В производстве резьба — это процесс создания винтовой резьбы . Каждый год производится больше винтовых резьб, чем любых других элементов машин . [1] Существует много методов создания резьбы, включая субтрактивные методы (многие виды нарезания и шлифования резьбы, как подробно описано ниже); деформационные или преобразующие методы (прокатка и формовка; формовка и литье); аддитивные методы (например, 3D-печать ); или их комбинации.
Существуют различные методы создания резьбы. Метод для любого приложения выбирается на основе ограничений — времени, денег, необходимой (или ненужной) степени точности, имеющегося оборудования, покупки какого оборудования могут быть оправданы на основе итоговой цены за единицу резьбовой детали (которая зависит от того, сколько деталей планируется) и т. д.
В целом, определенные процессы создания резьбы, как правило, попадают в определенные части спектра от деталей, изготовленных в инструментальном цехе , до деталей массового производства, хотя может быть и значительное совпадение. Например, притирка резьбы после шлифования резьбы попадет только на крайний конец инструментального цеха спектра, в то время как накатка резьбы является большой и разнообразной областью практики, которая используется для всего, от ходовых винтов микротокарных станков (довольно дорогих и очень точных) до самых дешевых винтов для палубы (очень доступных и с избыточной точностью).
Резьба металлических крепежей обычно создается на резьбонакатном станке. Она также может быть нарезана токарным станком , метчиком или плашкой . Накатанная резьба прочнее нарезанной, с увеличением прочности на разрыв на 10–20% и, возможно, еще большим сопротивлением усталости и износостойкостью. [2] [3]
Резьбофрезерование обеспечивает лучшее качество резьбы, чем нарезание резьбы, поскольку обеспечивает лучшую эвакуацию стружки. При нарезании резьбы используется инструмент того же размера, что и резьба, который проталкивает стружку через резьбу для эвакуации. [4]
Нарезание резьбы, в отличие от формирования и накатки резьбы, применяется, когда требуется полная глубина резьбы, когда количество мало, когда заготовка не очень точная, 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 стружку , которую они создают. Ручной метчик не может нарезать резьбу за один оборот, потому что он создает длинную стружку, которая быстро заклинивает метчик (эффект, известный как «забивание» [ требуется цитата ] ), что может привести к его поломке. Поэтому при ручной нарезке резьбы обычно используют гаечный ключ, чтобы нарезать резьбу на 1/2–2/3 оборота (поворот на 180–240 градусов), затем реверсируют метчик примерно на 1/6 оборота (60 градусов), пока стружка не будет сломана задними кромками резцов. Может потребоваться периодически вынимать метчик из отверстия, чтобы очистить стружку, особенно при нарезании резьбы в глухом отверстии.
Для непрерывной нарезки резьбы (т. е. механической нарезки резьбы) используются специальные спиральные или «пистолетные» метчики, которые выталкивают стружку и предотвращают ее скопление.
Одноточечное нарезание резьбы , также в разговорной речи называемое одноточечным (или просто нарезанием резьбы , когда контекст подразумевается), представляет собой операцию, которая использует одноточечный инструмент для создания формы резьбы на цилиндре или конусе. Инструмент движется линейно, в то время как точное вращение заготовки определяет ход резьбы . Процесс может быть выполнен для создания внешней или внутренней резьбы (наружной или внутренней). При нарезании внешней резьбы деталь может либо удерживаться в патроне , либо устанавливаться между двумя центрами . При нарезании внутренней резьбы деталь удерживается в патроне. Инструмент перемещается по детали линейно, снимая стружку с заготовки с каждым проходом. Обычно 5-7 легких резов создают правильную глубину резьбы. [6]
Координация различных элементов станка, включая ходовой винт , суппорт и сменные шестерни, стала технологическим достижением, позволившим изобрести токарно -винторезный станок , который положил начало одноточечной резьбе в том виде, в каком мы ее знаем сегодня.
