В производстве нарезание резьбы – это процесс создания винтовой резьбы . Ежегодно производится больше резьбы, чем любого другого элемента машины . [1] Существует множество методов создания резьбы, включая субтрактивные методы (множество видов нарезания и шлифования резьбы, как подробно описано ниже); деформационные или преобразовательные методы (прокатка и формовка; формование и литье); аддитивные методы (например, 3D-печать ); или их комбинации.
Существуют различные методы создания резьбы. Метод для любого конкретного применения выбирается на основе ограничений — время, деньги, необходимая (или ненужная) степень точности, какое оборудование уже доступно, покупка какого оборудования может быть оправдана исходя из конечной цены за единицу резьбовой детали (которая зависит от от того, сколько деталей планируется) и т. д.
В целом, определенные процессы создания резьбы имеют тенденцию попадать в определенные части спектра от деталей, изготовленных в инструментальном цехе , до деталей массового производства, хотя могут быть значительные совпадения. Например, притирка резьбы после шлифования резьбы относится только к крайнему инструментальному краю спектра, в то время как накатка резьбы представляет собой большую и разнообразную область практики, которая используется для всего: от ходовых винтов микротокарных станков (довольно дорогих и очень точных) до самых дешевых дек. винты (очень доступные и с запасом точности).
Резьбу металлического крепежа обычно создают на резьбонакатном станке. Их также можно резать на токарном станке , нарезать резьбу или штамповать . Накатанная резьба прочнее, чем нарезанная, с увеличением прочности на разрыв на 10–20% и, возможно, большей усталостной стойкости и износостойкости. [2] [3]
Фрезерование резьбы обеспечивает лучшее качество резьбы, чем нарезание резьбы, поскольку обеспечивает лучший отвод стружки. Для нарезания резьбы используется инструмент того же размера, что и резьба, который проталкивает стружку через резьбу для эвакуации. [4]
Нарезание резьбы, по сравнению с накатыванием и накаткой резьбы, применяется, когда требуется полная глубина резьбы, когда ее количество мало, когда заготовка не очень точна, когда требуется нарезание резьбы до уступа, при нарезании конической резьбы или когда материал хрупкий. [5]
Распространенным методом нарезания резьбы является нарезание метчиками и плашками. В отличие от сверл , ручные метчики не удаляют автоматически образующуюся стружку . Ручной метчик не может нарезать резьбу за один оборот, поскольку при этом образуются длинные стружки, которые быстро заклинивают метчик (эффект, известный как «скученность» [ нужна цитация ] ), что может привести к его поломке. Таким образом, при ручной нарезке резьбы обычное использование гаечного ключа заключается в нарезании резьбы на 1/2–2/3 оборота (поворот от 180 до 240 градусов), а затем поверните метчик примерно на 1/6 оборота (60 градусов) до тех пор, пока стружка разбивается задними кромками резцов. Возможно, придется периодически снимать кран с отверстия, чтобы очистить его от стружки, особенно если в глухом отверстии имеется резьба.
Для операций непрерывного нарезания резьбы (например, нарезания резьбы под давлением) используются специальные спиральные метчики или метчики-пистолеты для выброса стружки и предотвращения скопления стружки.
Одноточечная резьба , также в просторечии называемая одноточечной резьбой (или просто нарезанием резьбы , если контекст неявно), представляет собой операцию, в которой используется одноточечный инструмент для создания формы резьбы на цилиндре или конусе. Инструмент движется линейно, а точное вращение заготовки определяет ход резьбы. Этот процесс можно выполнить для создания внешней или внутренней резьбы (наружной или внутренней). При нарезании наружной резьбы деталь можно либо удерживать в патроне , либо устанавливать между двумя центрами . При нарезании внутренней резьбы деталь удерживается в патроне. Инструмент перемещается по заготовке линейно, снимая стружку с заготовки при каждом проходе. Обычно 5–7 легких надрезов создают нужную глубину резьбы. [6]
Координация различных элементов машины, включая ходовой винт , суппорт и переключающие шестерни, стала технологическим достижением, которое позволило изобрести токарно -винторезный станок , который положил начало одноточечной резьбе, какой мы ее знаем сегодня.
