МИНИСТЕРСТВО СТАНКОСТРОИТЕЛЬНОЙ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИИ ПО МАШИНОСТРОЕНИЮ (НИИмаш)

____________________________________________________________

С-2 ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ И АБРАЗИВНО-АЛМАЗНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

А. А. ГРУДОВ, П. Н. КОМАРОВ

ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ РЕЗЬБООБРАЗУЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

__________________________________________________________________

1

2

ВВЕДЕНИЕ

Многообразие резьбовых соединений по форме, классам точности и посадкам обусловливает применение большой номенклатуры инструмента, оптимального для своей области применения.

Вданном обзоре рассматриваются метчики и резьбовые резцы (гребенки), имеющие наибольшее применение, и резьбонакатные головки с роликами к ним, как один из самых перспективных и производительных видов инструмента.

Цель настоящего обзора, помимо рассмотрения конструктивных особенностей этих инструментов,— приведение практического расчета. Поэтому в обзоре большое внимание уделено методикам расчета оптимальных конструкций метчиков для различных случаев применения, в том числе для точных резьб и труднообрабатываемых материалов, резьбонарезных гребенок и роликов к резьбонарезным головкам.

Вобзоре приведена впервые разработанная методика определения сил при накатывании резьб, обеспечивающая создание оптимальных конструкций как головок, так и роликов к ним. Кроме того, описаны принципиальные особенности подхода к расчету оптимальных конструкций метчиков, резьбонарезных гребенок и роликов к резьбонакатным головкам, а также методики их практического расчета, что в большинстве случаев сделано впервые, например универсальная методика определения сил при накатывании резьб.

АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ РЕЗЬБООБРАЗОВАНИЯ

В настоящее время известно много методов резьбообразования. Использование конкретного метода зависит от того, насколько он обеспечивает выполнение технических условий, предъявляемых к резьбам, от заданной программы и экономической рентабельности.

Наиболее распространенные методы образования резьбы следующие:

а) нарезание резцами и гребенками, резьбонарезными головками, плашками, метчиками и фрезами;

б) резьбонакатывание специальными головками на универсальном оборудовании, плоскими и дугрвыми плашками и роликами на специальных станках;

в) резьбовыдавливание плашками и метчиками-раскатниками.

За последние годы дальнейшее развитие получило нарезание резьбы

резцами и гребенками.

Применение твердосплавных резцов позволяет значительно повысить скорости резания (до 100—150 м/мин при обработке конструкционных сталей), а также эффективно нарезать резьбу на термически обработанных

3

материалах. Замена однониточных резцов твердосплавными многозубыми гребенками оптимальной конструкции позволяет еще больше увеличить эффективность процесса нарезания резьбы.

Применение резьбовых твердосплавных гребенок позволяет нарезать резьбу за два-три прохода на стали с 1СГв<750 МПа. Обработка более прочных материалов требует увеличения числа проходов.

Резцы применяют в тех случаях, когда конфигурация детали и требования к величине сбега резьбы не позволяют использовать гребенки.

Метчики в ряде случаев являются единственным инструментом, который может быть использован для обработки внутренних резьб.

Большие трудности возникают обычно при нарезании внутренних трапецеидальных резьб. Обработка их резьбовыми резцами или невозможна, или мало эффективна. Применение специального инструмента — метчиковпротяжек — позволяет повысить производительность в 5—20 раз по сравнению с нарезанием резьбовыми резцами.

Круглые плашки, относящиеся к наиболее несовершенному виду инструмента для получения наружных резьб, все еще имеют широкое и в ряде случаев эффективное применение.

В настоящее время инструментальная промышленность выпускает плашки большой точности и уменьшенной шероховатости профиля резьбы (до Ra==0,63 мкм), уменьшенным (до 0,03—0,1 мм) радиальным и торцовым биением. Применение таких плашек окажется наиболее эффективным на автоматах.

Резьбонарезные головки, выпускаемые серийно инструментальной промышленностью, применяют при нарезании как наружной, так и внутренней резьбы.

Для нарезания наружной резьбы предназначены головки типов К, КА и КИ, оснащенные круглыми гребенками, и головки типов РГТ и Т, оснащенные тангенциальными плашками.