Сегодня для одноточечной нарезки резьбы обычно используются токарные станки и токарные станки с ЧПУ . На станках с ЧПУ этот процесс быстрый и простой (по сравнению с ручным управлением) благодаря способности станка постоянно отслеживать взаимосвязь положения инструмента и шпинделя (называемой «синхронизацией шпинделя»). Программное обеспечение ЧПУ включает «стандартные циклы», то есть предварительно запрограммированные подпрограммы, которые устраняют ручное программирование цикла одноточечной нарезки резьбы. [7] Вводятся параметры (например, размер резьбы, смещение инструмента, длина резьбы), а станок делает все остальное.
Всю резьбу можно было бы нарезать с помощью одноточечного инструмента, но из-за высокой скорости и, следовательно, низкой себестоимости других методов (например, нарезание резьбы метчиком, нарезание резьбы плашкой, накатка и формовка резьбы) одноточечная резьба обычно используется только тогда, когда другие факторы производственного процесса благоприятствуют этому (например, если нужно сделать всего несколько резьб, [8] если требуется необычная или уникальная резьба, [8] или если требуется очень высокая концентричность с другими элементами детали, обрабатываемыми во время той же установки. [9] ).
Резьбу можно фрезеровать вращающейся фрезой , если можно организовать правильную спиральную траекторию инструмента. Раньше это делалось механически и подходило для массового производства, хотя и нечасто встречалось в цеховых работах. С широким распространением доступных, быстрых и точных ЧПУ это стало гораздо более распространенным, и сегодня внутренняя и внешняя резьба часто фрезеруется даже на работах, где раньше ее нарезали метчиками, резьбонарезными головками или одноточечными резцами. Некоторые преимущества резьбофрезерования по сравнению с одноточечными резцами или метчиками и плашками заключаются в более быстром времени цикла, меньшей поломке инструмента и в том, что левая или правая резьба может быть создана одним и тем же инструментом. [10] Кроме того, для больших, неудобных заготовок (например, отливки пожарного гидранта ) проще просто оставить заготовку неподвижно на столе, пока все необходимые операции по обработке выполняются с помощью вращающихся инструментов, а не устанавливать ее для вращения вокруг оси каждого набора резьбы (то есть для «рукояток» и «горловины» гидранта).
Существуют различные виды резьбофрезерования, в том числе несколько вариантов фасонного фрезерования , а также сочетание сверления и нарезания резьбы одним резцом, называемое фрезерованием .
Одним из главных преимуществ по сравнению с нарезанием резьбы является то, что нарезание резьбы начинает создавать полный профиль резьбы только на третьем витке, тогда как резьбофрезерование создает полный профиль резьбы сверху донизу. [11]
При фасонном фрезеровании используется одно- или многозаходная фреза. В одном из вариантов фасонного фрезерования однозаходная фреза наклоняется до угла наклона резьбы и затем подается радиально в заготовку. Затем заготовка медленно вращается, пока фреза точно перемещается вдоль оси заготовки, что нарезает резьбу на заготовке. Это можно сделать за один проход, если фреза подается на полную глубину резьбы, или за два прохода, причем первый проход не будет 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 большим шагом. Существует аналогичный вариант с использованием многозаходной фрезы, в котором процесс завершает резьбу за один оборот вокруг заготовки. Фреза должна быть длиннее желаемой длины резьбы. Использование многозаходной фрезы быстрее, чем использование однозаходной фрезы, но оно ограничено резьбой с углом наклона резьбы менее 3°. Он также ограничен заготовками значительного диаметра и длиной не более 2 дюймов (51 мм). [12]
