4.4. Нормирование точности метрической резьбы

4.4.1. Резьбовые соединения, используемые в машиностроении

Резьбовым соединением называется соединение двух деталей с помощью резьбы, т.е. элементов деталей, имеющих один или несколько равномерно расположенных винтовых выступов резьбы постоянного сечения, образованных на боковой поверхности цилиндра или конуса.

Контур сечения канавок и выступов в плоскости, проходящей через ось резьбы, общий для наружной и внутренней резьбы, называется профилем резьбы.

В зависимости от профиля, т.е. от вида фигуры в сечении, резьба бывает треугольной (рис. 54, а), трапециедальной (рис. 54, б), пилообразной (рис. 54, в), круглой (рис. 54, г), прямоугольной (рис. 54, г).

Рис. 54. Профили резьбовых соединений

В зависимости от поверхности, на которой нанесена резьба, она разделяется на цилиндрическую и коническую (конусную). Кроме того, резьбы разделяют на наружные, которые часто для краткости называют болтом, и внутренние — часто называют гайкой. В дальнейшем мы тоже будем пользоваться и этими краткими терминами.

По эксплуатационному признаку, т.е. по области применения, резьбы бывают следующих видов:

1. Крепежная резьба, используемая для обеспечения разъ-емного соединения. К этим резьбам предъявляются требования в отношении прочности соединения при длительной эксплуатации. Она обычно имеет треугольный профиль и наиболее распространена.

2. Кинематическая резьба, используемая для преобразования вращательных движений в поступательные в так называемых винтовых механизмах. Такие резьбы используются на ходовых винтах станков, домкратах, прессах и т.д. Эти резьбы обычно имеют трапециедальный или круглый профиль. Основное требование к этим резьбам — обеспечение точного и плавного перемещения. Во многих случаях они должны обладать способностью выдерживать большие нагрузки.

3. Трубные и арматурные резьбы — цилиндрические и конические, используемые для соединения труб в нефтеперерабатывающей промышленности, сантехническом оборудовании и т.д. Основное требование к этим резьбам — обеспечение герметичности и прочности соединения.

По числу заходов (т.е. по числу винтовых выступов) резьбы бывают однозаходные и многозаходные.

В зависимости от используемых единиц измерения, в которых выражаются параметры, резьбы разделяются на метрические и дюймовые. Пожалуй, только в резьбовых соединениях еще широко используется во всем мире дюймовая система, которая в остальных разделах машиностроения постепенно заменяется даже в странах использующих эту систему (США, Англия).

Наибольшее распространение имеет резьба треугольная с углом профиля 60 °, нормирование точности которой будет рассмотрено в этой теме. Такая резьба известна во всем мире под названием "метрическая".

В США идет постепенный процесс замены дюймовой резьбы на метрическую. Было подсчитано, что для такого перехода потребуются затраты до 40 млрд. долларов, но при этом ожидается прибыль от 1 до 20 млрд. долларов в год.

4.4.2. Номинальный профиль метрической резьбы

и ее основные параметры

Основным профилем резьбы является общий для наружной и внутренней резьбы профиль, который называется номинальным и размеры его линейных и угловых элементов служат основой для определения номинальных профилей для болта и гайки.

В основу профиля метрической резьбы положен треугольник (рис. 55), у которого срезаны вершины.

Для образования рабочей высоты профиля Н₁ из общей высоты равнобедренного треугольника Н в профиле резьбы предусмотрен срез вершины острых углов у гайки Н/4 и у болта Н/8. Исходная высота профиля Н установлена в зависимости от шага резьбы и равна 0.8660254Р, где Р — шаг резьбы.

Реальный профиль впадин у наружной резьбы (болта) не должен выходить за линию плоского среза на расстоянии Н/4 от вершины исходного треугольника, а у внутренней резьбы (гайки) — на расстоянии Н/8.

Рис. 55. Профиль метрической резьбы и ее основные параметры

Форма впадины у наружной резьбы (болта) не регламентируется и может быть плоскосрезанной или закругленной. При плоскосрезанной впадине у болта срез должен быть расположен на высоте от Н/4 до Н/8 от вершины исходного треугольника. При закругленной форме впадины радиус должен быть не менее 0.1 Р, а профиль располагается в зоне от Н/8 до 3Н/16.

Для гайки форма впадины резьбы вообще не регламентируется, но, в основном, делается закругленной и параметры ее определяются нормированием требований к резьбообрабатывающему инструменту, при изготовлении которого используются чаще всего указанные радиусы закругления.

Закругленная форма впадин является предпочтительной по прочностным соображениям. При такой форме облегчается процесс изготовления резьбы накатыванием, который часто применяется для резьбовых деталей крепления. И при нарезании впадин закругленной формы достигается большая стойкость режущего инструмента по сравнению с обработкой плоскосрезанной впадины.

