γр совпадают с углами заточки αр = αз, γр = γз только в случае, когда превышение вершины зуба C = 0 и h = hг (рис. 3). При этом sin α = h / r . В случае, когда C > 0, передний угол увеличивается (γр > γз), а задний угол уменьшается (αр < αз). При этом

sin αр = (h — С) / r

Если С < 0, то картина обратная: γр < γз , αр > αз . Этот вариант имеет место в начале контакта гребенки с заготовкой.

Только в одном случае при С > 0, когда вершина зуба лежит на ли­нии ОзОг, соединяющей центры заготовки и гребенки, αр = 0, так как нормали к радиусам, проведенным из центров заготовки и гребенки, совпадают (рис. 4, а).

Установка резьбонарезной гребенки относительно заготовки
Рис. 4. Установка резьбонарезной гребенки относительно заготовки.

На долю режущей части гребенки приходится удаление припуска из впадин нарезаемой резьбы. Поэтому здесь αр должно иметь положи­тельное значение. При угле αр = 0 процесс резания прекращается, т.е. наступает окончательное оформление профиля резьбы, и после этого в работу вступают витки калибрующей части. Сечение N—N на этой гра­нице называется профилирующим и по нему производится настройка головки. Вершины витков калибрующей части за этим сечением еще выше приподнимаются над центром заготовки, и угол αр получает от­рицательные значения. Сама же гребенка превращается как бы в зака­ленную ведущую гайку, в которую ввинчивается заготовка с нарезанной резьбой. Тем самым обеспечивается процесс самоподачи головки. Экс­периментально установлено, что оптимальные значения превышения вершины витка гребенки в этом сечении очень небольшие по величине и равны С = 0,2 мм для резьб с шагом Р = 1 мм и С = 0,1 мм для резьб с шагом Р = 2 мм. С увеличением превышения С при заданном значении λ1 шероховатость поверхности резьбы увеличивается.

Величина превышения С в сечении N—N строго контролируется на специальном приборе, оснащенном двумя микрометрами. У гребенок одного комплекта превышение должно отличаться не более чем на 0,01…0,02 мм. Отклонение резьбы по среднему диаметру у гребенок комплекта допускается не более 0,02 мм и не более 0,2 мм между ком­плектами.

Как следует из рис. 4, а межцентровое расстояние между заго­товкой и гребенкой в профилирующем сечении

Резьбонарезные плашки.

Резьбонарезная плашка — это гайка, превращенная в режущий инст­румент путем сверления стружечных отверстий и формирования на зубьях режущих перьев передних и задних углов.

Плашки применяют для нарезания наружных резьб на болтах, вин­тах, шпильках и других крепежных деталях. По форме наружной по­верхности плашки бывают: круглые, квадратные, шестигранные, труб­ные. Для слесарных работ они делаются разрезными и зажимаются в воротках.

Самое широкое применение нашли плашки круглые, как наиболее технологичные и простые в эксплуатации. Они изготавливаются из ка­либрованных прутков быстрорежущей стали на токарных прутковых станках-автоматах.

Конструктивные элементы круглой плашки
Рис. 1. Конструктивные элементы круглой плашки.

На рис. 1 показана конструкция круглой плашки и ее основные конструктивные и геометрические параметры. К ним относятся: наруж­ный диаметр плашки D, толщина B, диаметры стружечных отверстий dc и окружности их центров dц, ширина просвета с, ширина пера b, мини­мальная толщина стенки е. Геометрические параметры плашки: перед­ний угол γ, задний угол α и угол заборного конуса φ. На наружной по­верхности плашки имеются 3 или 4 конических углубления с углом при вершине 90° для крепления в воротке или кольце. На этой же поверхно­сти плашек выполнен трапециевидный паз с углом 60°, образующий перемычку толщиной m = 0,4…1,5 мм, которую после двух-трех пере­точек плашки разрезают.

Устройства для крепления плашек
Рис. 2. Устройства для крепления плашек: а — вороток; б — кольцо.

GamePark RU

Плашки устанавливаются в воротке при работе вручную или в кольце при работе на станках (рис. 2, а, б) с подвижной посадкой по наружному диаметру. Во избежание перекоса плашки оси крепежных винтов смещены относительно осей конических углублений так, чтобы надежно прижимать торец плашки к торцу посадочного гнезда. Винтом 1, входящим в паз после разрезания перемычки, и крепежными винтами 2, входящими в углубления, можно регулировать диаметры резьбы плашки после износа.

В основном плашками нарезают остроугольную крепежную резьбу диаметром от 2 до 36 мм, реже от 42 до 48 мм. Для калибровки резьб, нарезанных другими инструментами (резцами, фрезами), применяют плашки с резьбовым диаметром d=56…135 мм и выше.

Наружный диаметр плашки

D = dц + dс + 2е

Диаметры dc и dц рассчитываются исходя из условий свободного размещения стружки и минимальной толщины стенки е, которая задает­ся. Для плашек диаметром D = 2…52 мм рекомендуется принимать

С целью сокращения номенклатуры диаметров прутков, из которых плашки изготавливаются, и воротков (колец) для их крепления габарит­ные размеры плашек (D и В) нормализованы в виде рядов предпочти­тельных размеров.

Рабочая часть плашки состоит из двух взаимозаменяемых при изно­се заборных конусов с углом 2φ, расположенных с обоих торцов, и ка­либрующей части между ними (рис. 1).

Режущая часть плашки
Рис. 3. Режущая часть плашки.

Длина режущей части (рис. 3) вычисляется по формуле

где d0 — диаметр входного отверстия плашки; d -внутренний диаметр резьбы; а — фаска, снимаемая с торца для лучшего захода заготовки в отверстие плашки (а=0,2…0,4 мм); h — высота профиля резьбы.

Print Bar

Число режущих зубьев плашки на одном заборном конусе равно

где zс — число стружечных отверстий (перьев); Р — шаг резьбы.

По аналогии с метчиками толщина среза на одном зубе плашки

Угол заборного конуса рекомендуется брать следующим: при наре­зании резьбы в заготовках из высокопрочных материалов 2φ = 20…30°, легких цветных металлов и сплавов — 2φ = 50…70°. У стандартных плашек общего применения угол 2φ = 50°.

Число стружечных отверстий рекомендуется принимать в зависимо­сти от диапазона наружных диаметров нарезаемой резьбы d (табл. 1).

d, мм2…56…1820…3033…48
zc3456
Таблица 1. Количество стружечных отверстий в плашках.

