Метчики с шахматным расположением резьбы

Резьбообрабатывающий инструмент

Резьбонарезной инструмент

Резьбонарезные резцы

Резьбонарезные резцы – однолезвийный фасонный режущий инструмент, образующий профиль нарезаемой резьбы одновременно всеми точками режущей кромки. В процессе резания инструмент совершает относительно заготовки винтовое движение, ось которого совпадает с осью нарезаемой резьбы, а параметр – равен параметру резьбы.

Резцы предназначены для нарезания внутренних и наружных резьб различного профиля.

Достоинства резцов:

- простота конструкции и технологии изготовления;

- универсальность;

- точность расположения оси;

- возможность обработки конических резьб и резьб с переменным шагом.

Типы резцов

а) По виду нарезаемой резьбы:

- метрические,

- трапецеидальные,

- трубные,

- дюймовые и т. д.

б) по конструкции:

- стержневые (Рис. 2. а, в, г, ж)

- круглые с кольцевой (Рис. 2. д) и винтовой нарезкой (Рис. 2. е),

- призматические (Рис. 2. б);

б) по форме режущей кромки:

- однопрофильные (Рис.2. а, б, в, г),

- многопрофильные (Рис.2. д, е,ж) –

резьбовые гребенки;

в) по исполнению режущей части:

- цельные (Рис.2 д, е),

- составные (Рис.2 а),

- сборные (Рис.2 в, г, ж);

г) по виду работы:

- черновые,

- чистовые;

Рис.2 Типы резьбовых резцов

д) по типу нарезаемой резьбы:

- наружные (Рис. 3, а),

- внутренние (Рис. 3, б);

е) по профилю режущей кромки:

- с полным профилем (Рис.4.)

полностью формируют профиль резьбы, включая и поверхность вершин; обеспечивается точность профиля по высоте и радиусов по вершине и впадине, что гарантирует прочность резьбы,

не требуется точного исполнения отверстия в заготовке и снятие заусенцев после обработки, но для каждого шага резьбы требуется свой инструмент.

- с неполным профилем (Рис. 5) обеспечивают минимальную номенклатуру инструмента,

не обрабатывают наружного диаметра резьбы, поэтому требуют точного диаметра заготовки,

могут использоваться для обработки резьб с разными шагами,

количество пластин на инструментальном складе сокращается,

Схемы резания

Форма и сечение срезаемого слоя для каждого реза зависят от последовательности срезания припуска, т.е. от схемы резания.

• Нарезание резьб мелкого модуля осуществляется за один проход. При нарезании однопрофильным резцом глубина резания t_р равна высоте профиля резьбы h. При нарезании многопрофильным резцом (гребенкой) глубина резания уменьшается (рис.6):

где Р – шаг резьбы; l₁ – длина режущей части.

• Многопроходное нарезание

а) Радиальное врезание (рис.7)

Достоинства:

- простой способ,

- высокая точность профиля,

- равномерный износ пластины.

Недостатки:

- жесткая стружка,

- повышенное давление на вершину,

- при нарезании крупной резьбы существует риск возникновения вибраций и плохого стружкообразования.

Используется для нарезания мелких резьб и при обработке закаленных материалов.

Постепенное уменьшение глубины врезания (Рис.8.) обеспечивает постоянный объем стружки, срезаемой за каждый проход. Глубина врезания может изменяться от 0,2…0,35 мм вначале обработки до 0,02…0,09 мм на последнем проходе.

Постоянная глубина врезания (Рис.9.) обеспечивает наилучшее формирование стружки и повышение стойкости инструмента.

Начальное значение глубины врезания не должно превышать 0,12…0,18 мм, а на последнем проходе не должна быть менее 0,08 мм.

б) Боковое врезание (рис.10)

Достоинства:

- Лучше форма стружки

- Возможность направить стружку в нужную сторону

- Уменьшается тепловыделение

- Можно снизить вибрации

Недостатки:

- Ухудшение качества обработанной поверхности

в) Боковое двухстороннее врезание (рис.11)

- Применяется для обработки резьб с большим профилем.

