Обзор способов нарезания резьбы

Производители, благодаря разнообразию технологий нарезания резьбы, анализируя их, имеют возможность наладить рентабельность и эффективность нарезки резьбы в отверстиях. В статье описаны четыре основных видов механической нарезки резьбы, с указанием недостатков и преимуществ: нарезка метчиками, нарезание резьбы токарными станками с последующим шлифованием, фрезерование.

 

 

 

Метчики: технология нарезки

Популярность нарезки резьбы с помощью метчиков остается востребованной благодаря высокой эффективности технологии. К. Моррисон, ведущий специалист в бизнесе и его развитию в американской компании по производству резьбонарезных фрез и метчиков «КОМЕТ», в своем заявлении отметил, что несмотря на то, что изначально технология имея затраты в начальной стадии производства, в конечном результате с лихвой укапает затраты.

Процесс нарезания резьбы с помощью метчиков достаточно длителен, наличие режущих кромок, с помощью которых производится съем материала, требует осторожности, сами кромки расположены на некотором расстоянии друг от друга. Завершенность прохода всего расстояния резьбы выполняется одним проходом. Исходя из изъяснения Марка Хэтчела, одного из менеджеров корпорации Emuqe, конструкция метчика отвечает нужному размеру резьбы, в соответствии с калибрированной и заборной частей, нужного шага нарезки резьбы.

Любой материал, который имеет твердость не выше  50 HRC, может использоваться для обработки метчиками, некоторыми производители доводят качество своей продукции, дающие возможность обрабатывать материал твердостью до 65 HRC. В задачу метчика входит за один проход одновременно выполнить черновую обработку и шлифовку, что влечет за собой выработку большого количества металлической стружки. Для того чтобы процесс нарезки резьбы не нарушался возникновением большого давления, стружка должна иметь свободный выход. Не правильный вывод стружки, или полное отсутствие вывода, приводит к нарушению качества резьбы, или поломки метчика.

Одна из главных по серьезности проблем при нарезке резьбы, контролирование отвода металлической стружки, особенно это важно в случаях, когда материал, в котором производится нарезка, имеет повышенную мягкость. В этих случаях стружка металла, которая выходит из-под кромок метчика, имеет сливной характер. Особенность такого вывода стружки заключает некую опасность, как для инструмента, так и для отверстия, которое подвергается обработке, металл забивает канавки метчика, что может привести к поломке метчика в самом отверстии. По сложности обработки материала, имеющие мягкость, особое место занимают алюминий, нержавеющие и углеродистые металлы серии 300. Именно их металлическая стружка тяжелее всего поддается контролю при выводе. Этот же самый момент подчеркивает в своем заключении инженер по применению метчиков и резьбонарезных фрез Ш. Стюарт, специалист американской компании ОЗС Тар & DieInc.

Во время проведения работ по нарезке резьбы, в первую очередь обращается на длину и диаметр отверстия, большая часть предприятий выполняет нарезку отверстий диаметром до 16 мм. Нарезая резьбу большего по диаметру отверстию, мощность станка часто не рассчитана для проворачивания метрика, имеющего соприкосновение с заготовкой, так утверждает господин Моррисон, он добавил, что выполняя нарезку резьбы небольших диаметров (6мм и менее), проблема вывода стружки особенно актуальна. Она усложняется тем фактом, что малый диаметр отверстия действует ограничивающее для отвода, а хрупкость метчика увеличивает процент случаев разрушение инструмента в отверстии.

Особенности применения метчиков заключается в том, что с их помощью возможна нарезка резьбы в инструментах до 3-х диаметров самого инструмента. Этот случай применение метчиков на много эффективнее, чем применение резьбонарезной фрезы, имеющие одну режущую кромку. Это же самое утверждают специалисты, которые заняты изучением анализов нарезки резьбы такими способами. Специалисты отметили, что можно углублять инструмент до полной глубины, но при этом контролировать стабильность вывода стружки.

Один и тот же метчик не применяется для нарезаний одного диаметра резьбы по той простой причине, что шаг резьбы и ее диаметр остается неизменным. В связи с тем, что процесс нарезания резьбы предполагает тесное соприкосновение инструмента с заготовкой, инструмент имеет большие механические нагрузки, которые могут привести к излому метчика в отверстии заготовки. Именно эта причина требует в процессе выполнения работы, постоянной подачи нужного количества смазки на инструмент.