Длина режущей части из-за необходимости сокращения длины сбе­га резьбы на заготовках невелика и равна ℓ1 = (1,5…3,0)Р. При этом у стандартных плашек толщина среза на один зуб в зависимости от шага и диаметра резьбы az=0,063…0,375 мм/зуб. В сравнении с метчиками это означает, что зубья плашки снимают стружки значительно большей толщины и, следовательно, работают с большими усилиями резания.

Калибрующая часть плашки предназначена для калибрования резьбы. Она влияет на направление и самоподачу инструмента в про­цессе резания. Шлифовать резьбу на ней и тем более проводить затыло­вание невозможно. Поэтому задние углы на зубьях равны нулю. Точ­ность нарезаемой резьбы из-за погрешностей, вызванных термообра­боткой, невысока — не более 6h, 8h.

Чтобы уменьшить трение на калибрующей части плашки и величи­ну искажений профиля резьбы, ее длину берут минимально возможной — обычно ℓ2 = (3…6)P.

Рис. 4. Геометрические параметры плашки с прямолинейным участком передней
поверхности пера.

Геометрические пара­метры плашки.

Передний угол γ измеряется между ра­диусом, проведенным в точку режущей кромки зуба (через него проходит основная плос­кость), и касательной к перед­ней поверхности (рис. 4). Так как последняя является частью поверхности стружеч­ного отверстия, то передний угол получается очень большим. Его можно уменьшить путем срезания по передней поверхности зенкером (до термообработки) или путем подточки шли­фовальными кругами малых диаметров (после термообработки) на спе­циальных станках при удалении части перемычки, остающейся после сверления стружечных отверстий (рис. 4, а). При этом прямолиней­ный участок передней поверхности делается несколько больше, чем высота профиля резьбы, т.е. x > h. Угол заточки γз < γ выбирается в зави­симости от обрабатываемого материала: для твердых материалов γз = 10…15°, для легкообрабатываемых γз=20…25°, у стандартных плашек γз = 15…20°.

При обработке вязких материалов с целью увеличения стружечного отверстия и направления стружки в сторону подачи аналогично метчи­кам иногда после термообработки абразивными головками делают под­точку по передней поверхности режущих зубьев под углом к оси плаш­ки λ = 15° (рис. 5, а). Задний угол αв на вершинных кромках зубьев заборного конуса получают методом затылования по архимедовой спи­рали. У стандартных плашек αв = 6…9°. Обычно применяют осевое за­тылование, поэтому в плоскости, перпендикулярной к оси плашки, ве­личина падения затылка

а вдоль оси

kz ос = kz tgφ

Причем kz отсчитывается на радиусе, проведенном в вершину со­седнего пера.

Способы улучшения конструкции плашек
Рис. 5. Способы улучшения конструкции плашек:
а — подточка режущей части по передней поверхности; б — вынос режущей части на торец плашки

Одним из способов улучшения конструкции плашек является вынос режущей части на торец и оформление ее в виде конуса с прорезанными стружечными пазами (рис. 9.32, б). Преимущества такой конструкции состоят в следующем: отпадает необходимость в сверлении стружечных отверстий, создается возможность простой заточки и переточки под различными углами у и X на универсально-заточном станке, уменьшает­ся трудоемкость изготовления и создаются лучшие условия для отвода стружки. Такие плашки выпускаются некоторыми зарубежными фир­мами.

Расчет плашек.

Расчет плашек заключается в определении диаметров стружечных отверстий dc=2rc, диаметра окружности их центров dц = 2rц и наружно­го диаметра D плашки при заданном внутреннем диаметре нарезаемой резьбы d1 = 2r1. Расчетная схема представлена на рис. 6.

Расчетная схема определения основных конструктивных параметров плашки
Рис. 6. Расчетная схема определения основных конструктивных параметров плашки.

При расчете плашки большое значение имеет правильный выбор со­отношения ширины пера и просвета b / c . Ширина пера b должна быть достаточной для обеспечения прочности и жесткости. Именно по причине поломки перьев плашки часто выходят из строя. В то же время с увели­чением ширины перьев возрастает крутящий момент трения, сокраща­ется ширина просвета, ухудшаются условия отвода стружки. При этом возможны пакетирование и защем­ление стружки, а также поломка перьев. Поэтому рекомендуют брать отношение b / c = =0,65…0,85. При расчете также задаются значе­ниями таких параметров, как внут­ренний диаметр (радиус) резьбы d1 (r1), наружный диаметр плашки (предварительно) D, число перьев n = zc (табл. 1), угол заточки γз, величина подточки по передней поверхности x = (1,2…1,5)h.

Для облегчения сверления стружечных отверстий и оформле­ния передней поверхности при подточке предусматривается вели­чина перекрытия окружностей с радиусами r1 и rс в пределах ƒ=(0,1…0,2) rс.

На расчетной схеме (рис. 6) показана передняя поверхность плашки до заточки как часть стружеч­ного отверстия с передним углом у и прямолинейным участком x после заточки угла γз. При этом углы между линией центров ООс и радиусами, проведенными в точки A и B, обозначены соответственно ω и ωз:

Радиус стружечного отверстия найдем из соотношения c /2 = r1 sin ω = rc cos(ω + γ)

Радиус окружности центров стружечных отверстий (рис. 6) вы­числим по формуле

rc = r1 cos ω + rc sin(ω + γ)

После подстановки rc из уравнения получим

rц = r1[cos ω + sin ω tg(ω + γ)]

Найдем угол ω с учетом отношения b/c = sinθв/sin2ω≈θв/2ω. Так как 2ω+θв = 2π /n, то после подстановки и некоторых преобразова­ний найдем, что

ω=π/n(1 + b/c)

Передний угол предварительно назначает­ся в пределах γ = γз + (10…15)°.

В конце расчета производится проверка на допустимую толщину стенки плашки

e = 0,5(D — dц — dc)

и величину перекрытия окружностей радиусов r1 и rс

f = 0,5(d1 — dц + rс).

Если полученные значения e и f не удовлетворяют указанным выше ограничениям, то, задаваясь их новыми значениями и отношением b/c в пределах допустимых диапазонов, по уравнениям находят новые значения rс и rц с возможной корректировкой диаметра плашки D, числа стружечных отверстий zc и угла заточки γз.

Окончательно эти и другие параметры плашки уточняют прочерчи­ванием ее в большом масштабе.

Измерение элементов резьбы плашки представляет большие затруд­нения. Проверка качества плашек осуществляется обычно косвенным путем: нарезанием резьбы на пробной заготовке и измерением ее пара­метров. Поэтому допуски на элементы резьбы плашек не устанавлива­ют, задаваясь ими только для плашечных и маточных метчиков, приме­няемых при изготовлении плашек.

Конструктивные особенности плашек других типов.

