Слесарное дело

3.1. Резьба: типы, основные элементы и профили, применение

Резьбовое соединение — наиболее простой и надежный вид крепления деталей и узлов. Его отличают такие преимущества, как возможность регулирования затяжки соединения, разборки и повторной сборки соединения без замены деталей. Резьба бывает двух видов: наружная и внутренняя. Резьбовое соединение состоит из винта и гайки. Стержень с наружной резьбой называется винтом, деталь с внутренней резьбой — гайкой. Этот вид крепления изготавливается либо на станках, либо ручным способом.

Если рассматривать движение какой-либо точки по направлению резьбы, то она будет двигаться по винтовой траектории. При движении точки по направлению резьбы против часовой стрелки (слева направо) получается правое направление резьбы, в случае движения точки по часовой стрелке (справа налево) — левое направление резьбы.

Правое направление резьбы называется так потому, что для завинчивания винта (или гайки) с этой резьбой его надо вращать вправо, т. е. по часовой стрелке. При левой резьбе винт или гайку для завинчивания надо вращать влево, т. е. против часовой стрелки.

При нарезании на цилиндрической поверхности винтовой канавки получают резьбу, профиль которой будет зависеть от формы прорезанной канавки. Винтовая канавка называется впадиной резьбы, а винтовой выступ на протяжении одного полного оборота — витком, или ниткой.

В машиностроении не все стержни, имеющие винтовую нарезку, называются винтами. Если стержень крепежной детали нарезан на всю длину вплоть до головки, то такая деталь называется винтом. Если стержень нарезан не на всей длине и на нем имеется гладкая часть, такая деталь называется болтом. Крепежные детали для соединения деревянных частей называются винтами по дереву, или шурупами. Некрепежные детали с винтовой резьбой также называются винтами, как к примеру, ходовой винт токарного станка.

Профилем резьбы винта называется контур впадины и выступа, который можно было бы увидеть, при продольном разрезе винта.

Резьба по числу ниток разделяется на одноходовые, двух-, трех- и многоходовые. Их соответственно называют однозаходными (одноконцевыми), двух-, трех- и многозаходными, или двух-, трех- и многоконцевыми. Определение числа ходов многоходовой резьбы у винта и гайки производится при помощи подсчета числа концов витков на торцовой части винта или гайки. Для этого нужно посмотреть в торец. Если винт одноходовой, то резьба на нем заканчивается одним концом, двухходовой — двумя концами и т. д. То же относится и к гайкам.

Резьба имеет следующие основные элементы: шаг резьбы, угол профиля резьбы, глубина резьбы, наружный, средний и внутренний диаметры резьбы. Расстояние, на которое передвигается винт в гайке при совершении им одного полного оборота, называется шагом резьбы. В однозаходной резьбе шаг — расстояние между вершинами двух соседних витков.

Угол профиля резьбы — это угол, заключенный между боковыми сторонами профиля в плоскости оси резьбы.

Глубина резьбы — расстояние от вершины резьбы до ее основания (или высота выступа).

Наружный диаметр d o — это наибольший диаметр резьбы детали, измеряемый по вершине резьбы перпендикулярно к оси резьбы.

Внутренний диаметр d 1 — наименьший диаметр резьбы, измеряемый по впадинам перпендикулярно к оси резьбы.

Средний диаметр d ср — расстояние между двумя линиями, параллельными оси детали, из которых каждая находится на равных расстояниях от вершины нитки и дна впадины.

В машиностроении приняты три системы треугольной резьбы: метрическая, дюймовая и трубная. Метрическая резьба имеет в профиле вид равностороннего треугольника с углом при вершине 60°. Вершины выступов винта и гайки плоско срезаны во избежание заедания при свинчивании. Метрическая резьба характеризуется шагом и диаметром винта в миллиметрах. Существуют шесть видов метрической резьбы: основная и мелкие — 1, 2, 3, 4 и 5-я. Мелкие виды резьбы отличаются один от другого размерами шага. Метрические виды резьбы делятся на резьбу с крупным шагом (для наружных диаметров 1—68 мм) и резьбу с мелким шагом (для диаметров 1—600 мм); шаги для крупной резьбы — 0,25—6 мм; для мелкой резьбы — 0,25—6 мм. Метрическая резьба с крупным шагом обозначается так: М 20 (число — наружный диаметр резьбы); с мелким шагом — М 20 × 1,5 (первое число — наружный диаметр, а второе — шаг).