- Обеспечивает минимальный и равномерный износ пластины.

Геометрия

Задний угол на вершине – 15…20⁰

Инструментальные боковые задние углы можно рассчитать по формуле:

где ε – угол профиля резьбы.

Геометрия резца зависят от его установки на станке. При малом угле подъема ось симметрии профиля резца располагают перпендикулярно к оси заготовки (рис. 12 б).

Если угол подъема резьбы больше 3…4⁰, то резец наклоняют к оси заготовки под углом β = t (рис.12 а)

подъема резьбы

При установке резца без разворота (рис. 13 а) при равенстве инструментальных углов на левой и правой стороне профиля статические углы изменяются. С одной стороны инструментальный передний угол увеличивается а задний уменьшается, с другой стороны профиля – наоборот, передний уменьшается, а задний увеличивается.

При установке резца без разворота значения статических задних углов с правой и левой стороны профиля можно выравнять, если произвеести заточку разных по величине инструментальных задних углов (рис.13 б).

При равенстве инструментальных углов на левой и правой стороне профиля статические углы можно выравнять, если произвести разворот резца на станке (рис.13 в). Но в этом случае профиль резца отличается от профиля нарезаемой резьбы. Требуется коррекционный расчет профиля.

Наличие положительных передних углов также вызывает необходимость коррекционного расчета профиля резца (рис.14).

Метчики

Назначение – нарезание и калибрование резьбы в отверстиях. Метчики представляют собой винт, сопряженный с нарезаемой резьбой и превращенный в режущий инструмент.

Типы метчиков

- ручные – для нарезания резьбы вручную, обычно выполняются комплектными;

- машинные – для нарезания резьб на станках или с помощью электродрелей;

Рис.15 Гаечный метчик с изогнутым хвостовиком

гаечные – для нарезания резьбы в гайках на гайконарезных станках. Длинный хвостовик гаечного метчика позволяет устранить свинчивание готовой гайки. Нарезанные гайки размещаются на хвостовике и периодически удаляются, для чего метчик вынимается из патрона станка. Изогнутый хвостовик позволяет удалять готовые гайки, не вынимая метчика из патрона станка, что повышает производительность.

- плашечные и маточные для нарезания и калибрования резьбы в плашках;

- трубные – для нарезания трубных резьб в муфтах и трубах;

- конические для нарезания конических резьб;

- сборные метчики, регулируемые,нерегулируемые и самовыключающиеся;

- калибровочные;

- специальные.

Конструкция метчика

Основные элементы метчика (рис.16):

1. режущая часть,

2. калибрующая часть,

3. хвостовик,

4. кольцевая канавка для закрепления в патроне и передачи осевого перемещения,

5. квадрат (или лыска) для передачи крутящего момента,

6. перья,

7. стружечные канавки.

Режущая часть производит основную работу срезания припуска, выполняется в виде конуса с углом наклона образующей φ. Может применяться последовательная (рис.17.а) или профильная (рис.17 б) схемы резания. Длина режущей части l₁(рия.16) влияет на производительность, стойкость инструмента и точность нарезаемой резьбы.

Для глухих отверстий и чистовых комплектных метчиков длину режущей части уменьшают до (1,5…2)Р, где Р – шаг резьбы. Гаечные метчики имеют длину (6…12)Р, машинно-ручные -6Р.

Угол φ влияет на толщину срезаемого слоя (рис.18)

, где

а – толщина срезаемого слоя в направлении, перпендикулярном главной режущей кромке,

а_р – толщина срезаемого слоя в радиальном направлении.

, где

t – фактическая высота резьбы,

, где

l_э – эффективная длина режущей части, которая определяется по формуле: , где

d – наружный диаметр метчика,

d₀ – диаметр отверстия под резьбу;

n – число резов, формирующих профиль , где Z – число перьев метчика.