При нареза­нии резьбы вручную применяются плашки слесарные (рис. 7, а). Они делаются квадратными разрезными для того, чтобы в процессе ре­зания можно было регулировать диаметр в зависимости от нагрузки и производить нарезание резьбы в несколько проходов. Плашки имеют две стружечные канавки А и устанавливаются в специальных воротках — клуппах, снабженных винтами для крепления и регулировки зазора ме­жду двумя половинками плашки.

К слесарным плашкам также можно отнести и винторезную дощеч­ку (рис. 7, б), в которой находится несколько плашек с небольшим диаметром резьбы и двумя стружечными отверстиями.

Плашки слесарная и слесарная винторезная дощечка
Рис. 7. Плашки:
а — слесарная; б — слесарная винторезная дощечка

Плашки трубча­тые (прогонки) (рис. 8) представляют со­бой трубу из инструментальной стали с на­резанной резьбой. Для размещения сходящей стружки со стороны переднего торца в плашке прорезаны пазы, длина которых в 2 раза больше длины нарезаемой резьбы. Стружка снимается зубьями, расположенными на заборном конусе, с углом 2φ = 50…60о. Длина резьбы плашки ℓ = (7…8)Р и на заборной части ℓ1 = (2,0…2,5)Р. Передний угол обеспечивается путем простой в исполнении заточки по передней грани в зависимости от свойств обрабатываемого материала и берется в диапазоне γ = 0…25о, задний угол α создается затылованием по вер­шинным режущим кромкам, как у круглых плашек. Регулирование резьбы по диаметру производится с помощью разрезного кольца, наде­ваемого на плашку и сжимающего ее. Применяют такие плашки на револьверных станках и станках-автоматах. По сравнению с круглыми плашками они имеют следующие преимущества: 1) лучшие условия отвода стружки; 2) меньшее коробление при термообработке;

  • высокая технологичность из-за простой переточки по передней грани;
  • возможность регулирования диаметра резьбы при износе.

Недостатком трубчатых плашек является низкая точность нарезае­мой резьбы.

Трубчатая плашка
Рис. 8. Трубчатая плашка.

Плашки для конических резьб (рис. 9) применяются при нареза­нии наружных резьб в трубопроводах высокого давления. Особенности конструкций таких плашек: 1) плашки работают не напроход, а только с одной стороны, имеющей заборный конус с углом 2φ = 30…550; 2) перья делают как можно меньшей ширины для снижения сил резания и трения; 3) число стружечных отверстий равно zc = 4…7, для d=1/6.. .2″; 4) углы режущих зубьев γ = 200, α = 60.

Круглая плашка для конической резьбы
Рис. 9. Круглая плашка для конической резьбы.

Наибольшая нагрузка на плашку возникает в конце нарезания резь­бы. Во избежание поломок таких плашек необходимо применять патро­ны с предохранительным устройством от перегрузки.

Метчики.

Метчики широко используются в машиностроении для нарезания резьбы в отверстиях заготовок и весьма разнообразны по конструкциям и геометрическим параметрам.

Метчик — это винт, превращенный в инструмент путем прорезания стружечных канавок и создания на режущих зубьях передних, задних и других углов. Для крепления на станке или в воротке он снабжен хво­стовиком. Режущая часть метчика изготавливается чаще всего из быст­рорежущей стали, реже из твердого сплава.

Условия резания при снятии стружки метчиком очень тяжелые из-за несвободного резания, больших сил резания и трения, а также затруд­ненных условий удаления стружки. Кроме того, метчики имеют пони­женную прочность из-за ослабленного поперечного сечения. Особенно отрицательно это сказывается при нарезании резьбы в вязких материа­лах метчиками малых диаметров, которые часто выходят из строя из-за поломок, вызванных пакетированием стружки.

Достоинствами метчиков являются: простота и технологичность конструкции, возможность нарезания резьбы за счет самоподачи, высо­кая точность резьбы, определяемая точностью изготовления метчиков.

По конструкции и применению метчики делят на следующие типы:

  1. ручные (слесарные) — с ручным приводом, изготавливаются ком­плектами из двух или трех номеров;
  2. машинно-ручные одинарные или в комплекте из двух номеров — с ручным или станочным приводом;
  3. машинные одинарные — со станочным приводом;
  4. гаечные — для нарезания резьбы в гайках на специальных станках;
  5. плашечные и маточные — для нарезания и, соответственно, ка­либрования резьбы в резьбонарезных плашках;
  6. специальные — для нарезания резьб различных профилей: трапе­цеидальных, круглых, упорных и т.д., а также сборные регулируемые, метчики-протяжки, конические метчики и др.

GamePark RU

Конструктивные элементы метчиков и геометрические пара­метры режущей части.

Несмотря на большое разнообразие типов мет­чиков, они имеют общие основные части, конструктивные элементы и геометрию режущей части, которые рассмотрим ниже на примере мет­чиков для нарезания остроугольной крепежной резьбы, получивших наибольшее распространение на практике.

Основными частями метчика (рис. 1) являются: режущая (забор­ная) и калибрующая части, стружечные канавки, число перьев и зубьев, хвостовик с элементами крепления. К геометрическим параметрам отно­сятся: φ — угол заборного конуса, играющий роль угла в плане; γ и α — передний и задний углы на режущих кромках; ω — угол наклона винтовых стружечных канавок; λ — осевой угол подточки передней поверхности.

Основные элементы метчика
Рис. 1. Основные элементы метчика.

Режущая часть метчика выполняет основную работу по срезанию припуска, формированию профиля нарезаемой резьбы и удалению стружки из зоны резания. Она определяет точность резьбы и стойкость метчиков.

Для распределения припуска между зубьями режущая часть выпол­няется на поверхности усеченного конуса, называемого заборным, с углом φ наклона его образующей к оси. Если режущая часть получается путем срезания на конус резьбы исходного винта, то высота зубьев на нем переменная.

При этом зубья на длине режущей части ℓ1 срезают припуск во впадине резьбы детали по генераторной схеме, т.е. каждый режущий зуб участвует в формировании профиля резьбы (рис. 2). Использова­ние такой схемы значительно упрощает технологии изготовления и за­точки метчиков.

Схема для определения параметров режущей части метчика
Рис. 2. Схема для определения параметров режущей части метчика.

Известны и другие предложения по оформлению режущей части метчика, например по использованию профильной схемы резания, когда на заборном конусе нарезаются зубья с полным профилем резьбы или в качестве образующей заборной части берется не прямая, а дуга окруж­ности, и др. Хотя эти варианты и позволяют повысить стойкость метчи­ков и точность нарезаемой резьбы, но они существенно увеличивают трудоемкость изготовления метчиков и поэтому не нашли широкого практического применения. При генераторной схеме резания главными режущими кромками являются вершинные кромки переменной ширины, а боковые кромки зубьев — вспомогательными.

