3.7.3. Накатывание резьб

Накатывание — наиболее производительный метод получения наружных резьб для крепежа (болты, шпильки). Формирование резьбы в этом случае осуществляется не удалением материала, а за счет его пластической деформации. При накатывании происходит копирование профиля накатного инструмента. Процесс накатки резьбы ведется с применением смазок (сульфофрезол, веретенное масло и др.). Диаметр заготовки под накатывание резьбы принимается равным среднему ее диаметру. Завышенный диаметр вызывает искажение резьбы детали и выкрашивание витков инструмента, так как избыточный металл не в состоянии разместиться во впадине между витками инструмента. Выбор диаметра заготовки зависит от размеров профилей резьб детали и инструмента, вида и структурного состояния обрабатываемого материала.

Для накатывания пригодны конструкционные материалы с относительным удлинением δ > 5 % (конструкционные, улучшаемые, коррозионно-стойкие и жаропрочные стали, титановые и никелевые сплавы, а также сплавы на медной и алюминиевой основах). Нецелесообразно накатывать резьбы на деталях из хрупких материалов (чугуны, твердые бронзы и пр.). Свойства обрабатываемых материалов оказывают существенное влияние и на стойкость роликов. Инструмент имеет приемлемую стойкость для материалов с твердостью до HRC 40.

Процесс накатывания резьбы имеет определенные достоинства по сравнению с нарезанием:

• обработка производится без удаления материала, что обеспечивает его экономию и отсутствие проблем, связанных с утилизацией стружки;

• производительность накатывания на порядок выше, чем нарезания.

Рис. 3.224. Методы накатывания резьб на резьбонакатных станках:

а — плоскими плашками; б — роликом и сегментом; в — роликами (протяженных резьб); г — роликами (коротких резьб)

Помимо экономических накатывание резьбы имеет и ряд технических преимуществ:

• в отличие от других методов формирования резьб не перерезаются волокна материала и он упрочняется вследствие пластической деформации;

• в основании резьбы формируются остаточные напряжения сжатия, повышающие сопротивление детали усталости;

• обеспечивается низкая шероховатость поверхности (Ra = 0,32... 1,25 мкм), которая в сочетании с упрочнением увеличивает нагрузочную способность резьбы на 6...12 %;

• при обработке на оборудовании высокой жесткости достигается точность, соответствующая 5-му квалитету.

Накатывание резьб может выполняться как на специализированном, так и универсальном оборудовании.

На специализированных накатных станках обработка производится по различным схемам, некоторые из которых приведены на рис. 3.224.

Накатывание резьб плоскими плашками выполняют по схеме, показанной на рис. 3.224, а. Плашки (рис. 3.225) представляют собой пластины с развернутыми витками резьбы на лицевой стороне. Одна плашка — неподвижная, по ней прокатывают обрабатываемую заготовку. Другая — подвижная, получает поступательное движение. Заготовка, попадая в пространство между плашками, захватывается ими и прокатывается по всей длине. В результате на заготовке получают выдавленную резьбу. Плашки должны быть строго параллельны, а развернутые витки их резьбы смещены друг относительно друга на 0,5 шага. Резьба на обеих плашках имеет одинаковые угол и направление резьбы. Заготовка устанавливается перпендикулярно обеим плашкам.

Рис. 3.225. Резьбонакатная подвижная плашка (а) и ролик (б)

Неподвижная плашка имеет заборную часть для постепенного формирования профиля резьбы, калибрующую и выходную или сбрасывающую часть, необходимую для освобождения заготовки от зацепления с инструментом и предотвращения возможности затягивания ее между плашками при обратном ходе станка. Форма сбрасывающей части обычно такая же, как и заборной, — для использования ее в качестве заборной после износа последней. Подвижная плашка может иметь или не иметь заборную и сбрасывающую части. Она длиннее неподвижной на 15...25 мм. Плашки с короткой заборной частью могут выполнить полную резьбу в течение одного оборота заготовки, причем наибольшее деформирование металла происходит в момент начала калибрования резьбы.

Плоские накатные плашки изготавливают из высокохромистых легированных сталей (Х12АФ, 9ХС и др.) с термической обработкой на твердость HRC 58...60.

Накатывание резьбы вращающимся роликом и одним или несколькими неподвижными сегментами (рис. 3.224, о) используют для получения мелких метрических резьб на заготовках диаметром до 6 мм. В данном случае применяют комплект инструментов, состоящий из неподвижной сегментной плашки (плашек) и вращающегося ролика. Обработка ведется на специализированных станках с автоматической подачей заготовок. Накатываемые детали из загрузочного устройства непрерывно подаются в зазор между вращающимся роликом и сегментом, которые имеют винтовую нарезку. Резьба на ролике и сегментах выполняется многозаходной с одинаковыми углами подъема. Для получения правой резьбы используют ролик с левой резьбой, сегмент — с правой, а для левой резьбы — наоборот.