 

Резьба. Процесс накатки

Инструмент под названием метчики-раскатчики входят в категорию инструмента, задача которого накатка резьбы, глубина которой может доходить до четырех диаметров метчика. Задача метчиков раскатчиков заключается не в нарезке резьбы, а в ее обработке в виде деформирования материала, при этом в процессе обработке металла, металлическая стружка не отделяется от заготовки. Благодаря этому исчезает проблема забивания стружкой зазоров между кромками в виде прессования стружки заготовки, мягкость которой меньше 40 HRC.

Фактически процесс накатки резьбы соответствует пластической обработке резьбы, посредством деформации материала в нужных пределах. Обрабатываемый пластическим методом материал должен обладать низко-коэффициентным растяжением. В основном применяются накатные метчики диаметром от 0,5 мм минимального диаметра и 19 мм максимально, более большие размеры требует увеличения мощности оборудования, так как увеличенная сила трения, которая возникает в процессе накатки, несоразмерна с мощностью станков приспособленных под стандартные метчики.

Что отличает метчики-раскатчики от обычных: в первую очередь, этот вид инструмента для обработки форм резьбы обладает повышенной жесткостью, что способствует меньшим потерям инструмента в ходе работ. По мнению г-н. Моррисона, на метчик действует давление, которое имеет форму тангенциального направления, инструмент поддается скручивающему напряжению, в тот самый момент, когда давление на раскатчик, имеет направление по радиусу в центре. Именно этот момент является фактором надежности. Соглашаясь  с этим, г-н. Хэтч добавляет от себя что металл, который обладает повышенной зернистостью в структуре, поддаваясь сдавливанию, увеличивает прочность резьбы, которая выполнена методом накатывания, чем тогда, когда резьба нарезается, так деформируя металл методом накатки, упрочняет структуру в более однородную.

Потребность большего крутящего момента, а соответственно и большей мощностью оборудования при накатке резьбы, является одним из основных недостатков технологии. При этом заготовка, которая поддается обработке, должна надежно закрепляться в станке. Г. Стюарт объясняет этот факт тем, что пластическая деформация резьбы требует значительное увеличение мощности в сравнении с обычной нарезкой резьбы.

И еще одним ограничивающим явлением, который обладает процесс накатки: повышенная точность просверленного отверстия для обработки, чем в случае при нарезании обычным способом резьбы.

Некоторые отрасли промышленности, например медицинская, космическая, авиационная, не используют приборы, в которых применена технология нарезки резьбы путем пластической деформации. Ремонт авиационной техники деталями, имеющими этот тип резьбы – не допустим. Специалисты объясняют этот факт тем, что внутренний диаметр резьбы при накатке, не отвечает идеальной точности. U-образный профиль, который достигается после  накатки, не допускаемый в авиационно-космической отрасли, тогда как в других отраслях, вполне приемлем. Как отмечает по этому поводу г-н. Хэтч, сам по себе дефект не влияет на прочность резьбы, а по сему, технология вполне приемлема для использования в деталях, которые предназначаются для других целей.

 

Фрезы резьбонарезные

Фрезы, которые предназначенные для нарезания резьбы, в своей конструкции используют технологию спиральной интерполяции для нарезания обоих видов резьбы: наружной и внутренней. Станки ЧПУ, произведенные за последнее десятилетие, в большинстве случаев имеют возможность поддерживание функции спиральной интерполяции.

Для выполнения нарезки резьбы используют твердосплавные цельные типы фрез, которые оснащены съемными твердосплавными пластинами, имеющие стальное тело фрезы с вставками из карбида. Резьбонарезные многовитковые типы фрез выполняют нарезку резьбы сразу по всей глубине за один поворот, что и есть отличительным свойством перед одновитковой фрезой. Основное оборудование такого типа относится к многовитковым фрезам.

Фрезы, предназначенные для нарезки резьбы, рассчитаны для обработки заготовок с твердостью материала до 65 HRC, это является существенным фактором для расширения области применения данного оборудования. Г-н. Моррисон объясняет это как возможность обрабатывания большинство материалов, которые имеют различие, но при этом используется одна и та же фреза с одной и той же геометрией слоев различного количества и покрытия.

Несомненным преимуществом является тот факт, что во время нарезание резьбы фрезой отвод стружки не есть проблема. Специалисты, а именно менеджер по продукции господин  Хэтч в своих выводах дал заключение, что фрезы с их методом нарезки резьбы выполняется с остановками, эти промежутки полезны тем, что свойства материала не влияют на отвод стружки, так как стружка имеет короткие фрагменты в местах надлома.

