29. Нарізні з'єднання: нарізь, типи кріпильних деталей; основи розрахунку

нарізі на міцність

З 'єднання деталей за допомогою нарізі є одним з найстаріших і найбільш розповсюджених видів рознімного з'єднання. До них відносяться з'єднання за допомогою болтів, гвинтів, гвинтових стяжок і т.д. У даній главі розглядаються також основні елементи гвинтових механізмів, тому що силові залежності в гвинтовій парі (гвинт – гайка) і методи розрахунку є загальними для кріпильних і ходових різьблень.

Нарізь

Нарізь (рисунок 29.1) – виступи, утворені на основній поверхні гвинтів чи гайок і розташовані по гвинтовій лінії.

За формою основної поверхні розрізняють циліндричні і конічні нарізи. Найбільш поширені циліндричні нарізи. Конічні нарізи застосовують для щільних з'єднань труб, пробок і т.п.

Профіль нарізу – контур (наприклад, аbс) перетину нарізу в площині, що проходить через вісь основної поверхні. За формою профілю розрізняють трикутні, прямокутні, трапецеїдальні, круглі й інші нарізи.

За напрямком гвинтової лінії розрізняють праву і ліву нарізь. У правого нарізу гвинтова лінія йде зліва направо і нагору, у лівої – справа наліво і нагору. Найбільш поширена права нарізь. Ліва нарізь застосовується тільки у спеціальних випадках.

Якщо різьбові виступи розташовані на двох чи декількох паралельних гвинтових лініях, то вони утворюють багатозаходну нарізь. За числом заходів розрізняють однозаходну, двозаходну і т.д. нарізь. Найбільш поширена однозаходна нарізь. Усі кріпильні нарізи однозаходні. Багатозаходні нарізи застосовуються переважно у гвинтових механізмах. Число заходів більше трьох застосовують рідко.

Методи виготовлення нарізу.

1. Нарізанням вручну мітчиками чи плашками. Спосіб малопродуктивний. Його застосовують в індивідуальному виробництві і при ремонтних роботах.

2. Нарізанням на токарно-гвинторізних чи спеціальних верстатах.

3. Фрезеруванням на спеціальних різьбофрезерних верстатах. Застосовують для нарізання гвинтів великих діаметрів з підвищеними вимогами до точності нарізу (ходові і вантажні гвинти, нарізи на валах і т.д.).

4. Накаткою на спеціальних нарізенакатних верстатах-автоматах. Цим високопродуктивним і дешевим способом виготовляють більшість нарізів стандартних кріпильних деталей (болти, гвинти і т.д.). Накатка істотно упрочнює нарізи деталі.

5. Литтям на деталях зі скла, пластмаси, металокераміки й ін.

6. Видавлюванням на тонкостінних давлених і штампованих виробах з жерсті, пластмаси і т.д.

Г еометричні параметри нарізу (рисунок 29.2);

d – зовнішній діаметр; d₁ – внутрішній діаметр (номінальні значення d і d₁ однакові для гвинта і гайки, зазори у западинах утворюють за рахунок граничних відхилень розмірів діаметрів); d₂ – середній діаметр (діаметр уявлюваного циліндра, утво-рююча якою перетинає нарізь у такому місці, де ширина виступу дорівнює ширині канавки); h – робоча висота профілю, по якій стикаються бічні сторони нарізу гвинта і гайки; р – крок (відстань між однойменними сторонами сусідніх профілів, обмірювана в напрямку вісі нарізу); p₁ – хід (поступальне переміщення утворюючого профілю за один оберт чи відносне вісьове переміщення гайки за один оберт). Для однозахідної нарізі p₁=p; для багатозахідної р₁=np, де п - число заходів; α – кут профілю; ψ – кут підйому (кут підйому розгорнення гвинтової лінії по середньому діаметру - рисунок 29.3).

tgψ=p₁/(πd₂)=np/πd₂. (29.1)

Усі геометричні параметри нарізів і допуски на їхні розміри стандартизовані.

Основні типи нарізів. За призначенням розрізняють нарізи кріпильні і нарізи для гвинтових механізмів.