Print Bar

Число режущих зубьев метчика

z = zкn

где zк — число стружечных канавок; n — число режущих зубьев на од­ном пере (п=ℓ1/P).

На рис. 2 показано, что каждый зуб метчика срезает слой посто­янной толщины αz и переменной ширины b. Строго говоря, толщина среза должна измеряться по нормали к режущей кромке — α’z. Тогда

αz = α’z/cos φ

Учитывая малую величину φ = 3…6°, можно принять αz ≈ α’z.

При глубине впадины резьбы h = ℓ1tg φ, вырезаемой всеми зубьями метчика, толщина среза, приходящаяся на один зуб, равна

Число канавок zк , а следовательно, и перьев зависит от диаметра метчика, прочности перьев и условий размещения стружки. На практике для машинных метчиков рекомендуются значения zк в зависимости от диаметра резьбы (табл. 1).

d, мм2…2022…3632…52
zк2…33…44…6
Таблица 1. Число канавок метчика в зависимости от диаметра резьбы.

Из уравнения следует, что чем меньше число канавок при про­чих равных условиях, тем больше толщина среза αz , а следовательно, меньше удельная сила резания. За счет сокращения суммарного объема стружечных канавок метчик имеет больший запас прочности. Однако при этом ухудшается качество обработанной поверхности и снижается точность нарезаемой резьбы. Поэтому малые значения zк используют только у метчиков малых диаметров, где основными являются требова­ния к прочности метчиков.

На выбор αz при проектировании метчиков большое влияние ока­зывают физико-механические свойства обрабатываемого материала: прочность, твердость, вязкость и др. (табл. 2).

Обрабатываемый материалαz, мм
Сталь0,02…0,05
Чугун0,04…0,07
Цветные металлы и сплавы0,06…0,15
Труднообрабатываемые стали и сплавы0,015…0,020
Таблица 2 .Значения αz метчика в зависимости от обрабатываемого материала.

Предельными являются значения αz , равные 0,015 и 0,15 мм. При αz < 0,015 мм резание становится затрудненным и даже невозможным, так как в этом случае толщина среза приближается по величине к ра­диусу скругления режущей кромки и наблюдаются смятие и скобление поверхности резьбы. При αz > 0,15 мм резко повышается шероховатость поверхности резьбы и из-за увеличения силы резания снижается ее точ­ность. Таким образом, при выборе αz исходят из того, что при умень­шении αz до определенного предела улучшается качество резьбы, сни­жаются силы резания, но уменьшается производительность процесса резьбонарезания. Поэтому при нарезании качественных резьб берут меньшие значения αz . Так же поступают и при обработке более проч­ных и вязких материалов, например жаропрочных и нержавеющих ста­лей, титановых сплавов и др.

Как видно из уравнения и рис. 2, изменить величину αz можно путем изменения угла заборного конуса φ а следовательно, и длины режущей части метчика, так как

ℓ1 = h /tg φ

Для стандартных машинных метчиков рекомендуется φ = 6°30′, а для гаечных метчиков φ = 3°30′. Такое небольшое значение φ берется также с целью обеспечения лучших условий захода метчика в отвер­стие. При изменении условий резания величину угла φ, а следовательно, и αz можно менять путем переточки метчика по заборному конусу.

На окончательный выбор значений параметров φ и αz оказывают влияние тип отверстия и комплектность метчиков, применяемых для нарезания резьбы.

На рис. 3 показаны наиболее часто встречающиеся на практике четыре типа отверстий: сквозные неглубокие и глубокие, глухие с ма­лым и большим пространствами для выхода метчика. Если выразить длину режущей части в шагах Р, то при нарезании резьбы в сквозных отверстиях принимают ℓ1 = 6Р, у гаечных метчиков ℓ1 = (6…12)Р, в глухих отверстиях ℓ1 = 2Р и в труднообрабатываемых материалах ℓ1 =(12…20)Р.

Типы отверстий для нарезания резьбы метчиками
Рис. 3. Типы отверстий для нарезания резьбы метчиками: а — корот­кие сквозные; б — длинные сквозные; в — глухие с глубоким выбе­гом метчика; г — глухие с неглубоким выбегом метчика

При нарезании резьбы в сквозных отверстиях, в том числе в гайках, когда длина режущей части равна длине нарезаемой резьбы, возникает наибольшая сила резания, так как при этом суммарная площадь срезае­мого припуска будет максимальной. Если же режущая часть короче длины резьбы, то сила резания будет меньше.

При сокращении размера ℓ1 сила резания уменьшается за счет уве­личения az и снижения удельной силы резания, сокращается также ма­шинное время, но ухудшаются условия захода метчика в отверстие. С целью исправления этого недостатка диаметр на переднем торце метчи­ка dT принимают меньше диаметра отверстия, просверленного под резь­бу (рис. 2), т.е.

dт = dc — 2ƒℓзкtgφ

где dc — диаметр сверла; ƒ — коэффициент уменьшения диаметра (для метчиков d=2…30 мм, ƒ = 0,3…0,18, причем большее значение ƒ берет­ся для метчиков меньших диаметров).

Как следует из рис. 2, длина режущей части ℓ1 меньше длины заборного конуса ℓзк:

Длина заборного конуса с учетом диаметра метчика с торца dт равна

Найдем длину заборного конуса для заданного диаметра отверстия под резьбу dc. Так как ℓзк = ℓ1 — fℓ1 = ℓ1(1 — f), то из уравнения

При нарезании резьбы в глухих отверстиях за один проход, как ука­зывалось выше, ℓ1 = 2P. В случае применения комплекта из двух мет­чиков принимают ℓ1 = 6P для чернового метчика и ℓ1 = 2P для чисто­вого метчика. С целью облегчения работы машинных метчиков там, где это допустимо с точки зрения конструкции детали, сверлят отверстие под резьбу на большую глубину по сравнению с требуемой (рис. 3, в). Такое отверстие можно нарезать метчиком, предназначенным для сквозных отверстий.

При нарезании резьбы вручную, как правило, трудно удалить весь припуск за один проход. Поэтому приходится его распределять между несколькими метчиками комплекта, который может состоять из двух или трех номеров. Соответственно ℓ1, φ, наружный d и средний d2 диа­метры резьбы будут у них переменными (рис. 4).

Распределение припуска между метчиками комплекта из трех номеров
Рис. 4. Распределение припуска между метчиками комплекта из трех номеров.

В табл. 3 приведены рекомендации по распределению объема снимаемого припуска между метчиками комплекта, углы φ, длины ре­жущей части ℓ1 и нагрузки в процентах на каждый метчик.