Плашки и гребенки изготовляют из быстрорежущей стали. Резьбонарезные головки позволяют увеличить производительность труда

по сравнению с круглой плашкой до трех—пяти раз и нарезать резьбу для соединений с зазором и натягом. Режущие элементы головок—гребенки и плашки—допускают большее число переточек (в среднем от 35 до 70).

Профиль резьбы, нарезанной головками, имеет меньшую шероховатость, чем при нарезании круглыми плашками. Это объясняется более благоприятными условиями работы гребенок и плашек головок за счет более точного их исполнения и более рациональной геометрии.

Диапазон диаметров резьб, нарезаемых головками, 4—76 мм при шаге резьбы от 1,5 до 4 мм.

Для нарезания внутренних резьб диаметром 36—130 мм предназначены головки типа РНГВ, которые с успехом заменяют метчики и резцы.

Головки более производительны, чем метчики. Это объясняется тем, что скорость резания при работе головками — до 20 м/мин, в то время как при

4

работе метчиками—8—15 м/мин и время для отвода головки из изделия намного меньше, чем для отвода метчиков, так как головка не вывертывается, а выводится.

Все более широкое распространение получает процесс охватывающего

резьбофрезерования.

Новые станки, работающие охватывающими резьбовыми гребенчатыми фрезами, по своей конструкции напоминающими гребенки винторезных головок, дают возможность увеличить производительность труда в два-три раза по сравнению со станками, работающими фрезами внешнего касания, и получить резьбу шестой степени точности.

Наиболее производительный и прогрессивный способ образования резьбы

—накатывание.

Приближенно соотношение производительности некоторых

распространенных методов образования резьбы шестой степени точности характеризуется следующими коэффициентами: нарезание круглыми плашками—1,0, нарезание головками и гребенками из быстрорежущей стали —2,5; нарезание твердосплавными резцами (гребенками) методом последовательных проходов—4,0, накатывание головками с круглыми роликами с осевой подачей—10,0.

Накатывание резьбы следует применять в тех случаях, когда обрабатываемый материал способен подвергаться пластическим деформациям.

Основные преимущества этого метода—большая производительность за счет высоких скоростей накатывания (30—90 м/мин) и отсутствия свинчивания головки с изделия при обратном ходе, высокая точность (4—6 степени) и низкая шероховатость поверхностей накатанной резьбы, возможность образования резьбы на тонкостенных деталях без предварительного снятия припуска и на некоторых труднообрабатываемых материалах, что по сравнению с нарезанием увеличивает производительность в десятки раз.

Одно из основных направлений работ в области накатывания - создание универсальных рсэьбонакатных головок применительно к существующему универсальному оборудованию или к специальным станкам, применяемым

втрубной промышленности.

Вбольшинстве случаев создание и применение головок намного эффективней, чем создание специальных станков.

В настоящее время серийно изготовляют резьбонакатные головки следующих типов: ВНГН для накатывания метрических резьб Ø 8—52 мм; ВНГН трап. для накатывания трапецеидальных резьб Ø 16—42 мм; ВНГТ для накатывания резьб Ø 1/2—2″ труб. на водогазопроводных тонкостенный трубах; РНГТ для накатывания резьб Ø 1/2—3" как на водогазопроводных трубах, так и на сплошных изделиях; ТНГС (тангенциальная) для накатывания резьб Ø 6—48 мм.

5

Метод резьбовыдавливания метчиками-раскатниками и плашками имеет весьма узкую область применения, в основном при обработке материалов с относительным удлинением не менее 8% и пределом прочности σВ≤600 МПа. Такими свойствами обладают низкоуглеродистые стали, цветные металлы и сплавы (медь, бронза, деформируемая латунь, алюминиевые, магниевые и цинковые сплавы). При работе на таких материалах резьбовыдавливающие метчики н плашки обеспечивают увеличение стойкости по сравнению с режущим инструментом в несколько раз.

КОНСТРУКЦИИ МЕТЧИКОВ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ ГАЕЧНЫЕ МЕТЧИКИ

Существующие отечественные гайконарезные двухшпиндсльныс автоматы моделей 2062, 2063 и 2064 для нарезания резьб М6—МЗО обеспечивают наибольшую скорость резания 25—35 м/мин. При этом на заводах практически работают при скоростях резания υ=10—15 м/мин, что связано как с неоптимальностью конструкции применяемых гаечных метчиков (ГОСТ 6951—71), так и с плохой обрабатываемостью углеродистых сталей марок Ст. 0,8; 10; 20 и других, из которых холодной высадкой изготовляют гайки.