Сегодня токарно-винторезные станки и токарные станки с ЧПУ являются широко используемыми станками для одноточечной резьбы. На станках с ЧПУ этот процесс выполняется быстро и легко (относительно ручного управления) благодаря способности станка постоянно отслеживать взаимосвязь положения инструмента и положения шпинделя (так называемая «синхронизация шпинделя»). Программное обеспечение ЧПУ включает в себя «постоянные циклы», то есть заранее запрограммированные подпрограммы, которые позволяют избежать ручного программирования одноточечного цикла нарезания резьбы. [7] Вводятся параметры (например, размер резьбы, смещение инструмента, длина резьбы), а все остальное делает станок.
Всю резьбу можно было бы выполнить с помощью одноточечного инструмента, но из-за высокой скорости и, следовательно, низкой удельной стоимости других методов (например, нарезания резьбы, нарезания резьбы, накатывания и формовки резьбы), обычно используется только одноточечная резьба. когда другие факторы производственного процесса благоприятствуют этому (например, если необходимо сделать всего несколько ниток, [8] если требуется необычная или уникальная резьба, [8] или если существует необходимость в очень высокой концентричности с другие элементы детали, обработанные во время той же наладки. [9] )
Резьбу можно фрезеровать вращающейся фрезой , если можно организовать правильную винтовую траекторию. Раньше он был устроен механически и подходил для массового производства, хотя и редко использовался в мастерских. С широким распространением доступных, быстрых и точных ЧПУ он стал гораздо более распространенным, и сегодня внутреннюю и внешнюю резьбу часто фрезеруют даже на работах, где раньше ее нарезали метчиками, резьбонарезными головками или одноточечными. Некоторыми преимуществами резьбофрезерования по сравнению с одноточечной резкой или метчиками и плашками являются более быстрое время цикла, меньшая поломка инструмента и возможность создания левой или правой резьбы с помощью одного и того же инструмента. [10] Кроме того, для больших и неудобных заготовок (таких как отливка пожарного гидранта ) проще оставить заготовку неподвижной на столе, пока все необходимые операции обработки выполняются с помощью вращающихся инструментов, а не закреплять ее. вверх для вращения вокруг оси каждого набора резьб (то есть за «рукава» и «устье» гидранта).
Существуют различные виды резьбофрезерования, в том числе несколько вариантов фасонного фрезерования и сочетание сверления и нарезания резьбы одной фрезой, называемое захватывающим .
Одним из основных преимуществ по сравнению с нарезанием резьбы является то, что нарезание резьбы начинается только с третьей резьбы, тогда как фрезерование резьбы создает полный профиль резьбы сверху вниз. [11]
При формовочном фрезеровании используется фреза с одной или несколькими формами. В одном из вариантов фасонного фрезерования однопрофильная фреза наклоняется под углом винтовой линии резьбы и затем подается радиально в заготовку. Затем заготовка медленно вращается, поскольку резец точно перемещается вдоль оси заготовки, что врезает нить в заготовку. Это можно сделать за один проход, если фреза подается на всю глубину резьбы, или за два прохода, причем первый не на полную глубину резьбы. Этот процесс в основном используется для резьбы размером более 1,5 дюйма (38 мм). Обычно он используется для нарезания резьбы с большим или несколькими заходами. Существует аналогичный вариант с использованием фрезы многократной формы, в котором процесс нарезания резьбы завершается за один оборот вокруг заготовки. Фреза должна быть длиннее желаемой длины резьбы. Использование фрезы с несколькими формами выполняется быстрее, чем использование фрезы с одной формой, но оно ограничено резьбой с углом винтовой линии менее 3°. Он также ограничен заготовками значительного диаметра и длиной не более 2 дюймов (51 мм). [12]