Номера метчиков в комплектеКомплект из двух номеровКомплект из трех номеров
№1 (черновой метчик)70%; φ = 7°; ℓ1 = 6Р50%; φ = 4°; ℓ1 = 5Р
№2 (средний метчик)—30%; φ = 10°; ℓ1 = 2,5Р
№3 (чистовой метчик)30%, φ = 20°; ℓ1 = 2Р20%; φ = 20°; ℓ1 = 1,5Р
Таблица 3. Распределение припуска между метчиками комплекта.

У всех метчиков комплекта внутренний диаметр резьбы d1 одина­ков, а наружный d и средний d2 диаметры отличаются. Так, например, для комплекта из трех метчиков они равны соответственно

d(№1) = d(№3)-0,5P; d(№2) = d(№3) -0,15P

где d(№1..3) — наружный диаметр соответственно метчиков №1…3.

d2(№1) = d2(№3) -0,15P; d2(№2) = d2(№3) -0,07P,

где d2(№1…3) — средний диаметр соответственно метчиков №1…3.

Геометрические параметры зубьев режущей части метчика пока­заны на рис. 5.

Передний угол γ у зубьев метчика — это угол между касательной к передней поверхности и радиусом, проведенным в точку режущей кромки, через который проходит основная плоскость. Строго говоря, этот угол изменяется по высоте зуба, так как точки режущих кромок лежат на разных диаметрах, однако для крепежных резьб с небольшой высотой резьбы перепад этих диаметров небольшой и изменение угла невелико.

Учитывая тяжелые условия работы метчика, передний угол γ, как правило, берут положительным. Для обработки сталей средней твердо­сти рекомендуется брать угол γ = 12…15°, для хрупких материалов (чу­гун, бронза, латунь), а также для твердой стали γ = 0…5°, для цветных металлов и сплавов γ = 16…25°.

Геометрические параметры режущих зубьев метчика
Рис. 5. Геометрические параметры режущих зубьев метчика.

Задний угол αв на главных вершинных кромках — это угол между вектором скорости резания, через который проходит плоскость резания, и касательной к задней поверхности. Он создается путем затылования вершинных режущих кромок зубьев по архимедовой спирали. Рекомен­дуется брать αв = 6…12° (меньшее значение берется для ручных мет­чиков).

Величина падения затылка, измеряемая на радиусе, проведенном в вершину соседнего зуба, равна (по аналогии с затылованными фрезами).

На боковых режущих кромках при генераторной схеме резания зад­ние углы отсутствуют, так как толщины срезаемых слоев небольшие.

Только у метчиков с профильной схемой резания, применяемых для нарезания резьб высокой точности и качества поверхности, использует­ся затылование по всему профилю зубьев.

После затупления метчиков переточка режущих зубьев может про­изводиться как по передней, так и по задней поверхности по схемам, приведенным на рис. 6. В случае затылования поворот метчика про­изводится в пределах ширины пера с использованием, например, при­способления, показанного на рис. 6, б.

Заточка метчика
Рис. 6. Заточка метчика: а — по передней грани; б — по задней грани

Калибрующая часть метчика, имеющая полный профиль резьбы, предназначена для окончательного формирования нарезаемой резьбы. Она также обеспечивает направление метчика в отверстии, его самопо­дачу по резьбе, нарезанной заборной частью, а также служит запасом на переточку метчика. Наибольший износ ее зубьев приходится на первый виток после заборной части. В процессе переточки метчика из-за малого значения угла φ длина калибрующей части ℓ2 заметно уменьшается. При назначении размера исходят из следующих соображений: чем больше размер ℓ2, тем лучше направление метчика в отверстии, тем точнее нарезаемая резьба и больше запас на переточку, но при этом воз­растает крутящий момент трения. Поэтому считается достаточным, если ℓ2 = 0,5d для средних и крупных и ℓ2 = (1,2…1,5)d для мелких диамет­ров. При нарезании резьб с мелким шагом длина ℓ2 может быть увели­чена до (20…40)P.

Для уменьшения трения и во избежание защемления метчика в от­верстии калибрующая часть снабжается обратным конусом по наруж­ному диаметру с уменьшением его на 0,04…0,08 мм на 100 мм длины. У метчиков со шлифованной резьбой также производится затылование по боковым сторонам витков в пределах 2/3 ширины пера от его конца на величину падения затылка kz = 0,02…0,04 мм. При этом задний угол на боковых режущих кромках равен αб = 15…20′. Кроме снижения трения, это способствует устранению налипания мелкой стружки на витки резь­бы метчика. У ручных метчиков затылование на калибрующей части не предусматривается.

При нарезании резьб в вязких и особо труднообрабатываемых мате­риалах применяется также срезание зубьев через один в шахматном по­рядке (см.ниже метчики с шахматным расположением зубьев) с целью снижения сил трения на калибрующей части.

Форма стружечных канавок и перьев метчика.

Форма стружечных канавок и перьев метчика оказывает боль­шое влияние на его работоспособность. Объем канавок должен быть достаточным для размещения стружки, особенно при нарезании резьбы в глухих отверстиях. Форма канавки должна способствовать лучшему формированию и отводу стружки из зоны резания.

Часть поверхности канавки является передней гранью зуба, по ко­торой сходит стружка. Она прямолинейна (рис. 7, а) и обеспечивает постоянство угла вдоль всей длины рабочей части метчика. Другая часть канавки определяет форму спинки зуба. При вывертывании мет­чика задняя сторона пера может срезать стружку и испортить резьбу. Это наиболее вероятно в том случае, когда форма канавки полукруглая (рис. 7, б). При прямолинейной спинке угол η между касательной к наружной окружности и спинкой зуба должен быть не менее 75°. Для лучшего скручивания стружки в плотные жгуты чаще всего спинку зуба делают по радиусу (рис. 7, б), что особенно важно при обработке вязких материалов.

Форма и направление стружечных канавок метчика
Рис. 7. Форма и направление стружечных канавок метчика:
а — прямолиней­ный профиль; б — полукруглый профиль; в — винтовая канавка для нарезания резьбы в сквозных отверстиях; г — винтовая канавка для нарезания резьбы в глу­хих отверстиях; д — подточка передней поверхности метчика под углом λ

С целью упрощения технологии изготовления основная масса мет­чиков выпускается с прямыми стружечными канавками, параллельными оси, но в последние годы изготавливаются метчики и с винтовыми ка­навками, имеющими угол наклона к оси метчика ω = 10…45° (рис. 7, в, г). Для нарезания резьбы в сквозных и глухих отверстиях такие ка­навки имеют соответственно правое и левое направления. При этом стружка выталкивается канавкой вперед при нарезании резьбы в сквоз­ных отверстиях или назад к хвостовику — в глухих отверстиях.