Дюймовая резьба имеет в профиле равнобедренный треугольник с углом при вершине 55°. Вершины выступов винта и гайки плоско срезаны, по наружному и внутреннему диаметрам резьбы имеются зазоры. Диаметр болта измеряется в дюймах. Шаги резьбы — 24—2 нитки на 1". Дюймовая резьба стандартизуется диаметром 3/16—4" и указанным выше числом ниток на один дюйм. Обозначение резьбы: l 1/4" (наружный диаметр резьбы в дюймах).

Трубная резьба имеет профиль дюймовой резьбы, но она мельче не только по шагу, но и по другим элементам. Измеряется она в дюймах и характеризуется числом ниток резьбы на 1 дюйм. За диаметр резьбы условно принят внутренний диаметр трубы (диаметр отверстия). Вершины выступов винта и гайки сделаны плоско срезанными или закругленными. Плоско срезанный профиль применяется для трубных соединений, рассчитанных на невысокое давление, с уплотнением льняными нитями или пряжей с суриком. Закругленный профиль придают трубной резьбе в тех случаях, когда к плотности (непроницаемости) трубных соединений предъявляются повышенные требования. Трубная цилиндрическая резьба обозначается так: труб 3/4" (цифры — номинальный диаметр резьбы в дюймах).

Наибольшее распространение получила метрическая цилиндрическая треугольная резьба. Она называется крепежной, так как с этой резьбой изготовляют крепежные детали: болты, шпильки. Коническая треугольная резьба, обеспечивающая плотное соединение в арматуре, масленках, пробках и других деталях. Прямоугольную и трапецеидальную резьбу нарезают на винтах, предназначенных для передачи движения или больших усилий (например, на ходовых винтах в станках и прессах, на винтах слесарных тисков, домкратов и др.). Упорная резьба применяется для деталей, воспринимающих сильное давление, действующее постоянно в одном направлении (например, для муфт трубопроводов высокого давления, винтов гидравлических и механических прессов). Круглую резьбу делают в тех случаях, когда резьбовое соединение предназначено работать в загрязненной среде (к примеру, в водопроводной арматуре, в винтах вагонных тормозов). Дюймовую резьбу допускается применять только при ремонте машин, отверстия которых имеют дюймовую нарезку. Трубная цилиндрическая резьба применяется на трубах для их соединения, а также на арматуре трубопроводов и других тонкостенных деталей.

3.2. Резьбонарезной и резьбонакатный инструмент

Резьбу на деталях получают нарезанием на сверлильных, резьбонарезных и токарных станках, а также накатыванием. Инструментом для накатывания резьбы служат накатные плашки, накатные ролики и накатные головки. Иногда резьбу нарезают вручную. Внутреннюю резьбу нарезают метчиками, наружную — плашками, прогонками и другими инструментами.

Метчики по назначению делят на ручные, машинно-ручные и машинные. В зависимости от профиля нарезаемой резьбы — на три типа: для метрической, дюймовой и трубной видов резьбы, а по конструкции — на цельные, сборные (регулируемые и самовыключающиеся) и специальные.

Метчик состоит из двух основных частей: рабочей и хвостовой. Рабочая часть представляет собой винт с продольными прямыми или винтовыми канавками. В метчиках для вязких металлов на заборной части имеется скос 6—10° в направлении, обратном направлению резьбы: при правой резьбе скос левый, при левой — правый. Это улучшает отвод стружки. Рабочей частью метчика нарезают резьбу. Метчики с винтовыми канавками применяют для нарезания точных видов резьбы. Рабочая часть таких метчиков состоит из заборной и калибрующей частей. Заборная (режущая) часть делается в виде конуса и именно она производит основную работу при нарезании резьбы. Калибрующая (направляющая) часть — резьбовая часть метчика, смежная с заборной частью. Она направляет метчик в отверстие и калибрует нарезаемое отверстие. Хвостовик метчика служит для его закрепления в патроне станка, дрели или удержания в воротке (при наличии квадрата) во время работы.

Канавки представляют собой углубления между режущими зубьями, получающимися в результате удаления части металла. Эти канавки служат для образования режущих кромок и размещения стружки при нарезании резьбы. Профиль канавки образуется передней поверхностью, по которой сходит стружка, и задней поверхностью, служащей для уменьшения трения режущих зубьев метчика о стенки нарезаемого отверстия.

Резьбовые части метчика, ограниченные канавками, называются режущими перьями, которые имеют форму клина.