Для новой гаммы автоматов обеспечивающих скорость резания до 40—100 м/мин ВНИИ разработаны высокопроизводительные гаечные метчики с увеличенными длиной заборной части и числом канавок.

На основании работы [1] можно установить, что изменение толщины срезаемого слоя а обратно пропорционально влияет на скорость резания, а количество канавок z на инструменте влияет на скорость резания и производительность в степени 0,55 (для диапазона скоростей резания от 20 до 35 м./мин и толщин срезаемого слоя 0,03—0,10мм).

С некоторой степенью приближения эта закономерность может быть распространена на область больших скоростей (до 80 м/мин) и меньших толщин срезаемого слоя (до 0,01 мм).

Поскольку увеличение количества канавок связано с уменьшением пространства для размещения стружки, при установлении количества и параметров канавок необходимо учитывать коэффициент помещаемости стружки Кс.

Согласно исследованиям [10], коэффициент Кс равен отношению площади стружечной канавки Fк средней части заборного конуса (в сечении, перпендикулярном к оси метчика) к площади сечения стружки Fс, образованной в той же плоскости одним зубом за один проход, и может быть определен по формуле

где dср— средний диаметр метчика, мм; l0—глубина резьбового отверстия, мм; φ — угол уклона заборной части, град.

Нормальные условия для размещения и отвода стружки создаются при Кс≥0,5; при Кс<0,5 происходит резкий рост крутящего момента, возможны брикетирование стружки в канавках метчика и его поломка.

6

Отличительные основные конструктивные особенности метчиков новой конструкции от конструктивных особенностей метчиков по ГОСТ 6951—71 следующие: заборная часть удлинена (для метчиков М8—М27 до 24Р); количество канавок увеличено до 4—6 (метчики М8—М27); ширина пера FП=0,2÷0,25d (d—номинальный диаметр резьбы, мм) при диаметре сердцевины dс≥0,5d; рабочая часть напайная (метчики М6 и больших размеров), что создает определенные технологические и эксплуатационные преимущества (табл. 1 и рис, 1). Длина калибрующей части метчиков lк=8Р (соответствует ГОСТ 6951—71).

Конструкция метчиков обеспечивает работу с толщиной срезаемого слоя 0,008—0,015 мм, т. е. в несколько раз меньшей, чем при работе стандартными метчиками, что позволяет существенно, увеличить производительность.

На автоматах новой гаммы гарантируется высокое качество нарезаемой резьбы за счет подающих спиральных роликов, обеспечивающих перемещение гайки в начальный момент нарезания с подачей, равной шагу резьбыПроцесс нарезания гаек идет непрерывно, поэтому производительность пропорциональна только скорости резания и не зависит от длины рабочей части метчика. При работе со скоростями резания 40—80 м/мин обеспечивается достаточная

стойкость метчиков.

При стойкостных испытаниях метчиков М8Х1.25 (а≈0,008 мм) при нарезании резьбы в гайках из стали марки Ст. 10 средняя стойкость метчиков 32 000 деталей (υ=40 м/мин) и 20 000 деталей (υ=60 м/мин).

Рис. 1. Метчики Мб—М27 новой конструкции с изогнутым хвостовиком

Таблица 1

7

МЕТЧИКИ ДЛЯ НАРЕЗАНИЯ ТОЧНЫХ РЕЗЬБ

В настоящее время во всех отраслях промышленности все более широкого применяют резьбы с полем допуска 4Н5Н, класа Ао и прецизионные с полем допуска по среднему диаметру примерно 0,05 мм.

Высокопроизводительное однопроходное нарезание внутренних резьб с гарантированным получением указанной точности представляет собой сложную технологическую задачу, так как стандартными метчиками может быть получена резьба различных степеней точности и основных отклонений в зависимости от методов их эксплуатации. Это объясняется особенностью работы метчиков, заключающейся в том, что зубья их рабочей части в процессе нарезания резьбы наиболее распространенным методом — «самозатягивания»— выполняют две функции — осуществляют процесс резания и обеспечивают заданный параметр винтового движения путем контакта кромок с образующими витками резьбы.