Другой вариант фасонного фрезерования предполагает удержание оси фрезы ортогонально (без наклона к углу винтовой линии резьбы) и подачу фрезы по траектории, которая будет формировать резьбу. [13] Деталь обычно представляет собой неподвижную заготовку, например выступ на корпусе клапана (при фрезеровании наружной резьбы) или отверстие в пластине или блоке (при фрезеровании внутренней резьбы). В этом типе резьбофрезерования используется по существу та же концепция, что и при контурной обработке концевой или сферической фрезой, но фреза и траектория инструмента расположены специально для определения «контура» резьбы. Траектория инструмента достигается либо с помощью винтовой интерполяции (которая представляет собой круговую интерполяцию в одной плоскости [обычно XY] с одновременной линейной интерполяцией вдоль третьей оси [обычно Z]; модель управления ЧПУ должна поддерживать использование третьей оси) [13 ] или его моделирование с использованием чрезвычайно малых приращений 3-осевой линейной интерполяции (которую непрактично программировать вручную, но можно легко запрограммировать с помощью программного обеспечения CAD/CAM). [14] Геометрия фрезы отражает шаг резьбы, но не ее ход; шаг (угол спирали резьбы) определяется траекторией инструмента. [15] Коническую резьбу можно нарезать либо конической фрезой многократной формы, которая нарезает резьбу за один оборот с использованием винтовой интерполяции, [16] либо прямой или конической фрезой (одной или многократной формы), траектория инструмента которой равна одной или более оборотов, но не может использовать винтовую интерполяцию и должен использовать программное обеспечение CAD/CAM для создания контурного моделирования винтовой интерполяции. [16]
Инструмент, используемый для фрезерования резьбы, может быть цельным или сменным. Для внутренней резьбы цельные фрезы обычно ограничиваются отверстиями диаметром более 6 мм (0,24 дюйма), [15] , а инструменты для нарезания внутренней резьбы со сменными пластинами ограничены отверстиями размером более 12 мм (0,47 дюйма). Преимущество состоит в том, что когда вставка изнашивается, ее можно легко и с меньшими затратами заменить. Недостатком является то, что время цикла обычно больше, чем у цельных инструментов. Обратите внимание, что инструменты для нарезания цельной многообразной резьбы внешне похожи на метчики, но отличаются тем, что режущий инструмент не имеет обратного конуса и заходной фаски. Отсутствие входной фаски позволяет формировать резьбу в пределах одного шага от дна глухого отверстия. [17]
Нарезание — это процесс нарезания и сверления ( осуществляемый в обратном порядке) внутренней резьбы с помощью специализированного режущего инструмента на фрезерном станке с ЧПУ. Наконечник режущего инструмента имеет форму сверла или концевой фрезы с центральным сечением, а корпус имеет резьбовую форму с формой зенковки возле хвостовика. Сначала фреза погружается, чтобы просверлить отверстие. Затем резьба интерполируется по кругу, как и в случае с многоформовой фрезой, описанной выше. Этот инструмент сверлит, снимает фаски и нарезает резьбу в одном компактном цикле. [18] Преимущество этого процесса заключается в том, что этот процесс исключает необходимость замены инструмента, держателя инструмента и инструмента. Недостаток заключается в том, что процесс ограничен глубиной отверстия, не превышающей трехкратный диаметр инструмента. [19]
В 2010-х годах был разработан метод винтовой протяжки , который сокращает траекторию нарезания резьбы. Для стороннего наблюдателя (без замедленного движения ) это выглядит очень похоже на традиционное постукивание, но с более быстрым движением в отверстие и из него. Он использует особую геометрию инструмента и траекторию инструмента для быстрого позиционирования, протягивания резьбы за один пол-оборота, а затем быстрого отвода, сокращая время цикла и потребляя меньше энергии. [20] Это снижает стоимость нарезания резьбы в любых отверстиях, в которых можно безопасно оставить две небольшие канавки для быстрой спирали, которые остаются вместе с резьбой, что может быть справедливо во многих случаях.