Режущими кромками метчика называются кромки на режущих перьях метчика, образованные пересечением передних поверхностей канавки с затылочными поверхностями рабочей части.

Сердцевина — это внутренняя часть метчика, измеряемая по диаметру от касательной ко дну канавок метчика. Метчики для нарезания резьбы в нержавеющих сталях имеют более массивную (толстую) сердцевину. Канавки у метчика обычно делают прямыми.

Ручные метчики для метрической и дюймовой видов резьбы изготовляются комплектом из двух метчиков для резьбы с шагом до 3 мм включительно (для основной метрической резьбы — диаметром от 1 до 52 мм, для дюймовой резьбы — диаметром от1/4 до 1") и комплектом из трех метчиков для резьбы с шагом свыше 3 мм (для метрической резьбы — от 30 до 52 мм и для дюймовой резьбы — диаметром от 1 1/8 до 2"). В комплект, состоящий из трех метчиков, входят черновой, средний и чистовой метчики. Все метчики комплекта имеют разный диаметр.

По конструкции режущей части метчики бывают цилиндрическими и коническими. При цилиндрической конструкции метчиков все три инструмента в комплекте имеют соответствующие диаметры. У чистового метчика полный профиль резьбы, диаметр среднего метчика меньше нормального на 0,6 глубины нарезки, а диаметр чернового метчика меньше диаметра резьбы на полную глубину нарезки. У чернового метчика длина заборной части равна 4–7 ниткам, у среднего — 3–3,5, у чистового — 1,5–2 ниткам.

Угол наклона заборной части у чернового метчика равен 3°, у среднего — 7°, у чистового — 12°. При конической конструкции метчиков все три инструмента в комплекте имеют одинаковый диаметр и полный профиль резьбы с различной длиной заборных частей. Резьба в пределах заборной части делается конической и срезается по вершинам зубьев на конус. В конических метчиках заборная часть равна: у чернового метчика — всей длине рабочей части, у среднего — половине этой длины, у чистового — двум ниткам. Конические метчики применяют для нарезания сквозных отверстий. Глухие отверстия нарезаются цилиндрическими метчиками.

Метчики выпускают со шлифованным и нешлифованным профилем зубьев. Шлифованные создают резьбу с более точной и чистой поверхностью.

Машинно-ручные метчики применяют для нарезания метрической, дюймовой и трубной цилиндрической и конической видов резьбы. Машинно-ручные метчики служат для нарезания резьбы в сквозных и глухих отверстиях всех размеров машинным способом и вручную с шагом до 3 мм включительно. Метчики этого типа изготовляют двух видов: одинарные для сквозных и глухих отверстий и комплектные — черновой и чистовой. У машинных и машинно-ручных метчиков на хвостовике делают кольцевые канавки для зажима в быстросменных патронах.

Машинные метчики применяются для нарезания на станках сквозных и глухих отверстий. Они бывают цилиндрическими и коническими.

Гаечные метчики служат для нарезания метрической резьбы в гайках за один проход вручную или на сверлильных и резьбонарезных станках. Они выполняются однокомплектными, имеют длинную режущую часть (12 витков). Хвостовик у них длинный, дающий возможность нанизывать на него гайки при нарезании. Гаечные метчики изготовляются с изогнутым хвостовиком, закрепляемые в специальных патронах на гайконарезных автоматах. Они дают возможность гайкам непрерывно автоматически сбрасываться по мере нарезания.

Плашечные метчики отличаются от гаечных наличием большого заборного конуса и предназначаются для предварительного нарезания резьбы в плашках за один проход.

Маточные метчики применяют для зачистки резьбы в плашках после нарезания плашечным метчиком, а также для зачистки резьбы в плашках, находящихся в работе. В маточных метчиках канавки делают с правой спиралью.

Специальные метчики составляют группу, в которую входят ненормализованные конструкции метчиков: бесканавочные, комбинированные, метчик-сверло с винтовыми канавками, метчик-протяжка.

Метчики бесканавочные применяют для нарезания сквозных видов резьбы диаметром до 10–12 мм. Длина заборной части метчика такая же, как у машинных. Длина канавки (с выходом) на 3–5 ниток больше длины заборной части. Бесканавочные метчики прочнее обычных. В связи с тем, что метчик имеет длинную резьбовую часть его можно перетачивать несколько раз. Бесканавочные метчики отличаются высокой производительностью при нарезании резьбы. Для нарезания резьбы в глухих отверстиях эти метчики непригодны.