Габариты инструментов зависят от размеров накатываемой резьбы и модели резьбонакатного станка, при этом средние диаметры и количество заходов ролика и плашки должны отвечать уравнениям

; ; ; ,

где D_2пл — средний диаметр сегментной плашки; D_2рол — средний диаметр ролика; d₂ — средний диаметр накатываемой резьбы; i_пл — число заходов плашки; i_рол — число заходов ролика.

Наружный диаметр ролика D и внутренний диаметр плашки D₁ рассчитывают по формулам

; ,

где h₂ — номинальная высота головки профиля.

Инструменты изготавливают из сталей Х12М, Х6ВФ, ХВГ с твердостью после термообработки HRC 59...61.

Данный способ накатывания резьб весьма производителен, так как одновременно можно обрабатывать не одну, а несколько (5-6) заготовок.

Чаще применяют накатывание роликами (рис. 3.224, в), которое обеспечивает:

• меньшие силы деформации, позволяющие получать резьбу на полых и тонкостенных деталях;

• высокую точность резьбы, близкую к достигаемой шлифованием;

• широкий диапазон накатываемых резьб;

• возможность обработки длинных резьб.

Для накатывания используют ролики нормальной точности (точность резьбы 6h) и повышенной (точность резьбы до 4h).

Применяют три разновидности накатывания резьбы на резьбонакатных станках принудительно вращающимися резьбонакатными роликами (рис. 3.224, в, г): с радиальной, осевой и тангенциальной подачами заготовок.

Двумя роликами с радиальной подачей накатывают метрические резьбы повышенной точности на наружных цилиндрических поверхностях диаметром от 2 до 100 мм. Заготовка помещается на направляющей планке между роликами. Оба ролика вращаются в одну сторону, а один из них получает радиальную подачу. Заготовка свободно поворачивается, увлекаемая вращающимися роликами, оси которых параллельны. По окончании формирования резьбы на заготовке радиальная подача прекращается, и ролики, вращаясь без подачи, продолжают калибрование для снижения шероховатости поверхностного слоя. Необходимо, чтобы направление резьбы на роликах было противоположно направлению резьбы на детали (правая резьба накатывается роликами с левой резьбой, левая — роликами с правой). Как и на плашках, для попадания витков двух роликов в накатываемую резьбу они имеют смещение резьбы на 0,5 шага.

Основным условием получения правильной резьбы на заготовке является равенство углов подъема резьбы ролика и заготовки. Для выполнения этого условия необходимо использовать ролик с многозаходной резьбой, как показывают следующие зависимости:

; ,

где ω_и, Р_и, D_ср — угол подъема, шаг и средний диаметр резьбы инструмента: ω, Р, d_ср — угол подъема, шаг и средний диаметр резьбы заготовки. Поскольку tg ω_и = tg ω, можно записать

.

Следует отметить, что число заходов, определяемое по формуле , должно быть целым.

С осевой подачей заготовки накатывают метрические и ходовые резьбы треугольного, трапецеидального и круглого профилей произвольной длины с обычной точностью. Число роликов равно двум. Накатываемая поверхность захватывается срезанной на конус заборной частью. Могут применяться ролики с винтовой нарезкой (как при радиальной подаче), но рекомендуется использовать ролики с кольцевой. Они дают возможность одним комплектом накатывать резьбы различного диаметра с разным числом заходов, причем диаметр и ширина роликов могут быть значительно уменьшены, что снижает силы, возникающие при формообразовании резьбы. Чтобы избежать искажения профиля резьбы, оси роликов с кольцевой нарезкой наклоняют на угол подъема витков. Осевая подача заготовки может происходить самозатягиванием или, для повышения точности, задаваться принудительно.

Накатывание резьбы с тангенциальной подачей возможно при наличии разности окружных скоростей двух роликов, которая достигается, например, использованием роликов разных диаметров, вращающихся с одинаковым числом оборотов.

Заготовки подают в пространство между роликами вручную или автоматически. Ролик большего диаметра, обладающий большей скоростью, втягивает заготовку в пространство между роликами. После захвата заготовка начинает вращаться и одновременно перемещаться со скоростью, равной полуразности окружных скоростей роликов. При этом необходим правильный выбор соотношений между средними диаметрами ведущего (большего) ролика D_ср1 и ведомого (меньшего) D_ср2 и между средними диаметрами ведущего ролика D_ср1 и резьбы заготовки d_ср. Согласно опытным данным, заготовка будет самостоятельно подаваться вниз при условии D_ср1 / D_ср2 = 1,10...1,25 (т. е. ведомый ролик должен иметь меньшее число заходов по сравнению с ведущим) и D_ср1 = d_срi.

Расстояние между осями роликов А рассчитывают по формуле

,

где δ — допуск на средний диаметр накатываемой резьбы.