Другой вариант фрезерования формы включает в себя удержание оси фрезы ортогонально (без наклона к углу винтовой линии резьбы) и подачу фрезы по траектории инструмента, которая будет генерировать резьбу. [13] Деталь обычно представляет собой неподвижную заготовку, такую как бобышка на корпусе клапана (при фрезеровании внешней резьбы) или отверстие в пластине или блоке (при фрезеровании внутренней резьбы). Этот тип фрезерования резьбы использует по сути ту же концепцию, что и контурная обработка концевой или шаровой 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] , либо ее имитацией с использованием чрезвычайно малых приращений линейной интерполяции по 3 осям (что непрактично для ручного программирования, но может быть легко запрограммировано с помощью программного обеспечения CAD/CAM). [14] Геометрия фрезы отражает шаг резьбы, но не ее ход; ход (угол подъема винтовой линии резьбы) определяется траекторией инструмента. [15] Конические резьбы можно нарезать либо конической многопрофильной фрезой, которая завершает резьбу за один оборот с использованием винтовой интерполяции, [16] либо прямой или конической фрезой (одно- или многопрофильной), траектория инструмента которой составляет один или несколько оборотов, но не может использовать винтовую интерполяцию и должна использовать программное обеспечение CAD/CAM для создания контурной имитации винтовой интерполяции. [16]
Инструмент, используемый для резьбофрезерования, может быть цельным или индексируемым. Для внутренней резьбы цельные фрезы, как правило, ограничены отверстиями размером более 6 мм (0,24 дюйма), [15] а индексируемые инструменты для нарезания внутренней резьбы ограничены отверстиями размером более 12 мм (0,47 дюйма). Преимущество заключается в том, что когда вставка изнашивается, ее можно легко и более эффективно заменить. Недостатком является то, что время цикла, как правило, больше, чем у цельных инструментов. Обратите внимание, что цельные многопрофильные инструменты для нарезания резьбы похожи на метчики, но они отличаются тем, что режущий инструмент не имеет обратного конуса и входной фаски. Отсутствие входной фаски позволяет формировать резьбу в пределах одной длины шага от дна глухого отверстия. [17]
Захватывающим является процесс нарезания резьбы и сверления (выполняемый в обратном порядке) внутренней резьбы с использованием специализированного режущего инструмента на фрезерном станке с ЧПУ. Наконечник режущего инструмента имеет форму сверла или центрорежущей концевой фрезы, в то время как корпус имеет форму резьбы с формой зенковки возле хвостовика. Фреза сначала погружается, чтобы просверлить отверстие. Затем резьба кругообразно интерполируется так же, как и многопрофильная фреза, описанная выше. Этот инструмент сверлит, снимает фаску и нарезает резьбу в отверстии за один компактный цикл. [18] Преимущество в том, что этот процесс исключает инструмент, держатель инструмента и смену инструмента. Недостатком является то, что процесс ограничен глубиной отверстия, не превышающей трехкратный диаметр инструмента. [19]
Метод спиральной протяжки был разработан в 2010-х годах, что сокращает траекторию инструмента для нарезания резьбы. Для стороннего наблюдателя (без замедленного движения ) это выглядит довольно похоже на традиционную нарезку резьбы, но с более быстрым движением в отверстие и из него. Он использует определенную геометрию инструмента и траекторию инструмента для быстрого позиционирования, протяжки резьбы за один полуоборот, а затем быстрого отвода, сокращая время цикла и потребляя меньше энергии. [20] Он снижает стоимость нарезания резьбы для любых отверстий, которые могут безопасно позволить две небольшие канавки с быстрой спиралью, которые он оставляет после себя вместе с резьбой, что может быть верно во многих приложениях.
