4.4 Резьбовое соединение

Резьбовые соединения предназначены для:

1. крепления деталей (крепежные резьбы),

2. преобразования вращательного движения в поступательное (кинематические резьбы),

3. обеспечения герметичности (трубные и арматурные резьбы),

4. решения специальных задач (специальные резьбы).

Все эти типы резьб встречаются в авиационной ракетно-космической технике. На трубных и арматурных резьбах базируется стендовое ракетно-космическое оборудование. Кинематические резьбы используются в станках, в головках различных измерительных приборов. Специальные резьбы – для телескопов, окуляров подводных лодок (окулярные резьбы), для решения трудных резьб в буровых вышках, т.е. для решения специальных задач.

В основном мы будем рассматривать крепежные резьбы, как наиболее распространенные, но надо сказать, что принципы, заложенные в стандартизацию крепежных резьб годны и для других случаев.

В зависимости от формы профиля различают:

1. треугольные,

2. трапециидальные,

3. прямоугольные,

4. круглые резьбы.

Кроме того, профиль резьбы может быть как симметричным, так и несимметричным (силовые резьбы).

В зависимости от расположения поверхности резьбы различают цилиндрические и конические резьбы, а также внутренние (гайка), наружные (болт) резьбы, от направления вращения резьбы делятся на правые и левые, от числа заходов - одно- и многозаходные резьбы.

Общим требованием для всех типов резьб является обеспечение долговечности и свинчиваемости, без подгонки независимо изготовленных резьбовых деталей.

Профиль и основные элементы метрической резьбы регламентируются ГОСТом 9150-81.

Исходный теоретический профиль такой резьбы характеризуется тремя параметрами.

Изобразим ось резьбы и виртуальную цилиндрическую поверхность с диаметром d₂ (D₂), которая разделена на равные отрезки пока еще виртуальными витками резьбы (ab=bc=cd=….). Для построения исходного теоретического профиля необходимо взять угол в 60° и опускать его до тех пор, пока он не пересечется с соответствующими точками. Таким образом, мы получим исходный теоретический профиль резьбы (рис. 4.10).

Рисунок 4.10 – Профиль и основные элементы метрической резьбы

1. Средний диаметр болта (наружной резьбы) d₂ и гайки (внутренней резьбы) D₂.

Средний диаметр – диаметр воображаемого цилиндра, соосного с резьбой, образующая которого в любой осевой плоскости делится боковыми сторонами витков резьбовой поверхности на равные части.

2. Шаг резьбы Р – расстояние между параллельными сторонами двух соседних витков резьбы, измеренное в направлении оси резьбы.

3. - угол профиля резьбы. Это угол между боковыми сторонами осевого профиля резьбы (для метрической резьбы = 60º), в осевом сечении - сечения витков, соответствующие равносторонним треугольникам.

Так же кроме шага осевые размеры резьбы характеризуются ходом резьбы. Многозаходные резьбы применяются в случае соединения тонкостенных деталей, когда радиальный размер резьбы должен быть ограничен. Изобразим исходный теоретический профиль однозаходной резьбы. Для того чтобы передать примерно такие же усилия, уберем впадины и симметрично им создаем выступы. Резьба будет обладать большей прочностью при тех же осевых усилиях.

Номинальный профиль резьбы помимо указанных характеризуется дополнительно еще двумя параметрами:

4. d₁ (D₁) – внутренний диаметр резьбы,

5. d (D) – наружный диаметр резьбы.

Происходит подрезка теоретического профиля резьбы и номинальный профиль будет выглядеть следующим образом (рис. 42 и у этого профиля дополнительно появляются еще два диаметра.

Наружный диаметр резьбы – диаметр воображаемого цилиндра, описывающего номинальную резьбовую поверхность.

Внутренний диаметр резьбы (d₁, D₁) – диаметр воображаемого цилиндра вписанного в номинальную резьбовую поверхность.

Номинальная резьбовая поверхности является общей для сопрягаемых резьбовых деталей.

Осевое сечение номинальной резьбовой поверхности называется номинальным профилем.

В зависимости от соотношения между наружным диаметром резьбы и шагом различают резьбы с крупным и мелким шагом.

Если это соотношение:

, (4.1)

то говорят о резьбах с крупным шагом, который в обозначении на чертежах не приводится. Указание шага необходимо для резьб с мелким шагом.

Рассмотрим обозначение резьбы:

М – обозначает метрическую резьбу (α=60°);

24 – наружный диаметр d = D = 24мм.

Обозначение следует читать следующим образом: метрическая резьба с наружным диаметром 24 с крупным шагом. Если необходимо числовое значение шага, то следует посмотреть в соответствующий ГОСТ. Иногда для решения специальных задач используются резьбы с мелкими шагами и для их нарезания применяются специальные инструменты.