Для накатывания коротких резьб на станках-автоматах может быть использована схема, приведенная на рис. 3.224, г. Обработка производится двумя роликами, имеющими срезанные и заходные части для удобства установки заготовок и снятия готовых деталей.

Накатывание резьб может выполняться на универсальных станках с ручным •правлением или ЧПУ (токарных, сверлильных, расточных) и на обрабатывающих центрах со специальными компактными инструментами, называемыми резьбонакатными головками.

Резьбонакатные головки могут применяться на любом оборудовании, обеспечивающем взаимное вращение обрабатываемой детали и накатной головки. Накатывание резьбы на станках с ЧПУ более эффективно за счет существенного сокращения машинного времени (резьба обрабатывается в один проход за несколько секунд, тогда как нарезание резьбы резцом требует многопроходного цикла). Значительно более высокая стойкость роликов по сравнению с резьбовым резцом обеспечивает сокращение расходов на наладку станка. Головки оснащают хвостовиками под конкретный станок.

Выпускают головки трех основных типов, работающие в условиях осевой, радиальной и тангенциальной подач. Различают постоянные и вращающиеся резьбонакатные головки.

При использовании осевых головок (рис. 3.226) резьба накатывается последовательно вдоль оси детали. Серийно выпускают раскрываемые вращающиеся накатные головки для наружных треугольных и трапецеидальных резьб. Такие головки имеют ролики с кольцевой нарезкой, заборной и калибрующей частью. Комплект роликов одного шага может накатывать резьбы разных диаметров в пределах диапазона данной головки. Оси роликов повернуты на угол подъема резьбы, а вдоль оси они смещены в соответствии с ходом винтовой линии. Раскрывающиеся головки (рис. 3.226, а) накатывают резьбу в условиях радиальной подачи самозатягиванием. Принудительная подача головки на деталь необходима только в начале работы. Осевые накатные головки, аналогичные показанной на рис. 3.226, б, имеют два ролика. Ось детали при обработке находится на линии, проходящей через оси роликов.

Радиальные накатные головки (рис. 3.227, а) оснащены двумя роликами, которые перемещаются снаружи к центру заготовки перпендикулярно плоскости оси. Они устанавливаются на горизонтальную каретку, револьверную головку или верхний суппорт. Подача осуществляется в радиальном направлении благодаря определенной геометрии роликов. Работают при неподвижной головке и вращающейся детали. Головками накатывают резьбы диаметром до 36 и длиной до 39 мм. В радиальных накатных головках (рис. 3.227, б) радиальная подача обеспечивается специальной геометрией роликов. Обработка выполняется как при неподвижной головке и вращающейся детали, так и при вращающейся головке и неподвижной детали. Они позволяют нарезать резьбы диаметром до 45 мм при длине до 39 мм.

Рис. 3.226. Осевые накатные головки

Рис. 3.227. Радиальные накатные головки

При использовании радиальных головок резьба формируется за один оборот роликов, что приводит к увеличению крутящего момента. Это следует учитывать при выборе технологического оборудования и обеспечении надежности крепления детали.

Тангенциальные накатные головки (рис. 3.228) оснащены двумя встречно расположенными роликами, перемещающимися к заготовке под углом 90° к оси. Во время подачи на врезание в тангенциальном направлении формируется резьба. Процесс изготовления резьбы заканчивается, когда оси роликов находятся на одной линии с осью детали. Для этого требуется, как правило, от 15 до 30 оборотов детали. Такие головки требуют оснащения механизмом открытия-закрытия. Тангенциальные накатные головки пригодны для использования на большинстве типов станков, включая токарные с ЧПУ. Для работы этих головок необходимо дополнительное движение подачи. Длина обрабатываемого профиля ограничена шириной роликов и обычно не превышает 40 мм. Головками накатывают резьбы диаметром до 64 мм.

Рис. 3.228. Тангенциальная головка фирмы FETTE

При обработке тангенциальными головками резьба формируется за 15-30 оборотов роликов. В данном случае мощность шпинделя не является критическим фактором. Основная нагрузка приходится на привод поперечного суппорта или каретки).

С помощью накатных головок можно обрабатывать практически все типы существующих резьб с углом профиля больше 10°.

Основным критерием выбора метода накатывания и типа головки являются конструкция и жесткость детали, вид, шаг и длина резьбы, тип станка, на котором производится обработка. Скорости обработки треугольных резьб выше, чем трапецеидальных, поскольку в последнем случае необходимо перемещать больше материала. В то же время накатывание материалов с меньшей прочностью и большей пластичностью может вестись на повышенных скоростях. Для разных видов резбонакатных головок существуют различные зависимости между скоростью, диаметром резьбы, подачей, скоростью вращения роликов и временем обработки.

Для осевых головок скорость накатывания составляет 20...90 м/мин, при этом на время обработки влияют диаметр заготовки, шаг резьбы и ее длина. Для радиальных головок рекомендуется скорость 5...20, а тангенциальных — 20...80 м/мин.