Для сквозных отверстий используется также более простой способ направления стружки путем подточки пера по передней поверхности под углом λ (рис. 7, д). При этом также увеличивается объем канавки на режущих зубьях заборной части и предотвращается ее защемление в отверстии.

Глубина стружечных канавок обычно постоянна по всей длине ра­бочей части метчика или может несколько уменьшаться по направле­нию к хвостовику с целью повышения прочности. Она определяется диаметром метчика d и числом канавок zк. Ориентировочно высота ка­навки hк = (0,35…0,4)d при zк = 3; hк=(0,4…0,45)d        при zк = 4; hк = (0,5…0,55)d при zк = 6.

Прочность метчика зависит от диаметра сердцевины dc и ширины пера C (рис. 7,б). От последнего параметра также зависит запас на переточку по передней грани. В то же время с увеличением ширины пера увеличивается момент трения на метчике. Ориентировочно значе­ние ширины пера принимается равным C = 0,3d при zк = 3; C = 0,2d при zк = 4; C = 0,16d при zк = 6.

Рабочую часть ручных метчиков изготавливают из инструменталь­ных сталей, машинно-ручные и машинные — из быстрорежущих сталей, а также из твердых сплавов группы ВК, имеющих повышенную проч­ность. Рабочую часть метчиков диаметром d > 8 мм сваривают с хвосто­виком из конструкционной стали.

Твердосплавные метчики диаметром до 8 мм делают цельными, диаметром 8…12 мм — с цельной рабочей частью и стальным хвостови­ком (рис. 8, а), а диаметром более 12 мм — с напайкой твердосплав­ных пластин на корпусы инструментов, изготавливаемых из сталей 9ХС и ХВСГ (рис. 8, б).

Твердосплавные метчики
Рис. 8. Твердосплавные метчики:
а — с цельной твердосплавной рабочей частью, припаянной к хвостовику; б — с напайными твердосплавными пластинами

Хвостовики метчика изготавливают цилиндрическими с квадратом на конце для зажима и передачи крутящего момента. Диаметр хвосто­вика обычно меньше внутреннего диаметра резьбы на 0,25…1,0 мм. У метчиков для резьб d = 2…10 мм, чтобы повысить прочность, делают усиленные хвостовики диаметром, большим диаметра рабочей части. Длина хвостовика зависит от глубины нарезаемого отверстия. У гаеч­ных метчиков она наибольшая, что необходимо для размещения гаек. При этом хвостовик может быть изогнутой формы (см.ниже).

Допуски на размеры профиля метчиков.

Допуски на элементы резьбы d, d1, d2, P и α/2 назначаются в соответствии с ГОСТ 3266-81.

Их величина зависит от степени точности нарезаемой резьбы и класса точности метчика (табл. 4).

Степень точности нарезаемой резьбы4Н, 5Н, 4Н5Н5Н6Н, 6Н6Н6Н, 7Н6G6G, 7G
Класс точности метчика123412
Таблица 4. Влияние класса точности метчика на степень точности нарезаемой резьбы.

Примечания: 1. При двойном обозначении степени точности резьбы, например 4Н5Н, на первом месте ставится степень точности по d2 гайки, на втором — болта. 2.Метчики классов 1, 2, 3 изготавливаются со шлифованной резьбой.

На рис. 9, а показано расположение полей допусков на диаметры резьб гайки и метчика для метрической крепежной резьбы.

При посадке с зазором поле допуска резьбы гайки находится выше номинального профиля (в «теле» гайки). Поле допуска на резьбу метчи­ка лежит внутри поля допуска на гайку, оно значительно уже и распо­ложено ближе к номинальному профилю, но не совпадает с ним, а имеет допуск на износ по наружному d и среднему d2 диаметрам (рис. 9, б). Верхняя граница поля допуска гайки по наружному диаметру не огра­ничивается, поэтому поле допуска метчика по этому параметру нахо­дится полностью в поле допуска гайки, в том числе с допуском на из­нос.

Схемы расположения полей допусков на диаметры резьбы метчика и гайки
Рис. 9. Схемы расположения полей допусков на диаметры резьбы метчика (d, d1, d2) и гайки.

Средний диаметр резьбы d2 является основным параметром, харак­теризующим класс точности метчика. Поле допуска на него состоит из допусков на износ, изготовление и разбивку, которые в сумме равны допуску на средний диаметр гайки D2.

Внутренним диаметром d1 метчик не должен снимать стружку. По­этому верхнее отклонение поля допуска метчика на d1 должно быть ни­же наименьшего диаметра резьбы гайки. Нижнее отклонение по d1 мет­чика не регламентируется. Дно впадины резьбы метчика может быть произвольной формы, в том числе с закруглением, но не должно захо­дить за нижнюю границу поля допуска на диаметр D1 гайки, т.е. метчик впадиной резьбы не должен касаться внутренней поверхности резьбы гайки.

Допуск на шаг резьбы метчика зависит от погрешностей механизма подачи резьбошлифовального станка и погрешностей, вызванных тер­мообработкой. У метчиков 1, 2, 3-го классов точности в зависимости от диаметра и класса точности предельные отклонения по шагу на длине 25 витков составляют 0,006…0,012 мм.

Отклонение по углу профиля α назначается с учетом обеспечения симметричности профиля. Поэтому оно задается на половину этого уг­ла. С учетом возможных погрешностей инструментов, нарезающих резьбу метчика, после термообработки метчиков классов точности 1, 2, 3 этот допуск в зависимости от диаметра и класса точности равен

δ(α/2) = ±40…15′.

Выбор диаметра отверстия под резьбу.

Выбор диаметра отверстия под резьбу зависит от вида материала, его способности к вспучиванию резьбы после прохода метчика. При обработке материалов повышенной вязкости, а также с большим упру­гим восстановлением (цветные металлы, титановые сплавы) наблюдает­ся уменьшение внутреннего диаметра нарезанной резьбы, вызывающее увеличение момента трения и иногда поломку метчика.

Во избежание этого диаметр отверстия под метчик dсв выбирают больше внутреннего и меньше наружного диаметра резьбы метчика, т.е. диаметр сверла d1<dсв<d. Ориентировочно при нарезании метрических резьб в стальных заготовках диаметр сверла можно определить по фор­муле

dсв = d — P

Особенности конструкций некоторых основных типов метчи­ков.

Несмотря на простоту конструкций метчиков, в практике нашли применение различные варианты их исполнения применительно к ре­шению конкретных задач производства. Насчитывается более 12 вари­антов исполнения машинных метчиков, часть из которых представлена на рис. 10, а-и. Ниже даны краткие характеристики конструкций мет­чиков, нашедших наибольшее практическое применение.