Резьбошлифование выполняется на шлифовальном станке с использованием специально заточенных шлифовальных кругов, соответствующих форме резьбы. Этот процесс обычно используется для получения точной резьбы или резьбы в твердых материалах; обычное применение - шарико-винтовые механизмы. [ требуется ссылка ] Существует три типа: шлифование центровым типом с осевой подачей , шлифование резьбы центровым типом с врезной подачей и бесцентровое шлифование резьбы . Шлифование центровым типом с осевой подачей является наиболее распространенным из трех. Это похоже на нарезание резьбы на токарном станке с одноточечным режущим инструментом , за исключением того, что режущий инструмент заменяется шлифовальным кругом. Обычно используется один ребристый круг, хотя доступны также многоребристые круги. Для завершения резьбы обычно требуется несколько проходов. Шлифование резьбы центровым типом с врезной подачей использует шлифовальный круг с несколькими ребрами, который длиннее, чем длина желаемой резьбы. Сначала шлифовальный круг подается в заготовку на полную глубину резьбы. Затем заготовка медленно вращается примерно на 1,5 оборота, продвигаясь в осевом направлении на один шаг за оборот. Наконец, процесс бесцентрового шлифования резьбы используется для изготовления винтов без головки, аналогично бесцентровому шлифованию . Заготовки подаются через бункер на шлифовальные круги, где резьба полностью формируется. Обычные темпы производства бесцентрового шлифования резьбы составляют от 60 до 70 штук в минуту для винта длиной 0,5 дюйма (13 мм). [19]
Редко, за нарезанием резьбы или шлифованием (обычно последнее) следует притирка резьбы для достижения максимально возможной точности и чистоты поверхности. Это инструментальная практика, когда требуется максимальная точность, применяется редко, за исключением ходовых винтов или шариковых винтов высококлассных станков.
Внутреннюю резьбу можно нарезать на электроэрозионной обработке (ЭЭО) в твердых материалах с помощью копировально-прошивного станка.
Формовка резьбы и накатка резьбы являются процессами формирования , а не нарезания резьбы, причем первый относится к созданию внутренней резьбы, а второй - внешней резьбы. В обоих этих процессах резьба формируется в заготовку путем прижатия формованного инструмента, обычно называемого «резьбонакатной плашкой», к заготовке в процессе, похожем на накатку . Эти процессы используются для крупных производственных циклов, поскольку типичная скорость производства составляет около одной детали в секунду. Формовка и накатка не производят стружку , и требуется меньше материала, поскольку размер заготовки изначально меньше, чем размер заготовки, необходимой для нарезания резьбы; обычно экономия материала в заготовке составляет от 15 до 20 % по весу. [19] Накатанную резьбу можно легко распознать на крепежных изделиях, которые были сформированы из необработанной заготовки, поскольку диаметр резьбы больше диаметра стержня заготовки, из которого она была сделана; Однако шейки и поднутрения могут быть вырезаны или накатаны на заготовки с резьбой, которая не накатана, и некоторые крепежные элементы изготавливаются из заготовок с уменьшенным стержнем в области, которая должна быть накатана, чтобы поддерживать постоянный главный диаметр от резьбы до ненарезанного стержня. Если не обтачивать, конечные резьбы накатанного крепежа имеют чашеобразный конец, так как излишек материала в сужающихся вниз конечных резьбах равномерно сжимается по концу заготовки. [3]
Материалы ограничены пластичными материалами, поскольку резьба подвергается холодной формовке . Однако это увеличивает предел текучести резьбы, отделку поверхности, твердость , износостойкость [19] и усталостную прочность из-за соответствия зерна профилю резьбы. Кроме того, 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, такие как ±0,0006 дюйма (±0,015 мм). Отделка поверхности варьируется от 6 до 32 микродюймов. [21]
