Технические науки. Обработка материалов в машиностроении.

Добрянський С.С.

НТУ України “Київський політехнічний інститут “, м. Київ, Україна

ВИДАВЛЮВАННЯ ВНУТРІШНІХ РІЗЬБ

Внутрішні різьби в основному виготовляють методом знімання стружки (нарізуванням) і рідко методом пластичної деформації (розкатуванням або видавлюванням).

Розкатування внутрішніх різьб з тертям кочення в зоні деформації має ряд переваг перед видавлюванням з тертям ковзання, але його можна застосовувати тільки для різьб діаметром не меншим 30-50 мм. Проте найчастіше застосовують внутрішні різьби діаметром до 30 мм. Такі різьби найчастіше виготовляють за допомогою звичайних мітчиків. Нарізування різьб мітчиками відрізняється широкою універсальністю, достатньою точністю та продуктивністю. Воно незамінне при виготовленні різьб у матеріалах зі зниженою пластичністю та високою твердістю. Але нарізування різьб мітчиками викликає певні труднощі при обробці м’яких високопластичних матеріалів внаслідок поганого видалення стружки з отвору, налипання металу , розбивання різьб , заклинювання та поломки мітчиків. Переріз таких мітчиків ослаблений стружковідвідними канавками, що іноді приводить до нарізування різьб комплектом з 2-3-х мітчиків та частої поломки мітчиків невеликих діаметрів 3-8 мм. Стійкість таких мітчиків невисока.

Видавлюючі мітчики конструктивно подібні до звичайних, але вони не мають стружковідвідних канавок. Іноді вони мають невеликі канавки для попадання мастильно-охолодної рідини в зону деформації та виходу повітря з глухих отворів. В перерізі вони мають форму багатогранника (найчастіше з 3-,4- або 6-ма гранями) з різною формою поперечних перерізів. Форма забірного конуса залежить від прийнятої схеми видавлювання металу [1,2]. Видавлюючі мітчики застосовують для виготовлення різьб у високопластичних сплавах (сталь - 10, 15, 20, 12Х18Н10Т; м’яка мідь – М1, М2; м’яка латунь Л96, Л60; алюмінієві сплави – Д1, Д16, АК6, АК8; деякі магнієві, цинкові та титанові сплави) з δ≥10-15%, σ_в≤500 Н/мм², твердістю НВ≤150 та кроком Р≤2 мм. Відомі випадки видавлювання якісних різьб М3-М12 в корпусних деталях з АЛ2 та АЛ4 [3] , різьб з кроком 5 мм [2] та в матеріалах з НВ≤300.

В процесі обробки холодною пластичною деформацією змінюються фізико-механічні властивості оброблюваного матеріалу.

В процесі холодного видавлювання різьби усі механічні властивості підвищуються а пластичність знижується. Інтенсивність зростання опору деформації є результатом підвищення твердості та збільшення товщини наклепаного шару, яка може доходити до 0,5 мм для крупних різьб. В результаті багаторазової деформації, яка залежить від кількості деформуючих зубів, міцність матеріалу може підвищуватись у 2-3 рази, границя текучості до 5 разів, мікротвердість бокових сторін витків на 25-35% а міцність втомлення в 1,5-2 рази. Стійкість видавлюючих мітчиків з сталей Р6М5, Р6М3, Р18 при виготовленні різьб у кольорових сплавах у 3-4 рази перевищує стійкість різальних мітчиків, а видавлюючих мітчиків з твердого сплаву ВК15М – у 20-25 разів. Проте зі зростанням кроку різьби стійкість різальних мітчиків з швидкорізальних сталей зростає, а видавлюючих знижується і для різьб М12 їх стійкість приблизно однакова [3]. Видавлюючі мітчики, на відміну від різальних, після зносу не переточують.

Найбільш повно процеси видавлювання внутрішніх різьб розглянуті в [1,2]. Разом з тим виникає ряд запитань, що стосуються діаметрів і точності отворів під різьбу, необхідної кількості деформуючих зубів, товщини і площі перерізу шару металу, який видавлюється кожним та усіма зубами тощо, які потребують додаткових досліджень та уточнення.

У роботі розглядаються процеси видавлювання внутрішніх метричних різьб М3-М30 ( з профілем за ГОСТ 9150-81); крупні за ГОСТ 8724-81; 4-, 6- та 8-го ступеня точності з допусками на D₁ та D₂ за ГОСТ 1693-81.

Найважливішим елементом видавлюючого мітчика є забірний конус довжиною l_з . Застосовують форми забірного конуса з повнопрофільною конічною різьбою, з циліндричною різьбою, зрізаною на конус по зовнішньому діаметру, з криволінійною утворюючою, з конічною різьбою та різною висотою зубів.

Найчастіше застосовують видавлюючі мітчики з повнопрофільною конічною різьбою. Такі мітчики відносно прості у виготовленні, забезпечують невеликі сили деформації у порівнянні з циліндричною формою. Але вони відрізняються інтенсивним зростанням навантаження на кожен наступний зуб мітчика внаслідок різкого зростання площі перерізу металу, видавлюваного кожним зубом. Крім того, в місці переходу від забірного конуса до калібруючої частини видавлюючого мітчика, внаслідок підрізування шліфувальним кругом бокового профілю різьби першого калібруючого зуба , спостерігається осьове зміщення ∆P за кроком різьби (рис.1).

Рис.1. Схема до визначення зміщення кроку різьби мітчиків з повнопрофільною конічною різьбою на забірному конусі

Можна показати, що для метричних різьб

(1)

З рис.1 видно, що для мітчиків з повнопрофільною конічною частиною всі витки забірного конуса зміщені відносно витків калібруючої частини на ∆P. При цьому останній виток зміщений на ΔP₁, а попередні – на ΔP₂. Установлено, що ΔP₂ двічі перевищує ΔP_1.