Слесарные (ручные) метчики предназначены для нарезания резьб вручную. Они изготавливаются из инструментальных сталей комплек­тами из двух или трех метчиков, у которых резьба получена накаткой роликами. Класс точности метчика невысокий (4-й класс). В последнее время стали изготавливать слесарные метчики также из быстрорежущей стали со шлифованным профилем, в том числе с унифицированной резьбой по американским стандартам диаметром d = 1/4.. .1″. Для наре­зания резьбы в сквозных отверстиях у ручных метчиков, так же как у машинных, делают подточку передней грани под углом λ (рис. 10, а).

Машинные и машинно-ручные метчики (см. рис. 1) использу­ются на сверлильных, токарных и агрегатных станках для нарезания метрической резьбы М2…М24 в заготовках из стали прочностью σв до 800 Н/мм2, латуни, чугуна, в сквозных и глухих отверстиях. Размеры таких метчиков стандартизованы. Материал режущей части метчиков — сталь Р6М5, резьба шлифованная и затылованная. Машинно-ручные метчики выпускаются комплектами из двух или трех номеров и могут использоваться также при нарезании резьбы вручную. Стандартные машинные метчики одинарные, имеют относительно короткую забор­ную часть и прямые стружечные канавки, передний угол γ = 10°. Если они не отвечают требованиям производства, то могут быть переделаны на специальные метчики самим потребителем или по заказу инструмен­тальными заводами. Переделка чаще всего состоит в изменении углов γ, φ, λ, а также в удалении части ниток в шахматном порядке. В этом слу­чае исходят из того, что при обработке вязких материалов следует уве­личить угол γ до 20°, а хрупких материалов (чугуна, бронзы), наоборот, уменьшить угол γ до 4…6°. С помощью угла φ можно регулировать толщину среза на один зуб αz и, соответственно, силы резания и шеро­ховатость поверхности с учетом изложенного выше.

Метчики с шахматным расположением зубьев (рис. 10, б) ре­комендуется использовать для нарезания резьбы в вязких материалах, так как они исключают заклинивание витков инструмента в процессе резания вследствие уменьшения сил трения. При этом срезание зубьев метчика осуществляется обычно только на его калибрующей части. При обработке малопрочных вязких материалов зубья срезаются как на 1/3 длины заборной части, так и по всей ее длине. Практика показывает, что эффект уменьшения сил трения тем выше, чем больше шаг резьбы.

Конструкции некоторых типов метчиков
Рис. 10. Конструкции некоторых типов метчиков:
а — слесарный (ручной); б — с шахматным расположением зубьев; в — бесканавочный; г — с винтовыми канавками; д — ступенчатый; е — с режуще-выглаживающими зубьями ; ж — с направляющей частью; з — с внутренним подводом СОЖ; и — колокольного типа

Метчики с укороченной стружечной канавкой (рис. 10, в) или, как их часто называют, бесканавочные имеют короткие канавки пере­менной глубины с углом наклона дна канавки к оси ψ = 5…10° и осевым углом λ = 9…12°. По сравнению с обычными метчиками эти метчики из-за большого поперечного сечения более прочные. Длина канавок примерно равна удвоенной длине заборного конуса. Во избежание по­вышенного момента трения из-за отсутствия канавок на большей длине незатылованной калибрующей части делают большую обратную конус­ность по наружному диаметру (до 0,2 мм на 100 мм длины).

Такие метчики рекомендуется применять для нарезания резьб диа­метром до 10 мм в сквозных отверстиях заготовок из труднообрабаты­ваемых легированных сталей, вязких низкоуглеродистых сталей, цвет­ных металлов и сплавов. Они обеспечивают также высокую точность и низкую шероховатость поверхности резьбы.

Метчики с винтовыми канавками (рис. 10, г), как было показано выше, рекомендуются для надежного удаления стружки в основном из глухих отверстий. При нарезании резьбы в сквозных отверстиях удале­ние стружки в направлении подачи метчика проще обеспечить путем подточки передней поверхности под осевым углом λ.

Ступенчатые метчики (рис. 10, д) имеют двойную режущую часть и позволяют реализовать в одном метчике любую комбинацию схем резания. Например, первая часть, имеющая занижение по профи­лю, может обрабатывать резьбу по генераторной схеме, а вторая — по профильной. При этом можно нарезать высокоточные резьбы. Эта кон­струкция удобна и для таких комбинированных схем, в которых одна часть выполняет резание, а вторая — выглаживание резьбы.

Метчики с режуще-выглаживающими зубьями (рис. 10, е) име­ют перья с режущими и ведущими участками. Если перепад по диамет­ру Δ < 0, то имеет место сочетание резания и выглаживания резьбы. При Δ > 0 опорные ведущие участки перьев позволяют повысить точность нарезаемой резьбы. Небольшое занижение Δ существенно снижает ве­роятность разбивки резьбы, особенно в случае несовпадения осей мет­чика и отверстия. Канавки, разделяющие режущие и ведущие части метчика, служат для подвода СОЖ и выхода абразивного круга при шлифовании профиля резьбы.

Метчики с направляющими частями (рис. 10, ж) применяются для обработки деталей с точным взаимным расположением поверхно­стей нескольких отверстий. У метчиков для сквозных отверстий на­правляющая часть располагается впереди режущей части, а для глухих — после калибрующей части. Направляющая часть, расположенная после калибрующей части, имеет увеличенный диаметр и требует применения кондукторной втулки.

Метчики с внутренним подводом СОЖ (рис. 10, з) имеют стой­кость в 3…4 раза выше из-за лучших условий охлаждения, смазки и отвода стружки, но требуют специальных устройств для подвода СОЖ.

Метчики колокольного типа (рис. 10, и) применяют при нареза­нии резьб в сквозных отверстиях крупных диаметров d = 50…400 мм в тяжелом машиностроении. Они выполняются цельными или составны­ми. В последнем случае рабочая часть метчика насадная, состоящая из режущей и калибрующей частей. Внутренняя полость метчика обеспе­чивает подвод СОЖ и имеет большое пространство для размещения стружки. Число перьев у таких метчиков доходит до 16.

Гаечные метчики (рис. 11) служат для нарезания сквозных резьб без свинчивания гаек путем их нанизывания на хвостовую часть. Для лучшего захода метчика в отверстие они имеют длинную заборную и короткую калибрующую части. В начале заборной части снимают фаску под углом 45° на длине (1.. .1,5)Р, а иногда делают гладкую переднюю направляющую диаметром dн = d1min -(0,1…0,3) мм.