Резьба метрическая с наружным диаметром 24мм и с мелким шагом - 1,5мм.

При использовании резьб с мелким шагом увеличивается нагрузка на резьбу при меньших радиальных размерах. Это один из путей увеличения нагрузки резьбы при уменьшении радиальных габаритов, другой – увеличение заходности резьбы.

Прежде чем перейти к назначению полей допуска и посадок резьбы необходимо понять, что поскольку резьба является сложной фасонной поверхностью, характеризующейся 5 параметрами, то, по большому счету, на все параметры нужно назначить поля допуска. Особенно тяжело это сделать для шага и угла, поскольку данные параметры особенно сложно контролировать, а значит и выдерживать, поэтому в резьбовых соединениях отказались от обычной схемы назначения полей допуска. Также все параметры связаны между собой геометрически, поэтому невозможно назначать поля допуска соответствующие этим параметрам независимо друг от друга. И мы имеем право задавать поля допуска не на все эти параметры. Эти соображения и приводят нас к понятию компенсации.

Поля допуска резьбовых деталей назначают только для диаметров, а неточности изготовления по шагу ΔΡ и по углу Δα компенсируют за счет изменения среднего диаметра резьбы. Соответственно - компенсация среднего диаметра по шагу и - компенсация среднего диаметра по углу α.

Возникает вопрос, почему мы назначаем компенсации именно по среднему диаметру резьбы, а не по наружному или внутреннему. Дело в том, что во всех резьбовых соединениях, а они бывают переходными, с натягом, с зазором (чаще с зазором), плотность свинчивания определяется только поверхностью соответствующих витков. По наружному или внутреннему диаметру во всех этих резьбах назначается зазор. Характер соединения определяется контактом по боковым поверхностям витков. И даже если в резьбовом соединении применяется посадка с натягом, по внутреннему или наружному диаметру будет зазор, поэтому компенсация назначается по среднему диаметру. По нему же назначаются и все поля допуска.

Разберемся, почему возникает погрешность изготовления по углу и шагу. При изготовлении резьбы на станке задается число оборотов и подача, и резцом нарезается резьба, также можно использовать и другие инструменты (метчики, плашки). В любом случае нарезающий инструмент изготовлен с погрешностью, погрешность имеет и ходовой винт станка и обороты станка. Погрешность может накапливаться по длине резьбы или возникать только в определенных местах. Погрешность угла профиля образуется из-за неточности угла режущего клина.

Рассмотрим пример диаметральной компенсации по среднему диаметру погрешности угла профиля α.

Пусть имеется идеальная гайка с идеальным углом профиля и некоторым средним диаметром . Представим, что с идеальной гайкой мы хотим свинтить болт с таким же средним диаметром, но с погрешностью по углу профиля (рис. 4.11). Из рисунка видно, что если у болта такой же средний диаметр, то его профиль будет пересекаться с профилем гайки. Ясно, что свинчивание таких деталей невозможно, следовательно, должно произойти либо смятие поверхности (искажение профиля), либо отсутствие свинчивания.

Рисунок 4.11 – Компенсация погрешности угла профиля

Компенсация проходит следующим образом, возможны два пути – уменьшение среднего диаметра болта, или увеличение среднего диаметра гайки, рассмотрим второй путь. Точку пересечения поднимем на величину диаметральной компенсации среднего диаметра. Но следует помнить о том, что с противоположной стороны, ниже оси, должна произойти такая же компенсация, поэтому компенсацию запишем, как . На эту величину и поднимется вверх профиль гайки.

В результате этой компенсации получим профиль гайки.

Величина компенсации вычисляется из чисто геометрических соображений и приблизительно равна:

. (4.2)

Таким образом, если с идеальной гайкой необходимо свинтить боль, имеющий только погрешность угла профиля , то при равных средних диаметрах:

(4.3)

необходимо увеличить средний диаметр гайки на величину соответствующей диаметральной компенсации. .

Тогда приведенный диаметр болта:

. (4.4)

Аналогичным образом вводится и компенсация шага, и в общем случае приведенный диаметр болта вычисляется следующим образом:

. (4.5)

Его необходимо свинчивать с гайкой не такого же, а меньшего диаметра

Если мы изготовили болт, у которого все размеры, кроме угла, выдержаны идеально и самым точным образом измерили его средний диаметр, то его необходимо свинчивать с гайкой не такого же диаметра, а увеличенного диаметра. Несмотря на то, что геометрический диаметр болта 10 мм, то за счет компенсации для свинчивания ему необходимо 10,1 мм. Таким образом, действительный диаметр болта всегда будет больше замеренного, гайки – меньше замеренного.

Тогда при назначении допусков на средний диаметр необходимо учитывать эти компенсации, т.е. допуск должен быть увеличен на их величину.

