Анализ, оценка и рациональный выбор различных методов обработки внутренней резьбы может помочь производителям деталей эффективно и экономично производить высококачественные резьбовые отверстия. Преимущества и недостатки пяти основных методов обработки внутренней резьбы: нарезание резьбы, выдавливание, фрезерование, точение и шлифование.
Обработка внутренней резьбы
Нарезание резьбы — эффективный и распространенный метод для многих операций по нарезанию резьбы. Обычно он имеет самую низкую начальную стоимость, но не обязательно самый экономичный в целом.
Нарезание резьбы — это непрерывный процесс резания, при котором материал заготовки удаляется последовательными режущими кромками для получения окончательного размера резьбы за один проход. Метчики изготавливаются специально для основного, дополнительного и среднего диаметров резьбы. Поскольку метчики должны выполнять черновую и чистовую обработку за один проход, большое количество стружки должно эффективно удаляться, и может возникнуть избыточное давление, что приведет к проблемам с качеством резьбы или повреждению метчика.
Контроль стружки является важной проблемой, которую нельзя игнорировать при нарезании резьбы, особенно при обработке материалов с низкой твердостью, высокой вязкостью и тенденцией к образованию длинной полосовой стружки. Эта полосовая стружка может образовывать птичье гнездо вокруг метчика или накапливаться в канавке для стружки, что приводит к поломке метчика в отверстии. Алюминий, углеродистая сталь и нержавеющая сталь серии 300, как правило, являются наиболее сложными материалами для контроля стружки.
Метчики могут обрабатывать практически любые материалы с твердостью ниже HRC50, а некоторые производители инструментов предлагают метчики, которые могут обрабатывать даже материалы с твердостью до HRC65.
Диаметр отверстия — еще один фактор, который следует учитывать. Большинство конечных пользователей могут нарезать резьбу только в отверстиях диаметром менее 16 мм. Если диаметр отверстия превышает 16 мм, возникнет проблема с тем, достаточно ли мощности станка для нарезания резьбы. Если диаметр отверстия меньше 6,35 мм, нарезание резьбы также подвержено проблемам из-за ограниченного пространства для стружки и меньшей прочности метчиков малого диаметра.
Кроме того, длина внутренней резьбы, которую может обработать метчик, обычно может достигать более чем 3 диаметров. Для глубоких отверстий метчики часто быстрее однозубых резьбовых фрез. Пока стружка успешно выводится из отверстия, глубина метчика может быть нарезана.
Поскольку диаметр и шаг фиксированы, один метчик не может обрабатывать винты разных размеров. Кроме того, из-за большой площади контакта между метчиком и стенкой отверстия во время нарезания резьбы и высокой силы резания, метчик может сломаться и застрять в отверстии, что приведет к браку заготовки. Для эффективного завершения процесса нарезания резьбы также требуется смазка с высоким содержанием смазочного материала.
Обработка экструзией внутренней резьбы
Перемещая (а не разрезая) материал заготовки, экструзионные метчики могут производить внутреннюю резьбу до 4-кратного диаметра. Поскольку стружка не образуется, нет необходимости беспокоиться об образовании птичьих гнезд из стружки. Однако экструзионная резьба требует, чтобы твердость заготовки была ограничена до менее чем примерно HRC40. Кроме того, материал заготовки должен обладать хорошей пластичностью из-за необходимости переноса материала.
Метчики для экструзии обычно имеют диаметр менее 19 мм и могут быть всего 0,5 мм. Чем больше диаметр метчика, тем больше трение, возникающее во время обработки, и тем выше мощность, необходимая для станка.
По сравнению с режущими метчиками, экструзионные метчики более жесткие и менее склонны к поломке. Давление, действующее на режущие метчики, представляет собой тангенциальную силу, действующую через его многоугольную поверхность, в то время как давление, действующее на экструзионные метчики, представляет собой радиальную силу, направленную к центру метчика, поэтому оно намного больше тангенциальной силы.
По сравнению с нарезанной резьбой экструзионные метчики прочнее, поскольку они формируют резьбу путем сжатия (а не сдвига) зернистой структуры материала заготовки.
По сравнению с нарезанием резьбы резанием, нарезание резьбы экструзией требует использования станка с большим крутящим моментом и мощностью, более высоких требований к стабильности зажима заготовки, большего усилия, необходимого для перемещения материала заготовки, чем при резке материала заготовки, и более высоких требований к точности сверления отверстий под винты.
В некоторых отраслях, включая медицинскую и аэрокосмическую промышленность, экструзионная резьба не допускается. Шаг резьбы, образованный экструзионной резьбой, имеет дефекты, и аэрокосмическая промышленность не допускает острых точек (U-образный профиль зуба) на шаге резьбы. Однако этот дефект не влияет на прочность резьбы на разрыв, поэтому он не является причиной для ее отклонения для деталей общего назначения.