Шлифование резьбы производится на шлифовальном станке с использованием специально заточенных шлифовальных кругов , соответствующих форме резьбы. Этот процесс обычно используется для изготовления точных резьб или резьб из твердых материалов; обычное применение - шарико-винтовые механизмы. [ нужна цитация ] Существует три типа: центральное шлифование с осевой подачей , центральное шлифование резьбы с подачей и бесцентровое шлифование резьбы . Центровое шлифование с осевой подачей является наиболее распространенным из трех. Это похоже на нарезание резьбы на токарном станке одноточечным режущим инструментом , за исключением того, что режущий инструмент заменяется шлифовальным кругом. Обычно используется колесо с одним ребром, хотя доступны также колеса с несколькими ребрами. Для завершения резьбы обычно требуется несколько проходов. Для шлифования резьбы с центральной подачей используется шлифовальный круг с несколькими ребрами, длина которого превышает длину желаемой резьбы. Сначала шлифовальный круг подается в заготовку на всю глубину резьбы. Затем заготовку медленно поворачивают примерно на 1,5 оборота, перемещая в осевом направлении на один шаг за оборот. Наконец, процесс бесцентрового шлифования резьбы используется для изготовления установочных винтов без головки аналогично методу бесцентрового шлифования . Заготовки из бункера подаются на шлифовальные круги, где резьба полностью формируется. Обычная производительность бесцентрового шлифования резьбы составляет от 60 до 70 деталей в минуту для установочного винта длиной 0,5 дюйма (13 мм). [19]
В редких случаях за нарезанием или шлифовкой резьбы (обычно последней) следует притирка резьбы , чтобы добиться максимально достижимой точности и качества поверхности. Это практика инструментального цеха , когда требуется высочайшая точность, которая используется редко, за исключением ходовых или шариковых винтов высокотехнологичных станков.
Внутреннюю резьбу можно обрабатывать электроэрозионной обработкой (EDM) в твердых материалах с использованием станка с грузилом.
Формование резьбы и накатывание резьбы — это процессы формирования , а не нарезания резьбы, причем первый относится к созданию внутренней резьбы, а второй — внешней. В обоих этих процессах резьба формируется в заготовку путем прижатия к заготовке фигурного инструмента, обычно называемого «резьбонакатным штампом», в процессе, аналогичном накатыванию . Эти процессы используются для крупных производственных циклов, поскольку типичная производительность составляет около одной детали в секунду. При формовке и прокатке не образуется стружка , и требуется меньше материала, поскольку размер заготовки изначально меньше, чем заготовка, необходимая для нарезания резьбы; Обычно экономия материала в заготовке составляет от 15 до 20% по весу. [19] Накатанную резьбу можно легко распознать на крепежных изделиях, изготовленных из незакрепленной заготовки, поскольку диаметр резьбы больше, чем у стержня-заготовки, из которого она изготовлена; однако шейки и подрезы можно нарезать или накатывать на заготовки с ненакатанной резьбой, а некоторые крепежные изделия изготавливают из заготовок с уменьшенным хвостовиком в зоне накатки для сохранения постоянного большого диаметра от резьбы до ненарезанного хвостовика. Если концевая резьба катаной застежки не обращена друг к другу, она имеет чашеобразный конец, поскольку излишки материала в суживающихся конечных резьбах равномерно сжимаются на конце заготовки. [3]
Материалы ограничены пластичными материалами, поскольку резьбы изготавливаются методом холодной штамповки . Однако это увеличивает предел текучести резьбы, чистоту поверхности, твердость , износостойкость [19] и усталостную прочность за счет соответствия зерна профилю резьбы. Также для прокатки необходимы материалы с хорошими деформационными характеристиками; эти материалы включают более мягкие (более пластичные) металлы и исключают хрупкие материалы, такие как чугун . Допуски обычно составляют ±0,001 дюйма (±0,025 мм), но достижимы допуски до ±0,0006 дюйма (±0,015 мм). Поверхностная обработка варьируется от 6 до 32 микродюймов. [21]
Существует четыре основных типа накатки резьбы, названные в честь конфигурации матриц : плоские , цилиндрические с двумя матрицами , цилиндрические с тремя матрицами и планетарные . Система плоской матрицы имеет две плоские матрицы. Нижний удерживается неподвижно, а другой скользит. Заготовка помещается на один конец неподвижной матрицы, а затем движущаяся матрица скользит по заготовке, в результате чего заготовка катится между двумя матрицами, образуя резьбу. Прежде чем подвижная матрица достигнет конца своего хода, заготовка скатывается с неподвижной матрицы в готовом виде. Цилиндрический процесс с двумя матрицами используется для изготовления резьб диаметром до 6 дюймов (150 мм) и длиной до 20 дюймов (510 мм). Существует два типа трехматрицных процессов; в первом три матрицы перемещаются радиально от центра, позволяя заготовке войти в матрицы, а затем закрываются и вращаются, чтобы намотать нити. Этот тип процесса обычно применяется на револьверных токарных станках и винтовых станках . Второй тип имеет форму самооткрывающейся головки . Этот тип более распространен, чем первый, но его ограничения ограничены невозможностью образовать последние 1,5–2 нити на плечах. Планетарные матрицы используются для массового производства резьбы диаметром до 1 дюйма (25 мм). [5] [19]