З рис.2 виходить, що зі збільшенням кута φ від 3^о до 20^о зміщення ∆P₁ зростає в 7 разів, а при зростанні кроку різьби від 0,5 до 3 мм ∆P₁ збільшується в 6 разів і може доходити до ~ 0,16 мм для мітчиків з P=3 мм та φ=20^о.

В реальних умовах видавлювання різьб М3 – М16 ∆P₁ змінюється в межах 0,005-0,10 мм. Таке зміщення приводить до неоднакової товщини шару металу, який витискається різними боковими сторонами найбільш

Рис.2. Графіки залежності зміщення ∆P від кроку P та кута φ

навантажених зубів мітчика, розміщених у перехідній зоні, і виникнення згинальних навантажень, що діють на ці зуби. Це одна з причин заниженої стійкості перехідних зубів мітчика. Застосування мітчиків з криволінійною забірною частиною дозволяє більш рівномірно розподілити зміщення ∆P між зубами забірного конуса і навантаження на зуби. Застосовують інші способи зменшення впливу зміщення ∆P [1].

Крім зміщення ∆P , висота профілю, видавлюваного першим калібруючим зубом, зменшиться на AD (рис.1), що приводить до зменшення глибини видавлюваної западини і похибки ∆D діаметра.

. (2)

Наприклад, для практично найважчих умов видавлювання різьби при P=2 мм та φ=20^о, ∆D=0,36 мм. Тобто остаточно профілювати западину різьби будуть перші калібруючі зуби мітчика.

Важливими є питання щодо кількості граней мітчика, форми його поперечного перерізу , величини та форми затилування, форми закруглення вершин зубів тощо. Ці питання детально розглянуті в [1].

Одним з важливих питань при видавлюванні різьб є визначення діаметра та точності отвору під різьбу.

Застосовують два способи видавлювання різьб: мітчиками, які працюють закритим профілем, і які працюють відкритим профілем.

За першим способом западини витків мітчика приймають участь у формуванні вершин витків різьби гайки. При цьому необхідно забезпечити дуже точний діаметр отвору під різьбу, виникають великі навантаження на мітчик тому, що надлишковий метал може тільки частково переміщуватись у напрямку відкритих торців коротких різьб. Мітчики часто заклинюються і ламаються.

Ширше застосовують другий спосіб, коли надлишковий метал може вільно розміщуватись в межах поля допуску на внутрішній діаметр різьби. При цьому дещо знижується точність отворів під різьбу, зменшуються сили деформації та крутні моменти, підвищується стійкість мітчиків.

В [1] наведено одинадцять різних формул для визначення діаметра отвору D_о під різьбу. Результати розрахунків D_о для різьби М10 за різними формулами, наведеними в [1] показують, що різниця D_{o max} – D_{o min} = 0,64 мм, що недопустимо. Переважна більшість розрахункових значень D_o (біля 90%) дещо більша від середнього діаметра різьби D₂. Тобто необхідне уточнення щодо визначення D_o.

При визначенні D_o виходили з постійності об’єму металу при обробці тиском, що пружні та теплові деформації малі і ними можна знехтувати, що розбивання різьби незначне , а видавлювання металу на торцях крайніх витків несуттєве. При цьому вважали, що зміна кута нахилу різьби ω на діаметрах витків D, D₂ , D₁ незначна і нею , для спрощення розрахунків, можна знехтувати. Розрахунки показують, що для різьб М3-М24 максимальна різниця між кутами підйому гвинтової лінії ω на зовнішньому і внутрішньому діаметрах різьби не перевищує 0^о45^’. Тому далі в розрахунках приймалось, що ω = ω_сер = ω_D2.

Для профілю метричної різьби згідно з ГОСТ 9150-81, виходячи з рівності об’ємів витісненого металу западин і вершин різьби та з видавлювання різьби відкритим профілем, отримали:

(3)

Рис.3. Залежність різниці між діаметром отвору D_o та D₂ від кроку різьби

Аналіз результатів розрахунків за формулою (3) показав прямо пропорційну залежність між різницею ∆D =D_o - D₂ та кроком видавлюваної різьби (рис.3). В результаті для практичних розрахунків замість формули (3) можна запропонувати

. (4)

Формули (3) та (4) дозволяють визначити D_{0 min} , тобто виходячи з того, що отримаємо внутрішній діаметр різьби гайки D₁ мінімальний в межах поля допуску для ковзної Н посадки.

В результаті проведеної роботи наведені порівняльні характеристики виготовлення внутрішніх різьб різальними та видавлюючими мітчиками. Розроблені формули для визначення величини зміщення за кроком першого калібруючого зуба відносно зубів забірного конуса та для визначення діаметра отвору під різьбу. В подальшому важливим є визначення допусків на розміри діаметрів отворів під видавлювання різьб різної точності, визначення площ перерізів витків, видавлюваних кожним зубом, та вирівнювання навантажень на кожен зуб з метою підвищення стійкості мітчиків.

Література:

1. Меньшаков В.М., Урлапов Г.П., Середа В.С. Бесстружечные метчики. М., “Машиностроение”, 1976.-167 с.

2. Рыжов Э.В., Андрейчиков О.С., Стешков А.Е. Раскатывание резьб. М., “Машиностроение”, 1974.-120 с.

3. Гурин Ф.В., Моисеев Н.А., Якухин В.Г. Накатывание внутренних резьб в цветных сплавах. В сб.”Исследования в области технологии образования наружных и внутренних резьб , резьбообразующих инструментов, станков и методов контроля резьб”. ТПИ, Тула, 1974.- С.155-161.