Комбинированные метчики состоят из двух частей, разделенных шейкой.

Первая часть служит для предварительного нарезания резьбы, а вторая — для окончательного (чистового). Комбинированный инструмент (метчик-сверло) позволяет совместить сверление и нарезание резьбы в одну операцию, что значительно повышает производительность. Применение сверла-метчика возможно при нарезании сквозных отверстий без подачи при условии, что метчик вступает в работу после выхода вершины сверла из отверстия. Если это условие не выполняется, то сверло работает с подачей, равной шагу нарезаемой резьбы.

Метчики с винтовыми канавками имеют угол наклона канавки 35°, что обеспечивает свободный выход стружки по спирали и исключает возможность срыва резьбы. Конструкция метчика позволяет нарезать резьбу на высоких скоростях вращения шпинделя станка. Применение метчика с винтовой канавкой заменяет комплект обычных метчиков. Метчики изготовляют из инструментальной стали У8, У12 и Р18.

Воротки — ручной инструмент, предназначенный для вращения метчиков при нарезании резьбы. Они одеваются на квадратное сечение хвостовика метчика. Нерегулируемые воротки имеют одно или несколько отверстий и регулируемое отверстие. Кроме того существуют воротки торцовые. Они предназначены для вращения метчиков при нарезании резьбы в труднодоступных местах.

Тарированные воротки применяют для нарезания резьбы в глубоких и глухих отверстиях. Они состоят из корпуса 1, втулки 2 и пружины 3. Корпус и втулка имеют косые кулачки, связанные между собой зубчатой передачей, которая при превышении усилия, передаваемого рукой работающего, выходит из зацепления. В результате этого втулка с метчиком перестает вращаться, тем самым предохраняя его от поломки.

Универсальный вороток предназначен для закрепления плашек с наружным диаметром 20 мм всех видов метчиков и разверток, имеющих хвостовики квадратного сечения с длиной стороны до 8 мм. В корпусе, закрытом крышкой, помещен механизм, позволяющий изменять величину квадратного отверстия. Механизм приводится в движение винтом с рифленой головкой. Резьбовая часть винта связана с одним из четырех кулачков, размещенных внутри корпуса. При вращении винта смещается кулачок, образующий одну из сторон квадрата. Снижаясь, кулачок оказывает давление на скошенный угол второго кулачка, сдвигая его вправо. Прижимаемый таким образом второй кулачок в свою очередь поднимает третий кулачок, а тот смещает влево четвертый. В результате этого, все четыре стороны квадратного отверстия уменьшаются в равной степени. Такая регулировка квадратного отверстия позволяет закреплять различные виды метчиков и разверток. Для закрепления плашек в корпусе универсального воротка имеется гнездо. Плашки закрепляются винтами. Применение универсального воротка исключает возможность появления брака при нарезании резьбы плашками. Конструкция такого приспособления позволяет исключить из технологического процесса нарезания резьбы набор воротков, плашкодержатель и специальные направляющие приспособления к нему.

В зависимости от конструкции плашки подразделяют на круглые (лерки), накатные, раздвижные. Круглые плашки изготовляют цельными и разрезными. Цельная плашка 1 представляет собой стальную закаленную гайку, в которой через резьбу 2 прорезаны сквозные продольные отверстия, образующие режущие кромки и служащие для выхода стружки. С обеих сторон плашки имеются заборные части 3 длиной 1 1/2—2 нитки. Эти плашки применяют при нарезании резьбы диаметром до 52 мм за один проход. Диаметры цельных круглых плашек предусмотрены стандартом для основной метрической резьбы — от 1 до 76 мм, для дюймовой — от 1/4 до 2", для трубной — от 1/8 до 1 1/2". Круглые плашки при нарезании резьбы вручную закрепляют в специальном воротке.

Разрезные плашки в отличие от цельных имеют прорезь (0,5–1,5 мм), позволяющую регулировать диаметр резьбы в пределах 0,1–0,25 мм. Вследствие пониженной жесткости нарезаемая этими плашками резьба имеет недостаточно точный профиль.