Применение резьбонарезных фрез имеет широкий спектр в использовании, начиная с диаметра от 1,5 мм и заканчивая достаточно большими размерами. Оптимальным вариантом глубины резки является ограничение 2,5 мм от диаметра самой фрезы. Нарезая резьбу с использованием резьбы, сила нарезки несбалансированная. Так характеризировал процесс г-н Хэтч. Он также отметил что, нарезая резьбу большой длины, усиливается давление на боковые части прибора, это связанно с воздействием большой радиальной силы. Чем это проблематично: может отскочить режущая кромка фрезы от поверхности обрабатываемого материала. В этом случае сила резанья действует на режущую кромку, находящуюся в самом окончании фрезы. Покупатели, которые занимаются нефтедобывающей промышленностью и электроэнергетикой, при покупке в его компании оборудование, отдают предпочтение одновитковым фрезам, оснащенных длинными типами хвостовиков. Они считают более рентабельным оборудование, которое подходит для нарезания резьбы различных типов, и это не смотря на тот факт, что процесс нарезки несколько замедлен. В их случае им пришлось бы закупать метчики длиной 250 мм, что по цене получается около 1000 долларов за штуку, подчеркнул г-н Хэтч.

Фрезы, в своем использовании, имеют много преимуществ. Применение одного и того же инструмента различных в диаметре отверстий с учетом применения одного и того же шага резьбы. Тип фрезы с одной режущей кромкой с использованием в процессе обработки различных по диаметру отверстий, имеется возможность нарезки резьбы различного шага.

 Одновинтовые типы резьбонарезных фрез используют для обработки сквозных и глухих типов отверстий. При условии поломки фрезы, деталь, которая обрабатывается, не будет бракованной, этот фактор является одним из ценных преимуществ. Применяя одновитковую фрезу можно выполнять нарезку как правой, так и левой резьбы. Фреза, имея плоскую нижнюю часть, дает возможность нарезки резьбы в непосредственном сближении к днищу глухого типа отверстия. Выполняя нарезку резьбы фрезой, возможно совмещение в одном корпусе с другими типами инструментов, которые предназначены для аналогичных работ. Такая возможность ценна тем фактором, что можно одновременно заниматься сверлением, нарезкой резьбы и выполнение фасок.

 Как утверждают специалисты, нарезка резьбы при помощи резьбонарезных фрез выполняется медленнее, чем с помощью метчиков. Отпугивающим фактором для покупателей является условие использования программного управления резьбонарезных фрез, такое высказывание г-на Стюарта. Именно установка программ для выполнения нарезки резьбы у многих покупателей вызывает чувство страха, хотя на самом деле сложностей с установкой специальных программ нет никаких.

Немало компаний предпочитают для своих нужд использовать метчики, что приводит к минимальному вмешательству в процессе нарезке оператору. Использование для аналогичной операции фрезы требует постоянного контроля и вмешательства в работу оператора для необходимых регулировок. Господин Хэтч считает, что инструмент в процессе работы стачивается, это нормально, но износ накладок можно уменьшить, если оператор правильно рассчитает допустимые изменения в размерах. Необходимо правильно регулировать режущий процесс, подстраивать оборудование под текущий износ, следить и анализируя полученные данные, в процессе выполнения работ изменять настройки.

Метчик никогда не изменят своих размеров, его изготавливают по размерам нужной по диаметру резьбы, которую он будет нарезать. Операторы пользуются инструментами и калибрами, которые помогают измерять метчики и в случае, если имеет место нарушение размеров, негодный метчик утилизируется.

 

Технология токарной обработки резьбы

Токарные работы по обработке материала, еще одна технология нанесения внутренних типов резьбы. Для этих целей используют два варианта обработки: инструмент имеющий подобие расточного резца, но более миниатюрный в исполнении и твердосплавные пластины сменного типа. Для обработки используются много осевые, или токарные станки, в которых имеются возможность использования одно, или много - зубных пластин выполненных из твердосплавного материала. Учитывается, что каждый зуб при работе погружается в материал глубже предыдущего, сокращая при этом количество проходки, которая нужна для нарезки резьбы.

Пластины, которые имеют несколько зубов, отличаются по цене: это достаточно дорогое оборудование. Президент компании CarmexPrecisionToolsLLC, господин Джеф Дей заметил, что для маленьких производств закупка такого дорогостоящего оборудования не всегда экономически выгодна, этот вариант более приемлем для больших по размеру производств.

 Особенность много - зубных нарезных пластин заключается в том, что с их помощью не возможна нарезка наружных типов резьбы на деталях имеющие фланцы. Глубина врезки зубцов от первого зуба и последнего имеет различие около 3мм, это в зависимости от шага резьбы, так утверждает Майк Тримбл, менеджер компании Varqus по продукции, которая занимается производством инструментов для выполнения нарезки резьбы с помощью токарных и фрезерных станков. Наличие выступов, или фланцев на деталях, по его утверждению, не дает возможности подхода режущей пластины к материалу последним зубом, поэтому нарезка последних витков резьбы выполняется другими приспособлениями.