Существует четыре основных типа накатки резьбы, названных в честь конфигурации плашек : плоские плашки , двухплунжерные цилиндрические плашки , трехплунжерные цилиндрические плашки и планетарные плашки . Система плоских плашек имеет две плоские плашки. Нижняя из них удерживается неподвижно, а другая скользит. Заготовка помещается на один конец неподвижной плашки, а затем подвижная плашка скользит по заготовке, что заставляет заготовку катиться между двумя плашками, образуя резьбу. Прежде чем подвижная плашка достигнет конца своего хода, заготовка скатывается с неподвижной плашки в готовой форме. Процесс с двумя плашками цилиндрической формы используется для производства резьбы диаметром до 6 дюймов (150 мм) и длиной 20 дюймов (510 мм). Существует два типа процессов с тремя плашками; в первом случае три плашки движутся радиально от центра, чтобы заготовка вошла в плашки, а затем закрываются и вращаются для накатки резьбы. Этот тип процесса обычно используется на револьверных станках и токарно-винторезных станках . Второй тип имеет форму самораскрывающейся головки . Этот тип более распространен, чем первый, но ограничен тем, что не может сформировать последние 1,5–2 нити против плеч. Планетарные плашки используются для массового производства резьбы диаметром до 1 дюйма (25 мм). [5] [19]
Формирование резьбы осуществляется с помощьюбез флейтового крана илиМетчик роликовый [22],который очень похож на метчик без канавок.выступы, которые фактически формируют резьбу, когда метчик продвигается в отверстие нужного размера. Поскольку метчик не производит стружку, нет необходимости периодически отводить метчик назад, чтобы убрать стружку, которая в метчике может заклинить и сломать метчик. Таким образом, формирование 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 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, поэтомувместосмазочномасла используется смазочное 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 при нарезании резьбы. [ необходима цитата ]
При литье и формовке нити формируются непосредственно геометрией полости формы в форме или штампе . Когда материал застывает в форме, он сохраняет форму после удаления формы. Материал нагревается до жидкого состояния или смешивается с жидкостью, которая либо высохнет, либо затвердеет (например, гипс или цемент). В качестве альтернативы материал может быть запрессован в форму в виде порошка и спрессован в твердое тело, как в случае с графитом .
Хотя первые мысли, которые приходят на ум большинству станочников относительно резьбонарезания, связаны с процессами нарезания резьбы (такими как нарезание резьбы, одноточечное нарезание резьбы или винтовое фрезерование), Смид отмечает, что когда рассматриваются пластиковые бутылки для продуктов питания, напитков, средств личной гигиены и других потребительских товаров, то на самом деле именно формование пластика является основным методом (по чистому объему) создания резьбы в современном производстве. [23] Конечно, этот факт подчеркивает важность того, чтобы изготовители форм правильно изготовили форму (в преддверии миллионов циклов, обычно на высокой скорости).
Литые резьбы в металлических деталях могут быть обработаны на станке или оставлены в литом состоянии. (То же самое можно сказать и о литых зубьях шестерен .) Стоит ли беспокоиться о дополнительных расходах на операцию механической обработки, зависит от области применения. Для деталей, где дополнительная точность и отделка поверхности не являются строго необходимыми, обработка на станке не производится, чтобы снизить стоимость. Для деталей, отлитых в песчаные формы , это означает довольно грубую отделку; но в случае с формованным пластиком или литым под давлением металлом резьба может быть действительно очень хорошей прямо из формы или штампа. Типичным примером формованной пластиковой резьбы являются бутылки из-под газировки. Типичным примером литой резьбы являются кабельные вводы (разъемы/фитинги).
Многие, возможно, большинство, резьбовых деталей могут быть созданы с помощью аддитивного производства ( 3D-печати ), из которых существует множество вариантов, включая моделирование методом наплавления , селективное лазерное спекание , прямое лазерное спекание металла , селективную лазерную плавку , электронно-лучевую плавку , производство многослойных объектов и стереолитографию . Для большинства аддитивных технологий не прошло много времени с тех пор, как они вышли из лабораторного конца своего исторического развития, но дальнейшая коммерциализация набирает скорость. На сегодняшний день большинство аддитивных методов, как правило, производят грубую отделку поверхности и, как правило, ограничены в свойствах материала , которые они могут производить, и, таким образом, их самые ранние коммерческие победы были в деталях, для которых эти ограничения были приемлемы. Однако возможности постоянно растут.
Хорошие примеры резьбовых деталей, изготовленных с помощью аддитивного производства, можно найти в области дентальных имплантатов и костных винтов , где селективное лазерное спекание и селективное лазерное плавление позволили получить резьбовые титановые имплантаты.