(4.6)

Рисунок 4.12 – Компенсация погрешности шага резьбы

Резьбовые детали при свинчивании контактируют только по боковым поверхностям витков, независимо от вида посадки. По наружному и внутреннему d(D), d₁(D₁) диаметрам для всех посадок обеспечиваются зазоры. Резьбовые детали по характеру соединения имеют три вида посадок: с натягом, переходные и с зазором. Наиболее распространены посадки с зазором, т.к. они позволяют вносить антикоррозионные и антифрикционные покрытия и обеспечивают высокую циклическую прочность соединения.

1. нулевая линия имеет форму номинального профиля резьбы и является общей для внутренней и наружной резьбы (рис. 4.13).

2. отклонение отсчитываются от номинальной линии в направлении перпендикулярном оси резьбы, причем положительные от оси, отрицательные - к оси.

3. Отклонения и допуски резьбовых деталей, в отличие от гладких цилиндрических соединений, представлены в радиальном, а не диаметральном выражениях. ES_D2: здесь индекс стоит параметра, т.е. следует читать: верхнее отклонение среднего диаметра внутренней резьбы.

4. Основные отклонения регламентируются для всех трёх диаметров резьбы. Для посадок с зазором используются следующие основные отклонения: H, G, F, E. Для наружных резьб, т.е. для болта, добавляется еще основное отклонение d: h, g, f, e, d.

Рисунок 4.13 – Обозначение и расположение полей допусков резьбовых соединений

Изобразим основные отклонения, относящиеся к внутренней резьбе, т.е. к гайке, верхнюю границу поля допуска не показываем. Основные отклонения - ближайшие к нулевой линии. Обозначим с помощью основного отклонения H границу поля допуска, нижняя граница совпадает с номинальным профилем резьбы. Теперь построим соответствующую границу и для болта. Все соответствующие отклонения будут представлены в радиальном выражении. Промежуточные диаметры, они не имеют регламентации, но условно соединяются сплошной линией, мы видим верхнюю границу поля допуска болта. При этом мы имеем возможность убедиться, что у нас не только для наружного и внутреннего диаметра обеспечиваются гарантированные, т.е. минимальные зазоры, но и для среднего диаметра.

Величина основных отклонений одинакова для всех трех диаметров резьбы и зависит только от ее шага.

5. Второе предельное отклонение не устанавливается для наружного диаметра гайки D, и для внутреннего диаметра болта d₁. Поэтому соответствующие поля допусков этих диаметров не ограничиваются сверху для гайки и снизу для болта. Остальные диаметры имеют предельное отклонение, зависящее от шага резьбы и выбранной степени точности.

Таблица 4.2 – Точность параметров в зависимости от класса резьб

Резьба	параметр	точные	средние	грубые
Гайка	D2	4,5	6,7	8, 9*
	D1	4,5	6,7	8
Болт	d2	3,4,5	6,7	8, 9, 10*
	d1	4	6	8

* - степени точности для резьбовых деталей из пластмасс.

Таким образом, регламентируются классы точности резьбовых соединений, значит, что назначив класс точности назначается полностью поле допуска. Сочетание класса точности и основного отклонения ограничивает поле допуска целиком по соответствующему диаметру. Точный класс используется для высокоточных резьб в кинематических парах, прецизионных станках, в авиационной и ракетно-космической технике и т.д. Средний класс - в общем машиностроении. Грубый класс используется при нарезании резьбы в глухих отверстиях, в деталях без предварительной обработки и т.п. Если применяются резьбовые детали присоединения, то нужно использовать четвертый и пятый класс, обеспечивающие часто плотность соединения соответствующих деталей и центрирование

При назначении класса резьбы необходимо учитывать длину свинчивания. По этому параметру резьбы делят на три группы:

1. нормальные N,

2. короткие S,

3. длинные L.

Для нормальных резьб длина свинчивания ограничивается величиной от 2,24Р до 6,7Р (Р - шаг). Причем, если требования по плотности соединения одинаковы для резьбовых деталей, то точность длинных резьб должна быть увеличена на единицу, а коротких уменьшена на единицу по сравнению с нормальной. Если мы увеличили на единицу для длинных резьб, то там возникнут различные погрешности по углу, которые накапливаются для длинных резьб, или по шагу, и длинная резьба должна быть при одинаковых требованиях плотности соединения грубее, чем нормальная.

Соответственно для коротких резьб точнее, потому что это необходимо для компенсации накапливающихся погрешностей по шагу и углу профиля. Если длина свинчивания не указана, то требования по точности относят ко всей длине резьбы

Образование полей допусков для предпочтительной посадки 6H/6g.

Изображение начинаем с нулевой линии. Покажем соответствующие диаметры: внутренний d₁(D₁), средний d₂(D₂) и наружный d(D), соответствующие основные отклонения (рис. 4.14).