Нарізи кріпильні: метрична з трикутним профілем (див. рисунок 29.2) – основна кріпильна нарізь; трубна (рисунок 29.4, а) – трикутна з округленими вершинами і западинами; кругла (рисунок 29.4, б); нарізь гвинтів для дерева (рисунок 29.4, в). Нарізь гвинтових механізмів (ходові нарізі); прямокутна (рисунок 29.5; a); трапецеїдальна симетрична (рисунок 29.5, б); трапецеїдальна несиметрична, чи упорна (рисунок 29.5, в).

Приведена класифікація не є суворою, тому що в практиці зустрічаються випадки застосування метричної нарізі з дрібним кроком у точних вимірювальних гвинтових механізмах і, навпаки, трапецеїдальних нарізів як кріпильних.

Вибір профілю нарізу. Визначається багатьма факторами, найважливіші з яких міцність, технологічність і сили тертя в нарізі. Так, наприклад, кріпильна нарізь повинна мати високу міцність і відносно великими силами тертя, що захищають кріпильні деталі від самовідгвинчування.

Нарізь гвинтових механізмів повинні бути з малими силами тертя, щоб підвищити к. к. д. і зменшити знос. Міцність у багатьох випадках не є для них основним критерієм, що визначає розміри гвинтової пари.

З іставимо профілі нарізів за цими показниками (рисунок 29.6). Осьова сила F діюча по стрижні гвинта, врівноважується реакцією гайки, розподіленої по витках нарізу. На рисунку 29.6 ця реакція умовно замінена зосередженою силою F_n нормальної до лінії профілю. При цьому F_n = F/cosγ і сила тертя F_тр = F_nf = Ff/cosγ = Ff_пр де f - дійсний коефіцієнт тертя; f_пр – фіктивний, чи приведений, коефіцієнт тертя в нарізі:

f_пр = f/cosγ. (29.2)

Для кріпильної метричної γ=α/2=30° і f_пр = 1,15f; для ходової симетричної нарізі γ=α/2=15° і f_пр = 1,03f; для ходової упорної нарізі γ =3° і f_пр f; для прямокутної нарізі γ=0 і f_пр = f. Таким чином, у кріпильної метричної нарізі сили тертя на 15...12% більше, ніж у ходових нарізах.

Надалі показано, що міцність нарізі на зріз розраховують по перетину с-с (див. рисунок 29.6). Для трикутної нарізі с-с дорівнює ~0,85р, трапецеїдальної 0,65р, прямокутної 0,5р. Отже, при тому самому кроці нарізі р трикутна нарізь приблизно в два рази прочніше прямокутної. З огляду на цю обставину, основні кріпильні нарізі виконують із трикутним профілем, а ходові – із прямокутним чи близьким до нього.

Р озглянемо деякі додаткові характеристики окремих типів нарізів.

Нарізь метрична (див. рисунок 29.2) одержала свою назву тому, що всі її розміри виміряються в мм (на відміну від дюймової нарізі, розміри якої виміряються в дюймах). Вершини витків і западин притуплені по прямій чи по дузі кола, що необхідно для зменшення концентрації напружень, запобігання від ушкоджень (забоїн) в експлуатації, підвищення стійкості інструмента при нарізуванні.

Стандарт передбачає метричні нарізі з великим і дрібним кроком. Для того самого діаметра а дрібні нарізи відрізняються від великих значенням кроку р. Наприклад, для діаметра 14 мм стандарт передбачає велику нарізь з кроком 2 мм і п'ять дрібних нарізів із кроками 1,5; 1,25; 1; 0,75 і 0,5 мм. При зменшенні кроку відповідно зменшуються висота нарізі (рисунок 29.7) і кут підйому нарізі – див. формулу (29.1), а внутрішній діаметр d₁ збільшується.

Збільшення діаметра d₁ підвищує міцність стрижня гвинта, а зменшення кута підйому збільшує самогальмування в нарізі (див. нижче), тобто зменшує можливість самовідгвинчування. З цих причин дрібні нарізі знаходять застосування для динамічно навантажених з'єднань, схильних до самовідгвинчування, а також порожніх тонкостінних і дрібних деталей (авіація, точна механіка, радіотехніка і т.п.).

У загальному машинобудуванні основне застосування мають великі нарізі як менш чуттєві до зносу і помилок виготовлення.