Следовательно,

Оптимальная толщина срезаемого слоя определяется с учетом обрабатываемого материала, типа метчика, требований к качеству обработки. Предельные значения толщины срезаемого слоя 0,02…0,15 мм. При толщине менее 0,02 наблюдается не резание а смятие и скобление, т.к. в этом случае радиус скругления режущей кромки оказывается больше толщины срезаемого слоя. При толщине более 0,15 мм резко ухудшается чистота обработанной поверхности.

Диаметр переднего торца метчика выполняют меньше диаметра отверстия под резьбу на 0,2…1 мм для обеспечения направления метчика при входе в отверстие.

Длина режущей части метчика l₁ зависит от его назначения. При обработке глухих отверстий от длины заборной части зависит длина недореза резьбы и ее желательно уменьшать. При обработке сквозных отверстий от соотношения длины режущей части и длины резьбы зависит крутящий момент резания (рис. 19). Для уменьшения крутящего момента желательно, чтобы длина режущей части была больше длины резьбового отверстия.

Калибрующая часть окончательно формирует профиль, обеспечивает направление в работе и является запасом на переточку.

Преимущественный износ метчика происходит по задней поверхности в месте перехода от режущей к калибрующей части. Поэтому переточку рационально производить как по передней так и по задней поверхностям.

Заточка задней поверхности по конусу режущей части приводит к уменьшению длины калибрующей части. Длина калибрующей части предельно переточенного метчика должна быть не менее 0,5 d для крупных и средних метчиков и не менее (1,2…1) d для мелких.

Рис. 19 Зависимость момента резания от соотношения длины резьбы и длины режущей части метчика

Чрезмерное увеличение длины калибрующей части приводит к увеличению крутящего момента и росту энергозатрат. Рекомендуемая длина калибрующей части l_к – (6…12) Р.

Для устранения заклинивания на калибрующей части выполняется обратная конусность по профилю 0,05…0,1 мм на 100 мм длины (при обработке легких сплавов – 0,2…0,3 мм на 100 мм длины).

Число канавок Z влияет на толщину срезаемого слоя, а следовательно на величину крутящего момента. Уменьшение числа канавок снижает склонность метчика к заеданию, особенно при обработке вязких материалов. Улучшается размещение стружки в канавке, но ухудшается направление в работе. Число канавок выбирается в зависимости от диаметра метчика d.

Профиль канавки (рис. 20)оказывает большое влияние на работу метчика.

Канавка должна:

- способствовать хорошему стружкообразованию и стружкоотводу из зоны резани;

- обеспечить хорошее размещение стружки, особенно при обработке глухих отверстий;

- препятствовать резанию при вывинчивании метчика из обработанного отверстия;

- препятствовать налипанию и заклиниванию стружки в канавке;

- не иметь резких переходов и концентраторов напряжений.

Рис. 20 Форма канавок метчика

• Диаметр сердцевины d_сер выбирается из условия обеспечения достаточного пространства для размещения стружки и прочности метчика. .

Рекомендуется углублять канавку на режущей части, т.к. здесь удаляется больший объем стружки, чем на калибрующей части.

• При выборе величины ширины пера F необходимо учитывать, что с увеличением этого параметра возрастает усилие трения и возрастает опасность забивания канавки стружкой, но с другой стороны увеличивается количество переточек и улучшается направление метчика в работе.

Для режущей части целесообразно уменьшать диаметр сердцевины d_сер до 0,7…0,8, а ширину пера F до 0,6…0,7 соответствующих величин на калибрующей части.

• Угол у нерабочей кромки μ целесообразно уменьшать для устранения резания при вывинчивании метчика из обработанного отверстия, однако, чрезмерное уменьшение этого угла приводит к защемлению стружки при вывинчивании. Рекомендуется .Также для исключения резания при вывинчивании можно снять фаску под углом 30⁰или притупить шлифовальным кругом острый уголок у нерабочей кромки вдоль всего зуба.

• Передняя поверхность может иметь прямолинейную (рис.20 б, в) или криволинейную (рис.20 а) образующую. Прямолинейная образующая более распространена, т.к. упрощает заточку метчика и не приводит к резкому изменению величины переднего угла по высоте резьбы, как у метчиков с криволинейной образующей. Однако при обработке вязких материалов криволинейная образующая передней поверхности способствует лучшему образованию и отводу стружки.