Часто субтрактивные, аддитивные, деформационные или преобразующие методы комбинируются любыми способами, которые выгодны. Такое многопрофильное производство подпадает под классификации, включая быстрое прототипирование , настольное производство , прямое производство , прямое цифровое производство , цифровое изготовление , мгновенное производство или производство по требованию .
Проверка готовой резьбы может быть выполнена различными способами, при этом стоимость метода подбирается в соответствии с требованиями применения продукта. Проверка резьбы в цехе часто так же проста, как навинчивание на нее гайки (для наружной резьбы) или болта (для внутренней резьбы). Этого вполне достаточно для многих применений (например, MRO или любительской работы), хотя этого недостаточно для большинства коммерческих производств. Ниже обсуждаются методы более высокой точности.
Коммерческий контроль резьбы винта может включать большинство тех же методов контроля и инструментов, которые используются для контроля других промышленных изделий, таких как микрометры ; штангенциркули с нониусом или циферблатом ; поверхностные пластины и высотомеры ; калибровочные блоки ; оптические компараторы ; сканеры белого света ; и координатно-измерительные машины (КИМ). Даже промышленная радиография (включая промышленную компьютерную томографию ) может использоваться, например, для контроля геометрии внутренней резьбы таким же образом, как оптический компаратор может контролировать геометрию внешней резьбы.
Конические микрометрические наковальни, специально предназначенные для опоры на стороны резьбы, изготавливаются для различных углов резьбы , наиболее распространенным из которых является 60°. Микрофоны с такими наковальнями обычно называют «резьбовыми микрофонами» или «шаговыми микрофонами» (потому что они напрямую измеряют диаметр шага). Пользователи, у которых нет резьбовых микрофонов, вместо этого полагаются на «метод 3 проводов», который заключается в размещении 3 коротких кусков проволоки (или штифтов калибра ) известного диаметра в углублениях резьбы, а затем измерении от провода к проводу с помощью стандартных (плоских) наковален. Затем коэффициент преобразования (полученный путем простого тригонометрического расчета) умножается на измеренное значение, чтобы вывести измерение шагового диаметра резьбы . Таблицы этих коэффициентов преобразования были созданы много десятилетий назад для всех стандартных размеров резьбы, поэтому сегодня пользователю нужно только выполнить измерение, а затем выполнить поиск по таблице (в отличие от повторного расчета каждый раз). Метод 3-проводной также используется, когда требуется высокая точность для проверки определенного диаметра, обычно диаметра шага, или на специальных резьбах, таких как многозаходные, или когда угол резьбы не составляет 60°. Шаровидные наковальни микрометра могут использоваться аналогичным образом (то же тригонометрическое соотношение, менее громоздкие 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 ), в этом случае просмотр таблицы выполняется автоматически , а обеспечение качества и контроль качества могут быть достигнуты с помощью статистического управления процессом .
Каждый метод генерации потоков имеет свою собственную подробную историю. Поэтому всестороннее обсуждение выходит за рамки этой статьи; но много исторической информации доступно в связанных статьях, включая:
Первый патент на холодную прокатку резьбы был выдан в 1836 году Уильяму Кину из Монро, штат Нью-Йорк [24] [25] Однако матрицы для прокатки резьбы на заготовках винтов были сделаны из чугуна, который является хрупким, поэтому машина не имела успеха. Процесс заглох до 1867 года, когда Харви Дж. Харвуд из Ютики, штат Нью-Йорк, подал заявку на патент на холодную прокатку резьбы на деревянных шурупах. [26] Последовали дальнейшие попытки холодной прокатки резьбы на шурупах, [27] но ни одна из них, казалось, не имела большого успеха, пока Хейворд Август Харви (1824–1893) из Оранжа, штат Нью-Джерси, не подал заявки на свои патенты 1880 и 1881 годов. [28] Чарльз Д. Роджерс из American Screw Co. из Провиденса, штат Род-Айленд, не внес дальнейшие усовершенствования в процесс прокатки резьбы на шурупах. [29]
Медиа, связанные с Threading на Wikimedia Commons