Для обеспечения эксплуатационных свойств резьбы при изготовлении и измерении из сложного профиля резьбы выделяется ряд элементов, которые являются одинаковыми для болта и гайки и используются при нормировании.

Этими элементами являются наружный диаметр болта d и гайки D, внутренний диаметр болта d₁ и гайки D₁ средний диаметр болта d₂ и гайки D₂, шаг резьбы Р и угол профиля резьбы α.

1. Наружный диаметр dиD(он же номинальный диаметр резьбы) — диаметр воображаемого цилиндра, описанного вокруг вершин наружной резьбы (болта) или по впадинам внутренней резьбы (гайки). Когда говорят, что резьба диаметром 20 мм, то это означает, что у нее наружный диаметр равен 20 мм (обратите внимание на расположение этих диаметров, особенно у гайки).

2. Внутренний диаметр d₁ и D₁ — диаметр воображаемого цилиндра, вписанного во впадины наружной резьбы (болта) или вершин внутренней цилиндрической резьбы (гайки).

Необходимо обратить внимание, что номинальные значения и расположения наружного и внутреннего диаметров совпадают для болта и для гайки, но с точки зрения геометрической фигуры термины "наружный" и "внутренний" соответствуют болту, у которого наружный диаметр действительно находится "снаружи", а внутренний — "внутри"; в то время, как у гайки, называемый наружный диаметр, находится внутри, а внутренний диаметр — снаружи. Если посмотреть на резьбу гайки, находящуюся внутри нее, можно увидеть "на просвет" внутренний диаметр, а наружный диаметр ее, практически, увидеть невозможно.

3. Средний диаметр d₂ и D₂ — диаметр воображаемого цилиндра, соосного с резьбой, каждая образующая которого пересекает профиль таким образом, что отрезок, образованный при пересечении с канавкой, равен половине номинального шага.

4. Шаг резьбы Р — расстояние по линии, параллельной оси резьбы, между средними точками ближайших одноименных боковых сторон, лежащих в одной осевой плоскости но одну сторону от оси резьбы.

В отношении шагов используется условное разделение их на крупные и мелкие. Дело в том, что на цилиндрической поверхности любого диаметра можно нарезать резьбу с разными шагами. В нормативных документах введено ограничение на значения шагов и указывается несколько шагов. Например, для диаметра 20 мм устанавливаются шаги 2.5; 2; 1.5; 1; 0.75; 0.5 мм. Самый большой шаг для номинального диаметра (в примере — это 2.5 мм) называют условно крупным шагом, а остальные — мелкими шагами.

Мелкие шаги используются для нарезания резьбы в тонкостенных деталях при ограниченной возможности в отношении длины свинчивания. Например, в фотоаппаратах для объектива используется диаметр резьбы 42 мм с шагом 1 мм — это мелкий шаг, так как стенка фотоаппарата небольшая. Крупный шаг для такой резьбы, равный 4.5 мм, потребовал бы толстой стенки камеры, увеличивая ее массу.

Для многозаходных резьб вместе с термином шаг используется еще термин ход — расстояние по линии, параллельной оси резьбы, между любой исходной средней точкой на боковой стороне резьбы и средней точкой, полученной при перемещении исходной средней точки по винтовой линии на угол 360 °. Другими словами, это шаг одной из винтовых линий, из которых состоит многозаходная резьба.

5. Угол профиля резьбы α — угол между смежными боковыми сторонами резьбы в плоскости осевого сечения. Для нормирования чаще используется угол α/2 — угол наклона между боковой стороной резьбы и перпендикуляром к оси резьбы. Это установлено для того, чтобы можно было выявить перекос резьбы из-за неточности установки инструмента. Иначе может оказаться, что профиль выдержан правильно, но относительно оси развернут и сопряжение может не произойти. Для метрической резьбы α = 60 °.

У некоторых резьб профиль делается не симметричным (см. рис. 13.1), в этом случае используется термин угол наклона боковой стороны резьбы β, γ — угол между боковой стороной резьбы и. перпендикуляром к оси резьбы в плоскости осевого сечения.

6. Длина свинчивания l — длина взаимного соприкосновения наружной и внутренней резьб в осевом направлении. Часто этот элемент называют высотой гайки.

Резьбовые соединения по характеру соединения бывают такими же, как и для гладких элементов деталей, т.е. посадки с зазором, натягом и переходные. Однако для условий крепления деталей наибольшее, если не сказать подавляющее, распространение имеют посадки с зазором. Поэтому последующие материалы по нормированию будут относиться к посадкам с зазором.