• Форма канавки

а) Радиусная форма (рис.21 а)проста в изготовлении, но имеет неблагоприятную геометрию):

- передний угол изменяется от отрицательных значений в начале режущей части (точка 1) до положительных значений в конце режущей части (точка 2);

- угол у нерабочей кромки μ больше 90⁰, что приводит к резанию при вывинчивании метчика из обработанного отверстия.

Применяется для гаечных метчиков при обработке вязких материалов.

Рис. 21 Влияние формы канавки на величину передних углов

б) Сложная форма (рис. 21 б) требует специального инструмента для изготовления, но обеспечивает лучшую геометрию:

- угол у нерабочей кромки μ меньше 90⁰;

- передний угол уменьшается вдоль режущей части, но остается положительным во всех точках режущей кромки и имеет максимальное значение там, где длина вершинной режущей кромки максимальна.

• Направление канавок

- Прямые канавки (рис. 22 а) проще в изготовлении, но создают неопределенное направление схода стружки и различные по величине боковые передние углы на правой и левой стороне профиля, что приводит к снижению стойкости.

- Винтовые канавки с направлением противоположным направлению нарезки резьбы (рис. 22 б) обеспечивают повышение стойкости за счет выравнивания величины боковых передних углов на правой и левой стороне профиля. Сход стружки идет в сторону обрабатываемого отверстия, поэтому такие канавки рационально применять для нарезания резьб в сквозных отверстиях.

- Винтовые канавки с направлением одноименным направлению нарезки резьбы (рис. 22 в) обеспечивают сход стружки в сторону хвостовика. Применяются при обработке глухих отверстий, но геометрия самая неблагоприятная.

Рис. 22 Направление канавок метчика

Геометрия метчиков

• Передний угол зависит от обрабатываемого материала.

Боковые передние углы в главной секущей плоскости в точках режущей кромки, лежащих на диаметре d_i:

где ε – угол профиля резьбы.

• Задний угол получают путем затылования режущей части по Архимедовойспирали (рис. 24 в). Величину затылования определяют по формуле:

Боковые задние углы в главной секущей плоскости в точках режущей кромки, лежащих на диаметре d_i:

Заднийугол на вершине должен обеспечивать боковые задние углы в пределах 15…20^΄. Кинематический задний угол отличается от статического (рис. 23) и определяется по формуле:

Затылование калибрующей части метчика приводит:

- к снижению сил трения;

- к уменьшению опорной поверхности и ухудшению направления метчика в работе;

- к быстрому уменьшению диаметра метчика при переточках;

- к защемлению стружки между задней затылованной поверхностью и нарезаемой резьбой при вывинчивании метчика из обработанного отверстия.

Поэтому у ручных метчиков калибрующая часть не затылуется (рис. 24 а). Гаечные метчики не вывертываются из обработанного отверстия, поэтому затылуются и по калибрующей части по наружному диаметру. Для обеспечения достаточной опоры затылуют не на всю ширину зуба, а оставляют 1/3 часть незатылованной (рис. 24 б).

а) б) в) Рис. 24 Форма задней поверхности метчика

Комплектные метчики

Нарезание резьбы вручную одним метчиком можно осуществить только в сквозных отверстиях небольшого диаметра. Глухое отверстие трудно нарезать одним метчиком из-за большой толщины срезаемого слоя и возможного скопления стружки в канавках. Приходится применять комплект из нескольких метчиков и соответственно распределять между ними работу.

Применение комплекта метчиков позволяет:

- уменьшить усилие резания,

- улучшить качество и точность обработки,

- уменьшить длину недореза при обработке глухих отверстий.

Черновой метчик выполняет основную работу по вырезанию профиля резьбы (50…70%) и имеет минимальный угол φ, а чистовой зачищает резьбу и калибрует (20…30%). Нагрузка может распределяться как по профильной (рис. 25 б) так и по последовательной (рис. 25 в) схемам резания.