Резьбонакатные плашки применяют для накатывания точных профилей резьбы. Резьбонакатные плашки имеют корпус, на котором устанавливают накатные ролики с резьбой. Ролики можно регулировать на размер нарезаемой резьбы. Плашки вращают двумя рукоятками, ввертываемыми в корпус. С помощью резьбонакатных плашек нарезают резьбу диаметром от 4 до 33 мм и шагом от 0,7 до 2 мм. Накатку выполняют на станках, а также вручную. Резьба получается более прочной, поскольку волокна металла в винтах не перерезаются и в следствие давления плашек на металл волокна упрочняются. В виду того, что резьба только выдавливается, поверхность получается более чистой.

Раздвижные (призматические) плашки состоят из двух половинок, называемых полуплашками. На каждой из них указаны размер наружной резьбы и цифра 1 или 2, для того, чтобы правильно из закреплять в приспособлении (клуппе). На наружной стороне полуплашек имеются угловые канавки (пазы), которыми они устанавливаются в выступы клуппа. Для равномерного распределения давления винта на полуплашки во избежание перекоса между полуплашками и винтом помещают специальные прокладки (сухари). Раздвижные плашки изготовляют комплектами по 4–5 пар в каждом, каждую пару по мере необходимости вставляют в клупп.

Раздвижные плашки изготовляют для метрической резьбы диаметром от М6 до М52, для дюймовой — от ¼ до 2" и для трубной резьбы — от 1/8 до 13/4². Клуппы, в которых устанавливают призматические плашки, изготовляют шести размеров — от № 1 до № 6.

Клупп трубный предназначен для нарезания наружной резьбы на трубах. Им можно нарезать трубы диаметром от 13 до 50 мм. У такого клуппа три комплекта плашек: для труб диаметром 13–19 мм (1/2—3/4"), 25–32 мм (1–11/4") и 38–50 мм (1 1/2—2").

Конструкция клуппа предусматривает одновременное перемещение к центру и от него, четырех плашек, находящихся в корпусе приспособления. Для их передвижения служит специальная воротная часть клуппа — планшайба. Установка плашек на нужный диаметр производится по делениям на корпусе приспособления. После установки плашек на диаметр их положение закрепляют специальным зажимным устройством «собачкой». После нарезания резьбы клупп свободно снимается с трубы при помощи рукоятки планшайбы, путем разжима плашек. Помимо четырех режущих плашек, в клуппе имеются три направляющие плашки (гладкие, без резьбы), обеспечивающие устойчивое положение клуппа на трубе во время его работы. Установка гладких плашек на нужный диаметр трубы производится вращением специального винта на наружной стороне клуппа.

Нарезание резьбы вручную является малопроизводительной и трудоемкой операцией, поэтому при возможности стремятся применить средства механизации.

Для механизации процесса нарезания резьбы в крупногабаритных деталях, а также при монтаже и сборке изделий применяют такие специальные ручные механизированные инструменты, как электрорезьбонарезатели, пневматические резьбонарезатели и электро- и пневмосверлилки, оснащенные специальными насадками.

Электрорезьбонарезатель имеет встроенный электродвигатель, редуктор, реверсивный механизм и нагрудник. На валу ротора электродвигателя закреплено зубчатое колесо, которое через зубчатые колеса передает вращение свободно сидящим зубчатым колесам, вращающимся в разные стороны. При нажиме на корпус инструмента сверху вниз шпиндель вдвигается внутрь, его фланец войдет в зацепление с выступом зубчатого колеса, метчик при этом начинает ввертываться в отверстие.

Резьбонарезатель с пневматическим приводом предназначен для нарезания мелкой резьбы. Четырехклапанный ротационный пневмодвигатель приводит во вращение через редуктор свободно сидящие зубчатые колеса. При нажатии на корпус муфты сцепляются с зубчатым колесом, что соответствует рабочему ходу (нарезание резьбы). Когда корпус за рукоятку оттягивают на себя, шпиндель смещается под действием пружины вниз, муфта сцепляется с зубчатым колесом и происходит ускоренное вывинчивание метчика из отверстия. Инструмент включают нажатием большого пальца на курок — сжатый воздух пропускается через клапан в двигатель, отработанный воздух выходит из двигателя через боковые отверстия. Редуктор и реверсивный механизм смазывают густой смазкой через имеющееся в корпусе отверстие.

Нарезание резьбы в отверстиях на сверлильных станках является наиболее эффективным технологическим приемом. Нарезание производится с помощью патрона, в котором метчик закрепляют на допустимое усилие, в случае превышения которого патрон перестает принудительно вращаться. При нарезании резьбы в глухом отверстии метчик упирается в дно отверстия, при этом автоматически прекращается вращение.