Формирование резьбы осуществляется с помощьюбезфлейтовый кран , илирулонный метчик ,[22]который очень напоминает режущий метчик без канавок.располагаютсялепестки, которые фактически формируют резьбу, когда метчик продвигается в отверстие подходящего размера. Поскольку метчик не образует стружки, нет необходимости периодически откручивать метчик для очистки стружки, которая при резке метчика может заклинить и сломать метчик. Таким образом, нарезание резьбы особенно подходит для нарезания резьбы в глухих отверстиях, которые сложнее нарезать метчиком из-за скопления стружки в отверстии. Обратите внимание, что размер сверла для метчика отличается от размера, используемого для метчика, и что требуется точный размер отверстия, поскольку отверстие немного меньшего размера может сломать метчик. Правильная смазка имеет важное значение из-засил трения, поэтому вместо смазочно-жидкостииспользуетсясмазочное масло.[2][5]
При рассмотрении допуска на диаметр заготовки изменение диаметра заготовки повлияет на основной диаметр примерно в соотношении 3 к 1. Скорость производства обычно в три-пять раз выше, чем нарезание резьбы. [ нужна цитата ]
При литье и формовании резьба формируется непосредственно в зависимости от геометрии полости формы в форме или штампе . Когда материал замерзает в форме, он сохраняет форму после удаления формы. Материал нагревают до жидкого состояния или смешивают с жидкостью, которая либо высыхает, либо затвердевает (например, гипс или цемент). Альтернативно, материал можно залить в форму в виде порошка и спрессовать в твердое вещество, как графит .
Хотя первые мысли, которые приходят на ум большинству станочников относительно нарезания резьбы, связаны с процессами нарезания резьбы (такими как нарезание резьбы, одноточечное или винтовое фрезерование), Смид отмечает, что, когда пластиковые бутылки для продуктов питания, напитков, средств личной гигиены и Если рассматривать другие потребительские товары, то на самом деле именно формование пластмассы является основным методом (по объему) производства нитей в современном производстве. [23] Конечно, этот факт подчеркивает важность правильного изготовления формы (при подготовке к миллионам циклов, обычно на высокой скорости) .
Литая резьба в металлических деталях может быть обработана механической обработкой или оставлена в литом состоянии. (То же самое можно сказать и о литых зубьях шестерни .) Стоит ли беспокоиться о дополнительных расходах на операцию механической обработки, зависит от применения. Для деталей, для которых повышенная точность и чистота поверхности не являются строго необходимыми, механическая обработка не требуется, чтобы снизить стоимость. Для деталей , отлитых в песчаную форму , это означает довольно грубую обработку; но с формованным пластиком или литым под давлением металлом резьба может быть действительно очень красивой прямо из формы или штампа. Типичным примером формованных пластиковых нитей являются бутылки из-под газировки. Типичным примером литой резьбы являются кабельные вводы (разъемы/фитинги).
Многие, а возможно и большинство, резьбовых деталей потенциально могут быть созданы с помощью аддитивного производства ( 3D-печати ), существует множество вариантов которого, включая моделирование наплавлением , селективное лазерное спекание , прямое лазерное спекание металла , селективное лазерное плавление , электронно-лучевое плавление , послойное изготовление предметов и стереолитография . Для большинства аддитивных технологий прошло совсем немного времени с тех пор, как они вышли из лабораторного завершения своего исторического развития, но дальнейшая коммерциализация набирает скорость. На сегодняшний день большинство аддитивных методов, как правило, обеспечивают шероховатую поверхность и имеют тенденцию быть ограниченными в свойствах материала , которые они могут производить, и, таким образом, их первые коммерческие победы были достигнуты в тех частях, для которых эти ограничения были приемлемы. Однако возможности постоянно растут.
Хорошие примеры резьбовых деталей, изготовленных с помощью аддитивного производства, можно найти в области зубных имплантатов и костных винтов , где селективное лазерное спекание и селективное лазерное плавление позволили получить титановые имплантаты с резьбой.