В первом случае наружный и средний диаметры резьбы метчиков различны, резание осуществляется по всему профилю резьбы; каждый последующий метчик зачищает резьбу по сторонам, поэтому в точном исполнении нуждается только чистовой метчик. Чистовой метчик срезает металл по всей высоте профиля – стружка получается толстая, что приводит к увеличению интенсивности износа. Такая схема распространена для метрических резьб.

В случае последовательной схемы распределения припуска у метчиков в комплекте изменяется только наружный диаметр. Чистовой метчик менее нагружен. Отсутствие понижения по среднему диаметру у предварительных метчиков и неточное их изготовление может привести к браку. Применяется для трапецеидальных резьб с широким допуском и для труднообрабатываемых материалов.

в)

б)

Рис. 25 Распределение нагрузки между метчиками комплекта

Бесканавочные метчики (рис. 26)

Стружечная канавка не сквозная, а прорезается на длине несколько превышающей длину режущей части под углом наклона к оси 100…150. Направление канавки противоположно направлению нарезки резьбы. Дно канавки располагается под углом к оси метчика 50…100. на калибрующей части выполняется обратная конусность не менее 0,2 мм на 100 мм длины.

Достоинства бесканавочных метчиков:

- снижение шероховатости обрабатываемой поверхности,

- повышение прчности,

- более полное использование материала за счет увеличения длины канавки.

Рекомендуются при обработке легких сплавов, цветных металлов, вязкой и нержавеющей сталей.

Метчики с шахматным расположением резьбы

Срезание зубьев метчиков в шахматном порядке(рис. 27) на калибрующей части позволяет снизить силы трения за счет уменьшения поверхности контакта резьбы метчика и нарезаемой детали. Рекомендуются для обработки тонкостенных деталей и при обработке вязких и труднообрабатываемых материалов.

При обработке жаропрочных материалов и титановых сплавов шахматное расположение зубьев на режущей части позволяет без увеличения крутящего момента повысить толщину срезаемого слоя и осуществить резание вне зоны наклепанного слоя.

Метчик-протяжка

Метчики-протяжки (рис.28) применяются для нарезания резьб крупного профиля, например трапецеидальных, в сквозных отверстиях. Обработка производится за один проход на токарном станке. Метчик-протяжка отличается повышенной прочностью и жесткостью, т.к. в отличие от обычных метчиков работают не на сжатие, а на растяжение. Это позволяет уменьшать толщину срезаемого слоя за счет увеличения длины режущей части.

Плашки

Плашка (рис.29) предназначена для нарезания наружной резьбы и представляют собой гайку, сопряженную с нарезаемой резьбой, для чего у плашки прорезаются стружечные канавки и создаются задние углы.

Рис. 29 Резьбонарезная плашка

Наружный диаметр плашки D должен обеспечить прочность корпуса (рис.29):

, где

D₁ – диаметр на котором располагаются центры стружечных отверстий;

d_c – диаметр стружечных отверстий;

Е – размер, обеспечивающий прочность плашки.

Режущая часть (рис.30) выполняется с двух сторон плашки, что повышает срок ее службы. Угол заборного конуса 2 φ зависит от обрабатываемого материала и уменьшается с увеличением его прочности. Угол 2 φ может принимать значения от 25⁰до 90⁰

Рис.30 Режущая часть плашки

Длина режущей части

где d – наружный диаметр резьбы,

d₁ – внутренний диаметр резьбы,

B – величина облегчающая направление плашки в начале работы, В=0,2…0,4 мм.

Передний угол γ задают на внутреннем диаметре резьбы и выбирают в зависимости от обрабатываемого материала, γ =10⁰…30⁰.

Задние углы получают путем затылования по архимедовой спирали на режущей части. Величина затылования , где z - число перьев плашки, зависящее от диаметра резьбы, z = 3…12, α - задний угол, α = 6⁰…9⁰.

Между шириной пера F и шириной просвета C выдерживается соотношение F/C = 0,65…0,8; что обеспечивает прочность и жесткость пера, достаточное пространство для размещения стружки и число переточек, а также направление плашки в работе.