В соответствии с отмеченными функциями на зубьях метчика могут быть выделены режущие и ведущие кромки с геометрией, присущей режущим элементам метчика, а не ведущим. Наличие контакта острой ведущей кромки с поверхностью резьбы делает ориентацию метчика ненадежной, и при действии сил ведущие кромки начинают срезать с боковых поверхностей резьбы тонкие стружки, что возможно как ведущими кромками заборного конуса, так и ведущими кромками зубьев калибрующей части за счет скручивания [2]. '

Один из путей решения вопроса по нарезанию точных резьб— снижение режущей способности ведущих опорных кромок, что может быть обеспечено оптимальной геометрией зубьев метчика, в частности бочкообразной формой.

В промышленных конструкциях метчиков нескольких типов применяют ведущие зубья бочкообразной формы. Так, для обработки точных резьб размерами М5—М27 изготовляют четыре модификации метчиков [З].

8

Уметчиков первой модификации заборная часть и одна-две калибрующие нитки выполняются, как у обычного, затылованного по профилю метчика. Бочкообразность зубьев ведущей части обеспечивается при шлифовании профиля резьбы путем затылования по схеме спад—подъем—спад. Величина спада при двойном загыловании, измеряемая на ширине пера, составляет 0,04

—0,07 мм на диаметр. Средний диаметр бочкообразных зубьев на 0,01— 0,03

ммниже среднего диаметра режущей части. Метчики при соответствующей наладке операции стабильно обеспечивают нарезание резьбы с полем допуска 4Н. Точность обеспечивается с третьей нитки.

Уметчика второй модификации режущая и ведущая части имеют одинаковый средний диаметр по профилю. Число переточек метчика при обработке материалов, склонных к налипанию,—одна-две; для прочих материалов стойкость соответствует стойкости обычных метчиков. Обеспечиваемая точность—класс А0 (по ГОСТ 4608—65) с третьей нитки.

Уметчиков третьей модификации ведущая часть имеет средний диаметр на 0,01—0,03 мм выше, чем режущая, и является фактически ведущераскатывающей. Метчики рекомендуется применять при обработке пластичных сталей и цветных сплавов, что обеспечивает меньшую шероховатость поверхности и степень точности 4Н с первой нитки.

Метчик четвертой модификации— режуще-раскатывающий. Все зубья метчика, начиная с первого, выполнены бочкообразными. Метчики рекомендуются для обработки материалов, не склонных к налипанию, и для обработки коротких отверстий (две-пять ниток). Величина спада при двойном затыловании, измеренная на ширине пера, составляет 0,02—0,03 мм на диаметр; обеспечивает точность класса Ао с первой нитки.

Метчик с ведущими перьями [4] предназначен для нарезания точных резьб М22—М100. Минимальное число перьев метчика— четыре, рациональное — шесть, восемь и более. Режущие перья метчика выполнены аналогично стандартным конструкциям. Ведущие перья чередуются с режущими и имеют бочкообразные зубья. В процессе нарезания резьбы режущие»и бочкообразные зубья входят последовательно в профиль обрабатываемой резьбы, в результате обеспечивается очень надежная ориентация метчика. На заборном конусе наружный диаметр ведущих зубьев выполняется ниже наружного диаметра режущих зубьев на величину несколько большую, чем толщина среза, для того чтобы исключить резание

ведущими зубьями (рис. 2). Значение величин затылования К, К1 и К2 назначают, как для обычных бочкообразных метчиков.

9

Рис. 2. Метчик с ведущими перьями, снабженными бочкообразными зубьями: а—зубья № I, 3, 5, затылованные по профилю: б—зубья № 2, 4, 6 с двусторонним затылованием Метчики изготовляют трех модификаций:

первая—ведущие зубья по среднему диаметру ниже режущих на 0,01— 0,03 мм;

вторая — режущие и ведущие зубья имеют одинаковый средний диаметр; третья — метчик режуще-раскатывающий. Средний диаметр ведущих

зубьев на 0,01—0,03 мм выше, чем средний диаметр режущих.

Метчики с ведущими перьями обеспечивают нарезание резьб с полем допуска 4Н и класса Ао в отверстиях любой длины, в том числе имеющих три-четыре витка. Точность обеспечивается с первой нитки, Методика изготовления таких метчиков подробно изложена в работе [5]. Для изготовления метчиков с бочкообразными зубьями и с ведущими перьями

10