Часто субтрактивные, аддитивные, деформирующие или преобразующие методы комбинируются любым удобным способом. Такое многопрофильное производство подпадает под такие классификации, как быстрое прототипирование , настольное производство , прямое производство , прямое цифровое производство , цифровое производство , мгновенное производство или производство по требованию .
Проверка готовой винтовой резьбы может осуществляться различными способами, причем стоимость метода адаптирована к требованиям применения продукта. Проверка резьбы в цеху часто так же проста, как накручивание на нее гайки (для наружной резьбы) или болта (для внутренней резьбы). Этого вполне достаточно для многих приложений (например, ремонта и ремонта или любительской работы), хотя для большинства коммерческих производств этого недостаточно. Методы более высокой точности обсуждаются ниже.
Проверка винтовой резьбы коммерческого уровня может включать в себя большинство тех же методов и инструментов проверки, которые используются для проверки других промышленных изделий, таких как микрометры ; штангенциркуль или штангенциркуль ; поверхностные плиты и высотомеры ; измерительные блоки ; оптические компараторы ; сканеры белого света ; и координатно-измерительные машины (КИМ). Даже промышленная рентгенография (включая промышленную компьютерную томографию ) может использоваться, например, для проверки геометрии внутренней резьбы так же, как оптический компаратор может проверять геометрию внешней резьбы.
Конические микрометрические наковальни, специально предназначенные для опирания на боковые стороны резьбы, изготавливаются для различных углов резьбы , наиболее распространенным из которых является 60°. Микрофоны с такими наковальнями обычно называют «резьбовыми микрофонами» или «микрофонами основного тона» (поскольку они непосредственно измеряют диаметр основного тона). Пользователи, у которых нет резьбовых микрофонов, вместо этого полагаются на «3-проводной метод», который включает размещение 3 коротких отрезков провода (или калибрующих штифтов ) известного диаметра в впадинах резьбы, а затем измерение от провода к проводу стандартными (плоскими) проводами. наковальни. Коэффициент преобразования (полученный путем простого тригонометрического расчета) затем умножается на измеренное значение, чтобы получить измерение среднего диаметра резьбы . Таблицы этих коэффициентов пересчета были созданы много десятилетий назад для всех стандартных размеров резьбы, поэтому сегодня пользователю нужно только провести измерение, а затем выполнить поиск в таблице (а не каждый раз пересчитывать). Трехпроводной метод также используется, когда необходима высокая точность для проверки определенного диаметра, обычно делительного диаметра, или для специальной резьбы, такой как многозаходная, или когда угол резьбы не равен 60 °. Аналогичным образом можно использовать сферические наковальни для микрометров (те же тригонометрические соотношения, менее громоздко в использовании). Цифровые штангенциркули и микрометры могут отправлять каждое измерение (точку данных) по мере его возникновения в хранилище или программное обеспечение через интерфейс (например, USB или RS-232 ), и в этом случае поиск в таблице выполняется автоматически , а обеспечение качества и качества Контроль может быть достигнут с помощью статистического контроля процесса .
Каждый метод генерации потоков имеет свою подробную историю. Поэтому всестороннее обсуждение выходит за рамки данной статьи; но много исторической информации доступно в соответствующих статьях, в том числе:
Первый патент на холодную накатку резьбы был выдан в 1836 году Уильяму Кину из Монро, штат Нью-Йорк [24] [25] . Однако штампы для накатки резьбы на заготовки винтов были изготовлены из чугуна, который является хрупким, поэтому машина не удалась. Процесс томился до 1867 года, когда Харви Дж. Харвуд из Ютики, штат Нью-Йорк, подал патент на холодное накатывание резьбы на шурупах для дерева. [26] Последовали дальнейшие попытки холодной накатки резьбы на винтах, [27] но ни одна из них, похоже, не увенчалась большим успехом, пока Хейворд Огастас Харви (1824-1893) из Оринджа, штат Нью-Джерси, не подал свои патенты в 1880 и 1881 годах. [28] Чарльз Д. Роджерс из компании American Screw Co. из Провиденса, Род-Айленд, внес дальнейшие усовершенствования в процесс накатывания резьбы на винты. [29]
СМИ, связанные с многопоточностью, на Викискладе?