Из-за большой длины гаечных метчиков, затрудняющей их изготов­ление, особенно при шлифовании резьбы, их часто делают составными: отдельно изготавливают режущую и хвостовую части, а затем их соеди­няют сваркой трением, пайкой или с помощью резьбы.

Хвостовики гаечных метчиков изготавливают длинными прямыми или изогнутой формы (рис. 11, а, б). Метчики с изогнутыми хвостови­ками применяют для нарезания резьбы в гайках на станках-автоматах с непрерывным циклом. Здесь заготовки гаек подаются из бункера в зону резания и после нарезания резьбы сходят по изогнутому хвостовику в лоток (рис. 11, в).

Гаечные метчики
Рис. 11. Гаечные метчики:
а — с прямым хвостовиком; б — с изогнутым хвосто­виком; в — схема работы гайконарезного станка-автомата

Плашечные и маточные метчики (рис. 12). Плашечные метчики служат для предварительного нарезания резьбы в круглых плашках до сверления стружечных отверстий, а маточные — для калибрования резь­бы после сверления. Иногда их объединяют в один комбинированный плашечно-маточный метчик и используют для нарезания резьбы в плашках за один проход.

Метчики плашечный и маточный
Рис. 12. Метчики: а — плашечный; б — маточный

Так как обрабатываемый материал часто имеет большую твердость, а к резьбе предъявляются высокие требование по точности, то для луч­шего направления метчика в отверстии угол заборного конуса у пла­шечных метчиков берут малым φ=1°20′, а длину заборного конуса большой — ℓзк = (46…48)P. При этом на длине заборной части, равной ℓ1 = 16P, зубья имеют полный профиль с углом φ = 1°20′ и затылова­нием на величину kz = 0,03…0,06 мм по d2 и d1, на остальной части, выполненной по цилиндру с затылованием по вершинам зубьев, — на вели­чину kz=0,45…1,1 мм. Таким образом, плашечный метчик имеет только режущие зубья, которые на первом участке работают по профильной схеме резания, а на втором — по генераторной. Число перьев метчика принимается на 1…2 больше числа отверстий в плашке.

У маточных метчиков имеются заборная часть длиной ℓ1 = 12P с углом φ = 0°12′ и калибрующая часть длиной ℓ2 = 10P. Во избежание ударов стружечные канавки делают винтовыми с углом ω = 8…10° и направлением, противоположным направлению резьбы. Число канавок маточного метчика zк = 6…10, а у метчиков d<6 мм делается одна ка­навка.

Метчики для ко­нической резьбы (рис. 13) применяют там, где требуется получить герметичное резьбовое соединение без приме­нения уплотнительных средств. Это достига­ется за счет деформа­ции витков резьбы при осевом перемещении, например труб, муфт, ра­ботающих при высоких давлениях передаваемой среды (масло, вода, воздух) и высоких температурах.

Метчик для конической резьбы
Рис. 13. Метчик для конической резьбы.

Особенность работы конических метчиков заключается в том, что нарезание резьбы происходит по всей длине метчика, равной длине резьбы. Калибрующая часть у конических метчиков отсутствует, что способствует появлению больших усилий резания. Нарезание резьбы, как правило, производится на станках с предохранительным устройст­вом, срабатывающим в конце резания. Основные параметры метчиков подобны параметрам метчиков для цилиндрических резьб. Режущие зубья затылуются по наружному диаметру (αв = 6…8°, γ = 5…10°).

Метчики сборные, регулируемые (рис. 14) применяются с целью экономии инструментальных материалов при нарезании резьб больших диаметров, чтобы компенсировать износ, они часто изготавливаются сборными, регулируемыми по диаметру.

Регулируемый метчик
Рис. 14. Регулируемый метчик.

Как видно из рис. 14, в корпусе 1 крепится стержень 2 с наклон­ными пазами. Гребенки 3 входят в пазы стержня и прижимаются крыш­кой 4. При перемещении стержня 2 с помощью винтов 5 происходит регулировка диаметра метчика. На заборной части метчика угол φ=10…15° — для сквозных отверстий и φ = 20…30° для глухих отверстий. Передний угол γ = 5…25°, а задний угол на режущей части (α=8…10°) получают затылованием. Резьба на гребенках винтовая, совпа­дающая по направлению с нарезаемой.

Недостатком этой конструкции является необходимость вывинчи­вания метчика из отверстия. Есть более сложные конструкции сборных метчиков, у которых вывинчивание исключается за счет утопления гре­бенок в конце нарезания резьбы.

Метчик-протяжка (рис. 15) позволяет нарезать в сквозных от­верстиях резьбу любых профилей и длины, с любым числом заходов. Метчик-протяжка по сравнению с обычными метчиками и резьбовыми резцами обеспечивает повышение производительности в несколько раз при высокой точности и низкой шероховатости резьбы.

Метчик-протяжка
Рис. 15. Метчик-протяжка:
а — конструкция; б — схема протягивания внутренней резьбы

Особенности конструкции метчика-протяжки: 1) хвостовик распо­лагается впереди режущей части и метчик работает на растяжение; 2) рабочая часть метчика представляет собой коническую поверхность большой протяженности с зубьями, профиль которых соответствует профилю нарезаемой резьбы. Угол заборного конуса очень мал — φ = 1°40′; 3) зубья по среднему диаметру не затылуются, а затачиваются только по задним поверхностям с двойной заточкой: α1 = 12…15°, α2=30…60°; 4) из-за угла φ ширина режущих кромок по наружному диа­метру переменная. Она уменьшается от первых зубьев к последним, т.е. используется генераторная схема резания; 5) стружечные канавки вы­полняют винтовыми: для правой резьбы — левые, для левой резьбы — правые, с углом наклона к оси метчика ω = 4…15°, угол раскрытия ка­навки φ = 80…90°; 6) в конце рабочей части метчика иногда предусмат­ривают короткую калибрующую часть и задний хвостовик; 7) число канавок zк = 3 для d < 20 мм и zк = 4 для d > 20 мм.

Нарезание резьбы обычно производится на токарном станке с n = 18…40 об/мин и V = 2…3 м/мин. Хвостовик метчика с помощью клина крепят на суппорте станка. Перед протягиванием заготовку надевают на метчик и зажимают в самоцентрирующем патроне станка (рис. 15, б) и приводят во вращение. При этом шпиндель станка включают на обрат­ный ход и суппорт перемещается вправо с подачей на один оборот, рав­ной шагу нарезаемой резьбы.

При нарезании резьбы в высокопрочных материалах рабочую часть метчика-протяжки делят на ступени. При этом каждая ступень имеет режущую и калибрующую части, а проточки между ступенями служат для выхода стружки.