Используя способ нарезания токарными станками резьбы, оператор имеет возможность для смены режущих пластин обеих профилей (полным и частичным), при этом много - зубные пластины только многопрофильного типа. Полно-профильные пластины формируют полно-профильный тип нарезки резьбы, это с учетом вершины витка резьбы (гребня), внутренний диаметр резьбы проходит обработку с помощью зуба режущей пластины. Каждый шах резьбы при такой технологии нарезки нуждается в использовании отдельной пластины.

Особенность полно-профильных пластин при нарезке заключается в том, что получается более прецизионная, более прочная и качественнее резьба, чем при нарезке пластинами частичного профиля. Господин Тримб утверждает, что это происходит потому, что создаются одновременно наружный и внутренний номиналы диаметра резьбы.

Частично-профильные пластины выполняют нарезку без торцовки винтовых вершин, они не влияют на формирование внешнего диаметра, пластины этого типа имеют одну кромку для резки. Именно этот недостаток не дает нарезывать резьбу различных шагов, при этом изменять глубину вхождения в материал режущей кромки. Дей объясняет это тем, что пластина имеет идеально заостренное окончание зуба, увеличение шага резьбы влияет на прочность, а сам процесс нарезки значительно замедляется.

Выполнение нарезки резьбы с помощью токарных станков при технологии использования сменных пластин изготовленных из твердосплавных металлов, дают возможность выполнять работу по нарезке резьбы в отверстиях диаметром от 6 мм и выше. Для обработки отверстий меньшего размера потребуется инструмент цельного типа выполненного из твердосплавных металлов. Это даст возможность обрабатывать диаметры отверстий, с целью нарезания резьбы до 1,3 мм. Относительно больших размеров, компания Vargus сумела выполнить нарезку резьбы в отверстии, которое имеет диаметр 914 мм. Господин Тримбл объясняет, что процесс нарезки выполнялся с помощью токарно-револьверного станка, возраст которому сто лет. Другого выхода как выполнить нарезание резьбы не было, так как такие станки не оснащены спиральной интерполяцией. Токарные санки для нарезания резьбы применяются для отверстий, глубина которых до трех его диаметров. При этом используется инструмент со стальными державками, с учетом глубины даже в 4 и 5 диаметров, с использованием инструмента с державками, которые выполненные из твердых сплавов.

Нарезка резьбы при помощи токарных станков используется для большого количества материала, это также отметил г-н Тримбл, они ежедневно выполняют нарезку резьбы в материале твердостью до 50 HRC. Более непривычным является материал, с которым сталкиваются крайне редко: инконель 718, хастеллой, хотя это в значительной мере сокращает срок службы оборудования, так как материал обладает повышенной прочностью и при этом имеет в составе абразив.

Во время выполнения токарными станками внутренней резьбы, остается актуальной проблема вывода металлической стружки. Проблема обостряется при выполнении процесса в местах глухих отверстий. Операторы вынуждены подбирать инструмент для резки нужной геометрии, при этом используется один из видов поперечной подачи (попеременно-угловая, модифицированная угловая подача, прямо поперечная и по углу профиля резьбы). Для облегчения отвода стружки используется более приемлемая технология, возможен метод обратной спирали.

Тримбл отметил в своих замечаниях, что применяя один из видов поперечной подачи, нарезка зависит от конкретной заготовки, но как показывает практика, очень редко происходит браковка материала.

Производитель часто колеблется перед выбором способа, которым будет выполняться нарезка резьбы. Выбирая приемлемую для себя технологию, методом ошибок и неудач, производитель сам определит, что ему лучше всего подойдет: токарный станок, фрезеровальный станок или метчики. Каждый производитель самостоятельно должен выполнить подсчет требуемого инструмента, его эксплуатационные характеристики, время выполнения работ по нарезке.

Нарезка резьбы методом шлифования выполняется на специальных станках, которые должны иметь переменные оси вращения. Профиль шлиф круга должен иметь модификацию под спиралевидную форму.

Во время выполнения работ проблема отвода стружки разрешается при помощи охлаждения инструмента и удаление стружки из района обработки. Ограниченное пространство во время выполнения шлифования резьбы в отверстиях малого диаметра усложняется доставкой охлаждающей смеси в нужное место, направления потока по ходу движения вала должно выполняться таким образом, чтобы оно не мешало ходу выполнению шлифования.