Нарізь трубна (див. рисунок 29.4, а) застосовується для герметичного з'єднання труб і арматури (мастильниці, штуцери і т.п.). На тонкій стінці труби неможливо нарізати нарізь з великим кроком без істотного зменшення міцності труби. Тому трубна нарізь має дрібний крок. У міжнародному стандарті для трубної нарізі дотепер ще збережений вимір у дюймах. Для кращого ущільнення трубна нарізь виконується без зазорів але виступам і западинам і з заокругленнями профілю. Високу щільність з'єднання дає конічна трубна нарізь. Щільність тут досягається за рахунок щільного прилягання профілів по вершинах при затягуванні з'єднання. Конічна нарізь у виготовленні складніше циліндричної. В даний час замість трубних нарізів часто застосовують дрібні метричні нарізи.

Нарізь кругла (див. рисунок 29.4, б) зручна для виготовлення способом лиття на чавунних, скляних, пластмасових і інших виробах, а також накаткою і видавлюванням на тонкостінних металевих і пластмасових деталях.

Нарізь гвинтів для дерева чи інших маломіцних матеріалів (див. рисунок 29.4, в). Конструкція цих нарізів забезпечує рівноміцність нарізів в деталях з різнородних матеріалів. Наприклад, для нарізі дерев'яної деталі розрахунковим розміром на зріз є р, а для нарізі металевого гвинта р'. При цьому р>р'.

Нарізь прямокутна (див. рисунок 29.5, а), що широко застосовувалася раніше в гвинтових механізмах, у даний час не стандартизована і майже витиснута трапецеїдальною. Виготовити прямокутну нарізь більш продуктивним способом на різьбофрезерних верстатах неможливо, тому що для утворення чистої поверхні нарізі у фрези повинні бути ріжучими не тільки передні, але і бічні грані (порівняй профілі рисунок 29.5, а і 29.5, б).

Прямокутна нарізь виготовляється різцями на токарно-гвинторізних верстатах. Цей спосіб має низьку продуктивність.

Нарізь трапецеїдальна виготовляється із симетричним (див. рисунок 29.5, б) і несиметричним (див. рисунок 29.5, в) профілями. Симетричну нарізь використовують для передачі двостороннього (реверсивного) руху під навантаженням. Несиметрична нарізь призначається для однобічного руху під навантаженням і називається упорною наріззю. Вона застосовується для гвинтів-домкратів, пресів і т.п.

З аокруглення западин (див. рисунок 29.5, е) зменшує концентрацію напружень. Малий кут нахилу 3° упорної сторони профілю нарізі дозволяє зменшити втрати на тертя й у той же час виготовляти гвинти на різьбофрезерних верстатах.

Розрахунок нарізі на міцність

Основні види руйнування нарізі: кріпильних – зрізання витків, ходових – знос витків. Відповідно з цим основними критеріями працездатності і розрахунку для кріпильних нарізів є міцність, зв'язана з напруженнями зрізання τ, а для ходових нарізів – зносостійкість, зв'язана з напруженнями зминання σ_см.

Умови міцності нарізів по напруженнях зрізання:

(29.3)

τ = F/(nd₁ HKK_m) [τ] для гвинта,

τ = F/(ndHKK_m ) [τ] Для гайки,

де Н – висота гайки чи глибина загвинчування гвинта в деталь; К=аb/р чи К=се/р – коефіцієнт повноти нарізі; K_m – коефіцієнт нерівномірності навантаження по витках нарізі.

Для трикутної нарізі К  0,87, для прямокутної К  0,5, для трапецеїдальної К  0,65; K_m  (0,6...0,7) – великі значення при σ_вв/σ_вг > 1,3, де σ_вв – межа міцності матеріалу болта, а σ_вг – гайки. Це зв'язано з тим, що збільшення відносної міцності матеріалу гвинта дозволяє в більшому ступені використовувати пластичні деформації у нарізі для вирівнювання розподілу навантаження по витках нарізі.

Якщо матеріали гвинта і гайки однакові, то по напруженнях зрізу розраховують тільки нарізі гвинта, тому що d₁<d.

Умова зносостійкості ходової нарізі за напруженнями зминання:

σ_см=F/(πd₂/hz) [σ_см], (29.4)

де z=H/p – число робочих витків (наприклад, число витків гайки).

Формула (29.4) – загальна для гвинта і гайки. Коефіцієнт К_т тут прийнятий рівним одиниці, з урахуванням приробляння ходових нарізів і за умови, що напруження, які допускаються, приймають згідно з накопиченим досвідом експлуатації.