Рисунок 4.14 – Поле допуска внутренней и наружной резьбы на примере предпочтительной посадки 6H/6g

Изобразим те части полей допусков, которые не регламентируются, для гайки - наружные. Наружный диаметр внутренней резьбы верхняя граница поля допуска не регламентируется, т.е. она уходит как бы в бесконечность. Верхняя граница поля допуска болта лежит ниже нулевой линии, так как основное отклонение болта g отрицательно. Обозначаем те диаметры, которые у болта не регламентируются, это внутренние диаметры. Для гайки непосредственно от нулевой линии откладываем соответствующие предельные отклонения для среднего и внутреннего диаметров. Для примера рассмотрим величину допуска гайки по среднему диаметру TD2/2. Поле допуска уходит по наружному диаметру гайки в бесконечность. Поля допусков обозначены только для характерных диаметров - среднего и для внутреннего для гайки. Аналогично изображаем поле допуска болта. Так как образование посадки происходит по средней линии, то в этом месте и образуется зазор.

Обозначение резьбовых соединений на сборочных чертежах.

В обозначениях указывается вид резьбы, ее наружный диаметр, шаг (если резьба не крупная). В числителе - поле допуска гайки по среднему диаметру, и поле допуска гайки по внутреннему диаметру. В знаменателе поле допуска болта по среднему диаметру и поле допуска болта по наружному диаметру.

Пример.

М12 ,

где М - резьба метрическая, d(D) - наружный диаметр резьбы, 5Н - поле допуска по D2, т.е. по среднему диметру, 5g - поле допуска по d2 по среднему диаметру, 4g - поле допуска по наружному диаметру, 4Н - поле допуска по внутреннему диаметру гайки.

Т.е. резьба метрическая с наружным диаметром 12, с крупным шагом, с зазором, с полем допуском 5Н - по среднему диаметру гайки, 5g - по среднему диаметру болта по соответствующим диаметрам гайки и болта.

Если поля допусков по среднему диаметру и по внутреннему у гайки совпадают, а у болта по среднему и по наружному тоже совпадают, приводятся следующие обозначения:

М12

Метрическая резьба с наружным диаметром 12, шаг крупный, 6Н - поле допуска по среднему диаметру у гайки и по внутреннему диаметру гайки, 6g - по среднему диаметру болта и по наружному диаметру болта.

Для указанного примера запишем:

для гайки: М12х1,5 5Н4Н. Метрическая резьба с наружным диаметром 12, с мелким шагом на 1,5, 5Н - по среднему диаметру и 4Н - по внутреннему диаметру.

для болта: М12х1,25 5g4g. При использовании резьбовых соединений с закруглениями по наружному диаметру болта и внутреннему диаметру гайки в обозначениях используется дополнительная буква R:

MR126H (для гайки)

Закругления обеспечиваются в тех местах, где не регламентируется поле допуска.

Резьба с закругленными выступами и впадинами позволяет увеличить сопротивление усталости.

Если длина резьбы не соответствует нормальной, то она также должна быть приведена в чертежах.

MR12-6H-60

Резьба метрическая для гайки (т.е. для внутренней резьбы), с закруглениями, с полем допуска по среднему диаметру 6Н и соответственно для гайки по внутреннему диаметру, удлиненная с длинной 60 миллиметров.

Резьбы с натягом по среднему диаметру используются в редко разбираемых изделиях или при ремонте.

Методы и средства контроля резьбовых соединений.

Различают дифференцированный и комплексный методы контроля.

Дифференцированный заключается в определении параметров резьбовых деталей на инструментальном микроскопе, миниметре или оптиметре. Затем рассчитываются те параметры резьбы, по которым назначены комплексные допуски (приведенные средние диаметры), и делается заключение о годности (по материалам ЛР).

Комплексный метод контроля является основным в производстве. Он предполагает использование гладких предельных калибров, а также резьбовых втулок для болта и пробок для гайки. Комплексный метод заключается в определении положения действительного контура резьбы относительно границ полей допусков.

Для контроля наружного диаметра резьбы болта используются рабочие гладкие предельные калибры (РГПК), аналогичные рассматриваемым ранее калибрам для валов.

Для контроля наружных и внутреннего диаметра болта используются рабочие резьбовые проходные калибры (РРПК), имеющие полный профиль и полную длину свинчивания. Так как контролю подвергаются не только величины среднего и внутреннего диаметра, но и соответствующей компенсации погрешности шага и угла профиля. Последний контролируемый диаметр - минимальный средний диаметр d_2min контролируется рабочим резьбовым непроходным калибром, который имеет не полный профиль и не большую длину (2-3 витка). Если бы он имел полный профиль, и соответствующую полную длину резьбы, то в этом случае он мог не свинтиться не из –за того, что действительный диаметр d₂ больше d_2min, а потому наложились бы погрешности шага и угла профиля.

Рисунок 4.15 – Контроль резьбовых деталей на примере болта