Фрезерная обработка внутренних резьб
Резьбовые концевые фрезы использовать винтовую интерполяцию для нарезания внутренней и внешней резьбы. Большинство станков с ЧПУ, выпущенных за последние 10-15 лет, имеют возможность фрезерования резьбы.
Фрезерование резьбы можно выполнять с помощью цельных твердосплавных резьбовых фрез или резьбовых фрез с индексируемыми вставками (со стальными хвостовиками и твердосплавными вставками). Многозубые резьбовые фрезы производят резьбу на всю глубину за один оборот вокруг отверстия, в то время как однозубые резьбовые фрезы имеют режущие кромки только на одной поверхности и могут производить только одну резьбу за раз. Однако большинство резьбовых фрез имеют несколько зубьев.
Резьбовое фрезерование подходит для обработки материалов с твердостью до HRC 65 и отличается превосходной универсальностью. Резьбовые фрезы с одним или двумя различными покрытиями обычно используются для обработки различных материалов.
Контроль стружки при резьбофрезеровании обычно не вызывает затруднений. Резьбофрезерование — это прерывистое резание, что означает, что могут образовываться короткие прерывистые стружки независимо от характеристик стружки материала заготовки.
Резьбовые фрезы охватывают широкий диапазон размеров, от резьбы размером 0-80 (диаметр резания 1,524 мм) до резьбы с самыми большими диаметрами отверстий. Вообще говоря, наилучшая глубина отверстия для резьбофрезерования контролируется в пределах примерно 2,5 диаметра отверстия. Сила резания при резьбофрезеровании не сбалансирована. Если длина фрезерования слишком велика, большая радиальная сила резания будет формировать большое боковое давление, вызывая такие проблемы, как отклонение фрезы, сколы режущей кромки и даже мелкие размеры фрез.
Однако однозубые резьбовые фрезы могут обрабатывать более глубокие отверстия под винты, даже в 20 раз превышающие диаметр отверстия. Поскольку вся резка выполняется на конце фрезы, не возникает проблем с отклонением инструмента. Многим пользователям, которые производят нефтепромысловое оборудование или крупные энергетические компоненты, необходимо использовать длиннохвостые резьбовые фрезы. Для них фрезерование нескольких резьб однозубой фрезой происходит медленнее, но все равно более рентабельно, чем вложение $1,000 в метчик длиной 250 мм.
Резьбофрезерование имеет много преимуществ. Одна фреза может использоваться для обработки ряда винтовых отверстий с одинаковым шагом и разными диаметрами отверстий, в то время как однозубая фреза может обрабатывать винтовые отверстия с несколькими шагами и разными диаметрами отверстий. Кроме того, резьбовая фреза может использоваться для обработки как глухих, так и сквозных отверстий, и может обрабатываться как правая, так и левая резьба. Поскольку резьбовая фреза имеет плоскую нижнюю структуру, она также может обрабатывать полную резьбу близко к дну глухого отверстия. Даже если концевая фреза ломается, маловероятно, что деталь будет отбракована. Наконец, резьбофрезер также может быть объединен с другими инструментами для обработки отверстий, чтобы сформировать составной инструмент (например, составной инструмент для сверления, снятия фаски и резьбофрезерования).
Однако, по сравнению с нарезанием резьбы, фрезерование резьбы обычно занимает более длительный цикл. Поскольку для фрезерования резьбы требуется специальная программа обработки, некоторые пользователи могут не захотеть использовать этот метод обработки. Однако эта программа несложная и может быть скомпилирована с использованием многих программ для программирования ЧПУ.
Некоторые компании по-прежнему предпочитают нарезание резьбы, поскольку не хотят, чтобы оператор вмешивался в процесс обработки. Резьбофрезерование требует от оператора внесения некоторых компенсирующих корректировок в станок. Диаметр фрезы будет постепенно уменьшаться из-за нормального износа. Чтобы поддерживать соответствующий размер обработки, оператор должен компенсировать износ инструмента с помощью регулировок. Сначала необходимо измерить допуск резьбы, а затем скорректировать параметры обработки в соответствии с измеренным износом. Оператор может только регулярно проверять резьбу с помощью калибра. Если результат проверки неудовлетворителен, метчик необходимо заменить.
Обработка внутренней резьбы
Другой способ изготовления внутренней резьбы — это ее нарезание на многокоординатном станке или токарном станке с индексируемой вставкой или небольшим цельным расточным инструментом. Этот процесс можно выполнять как с однозубыми, так и с многозубыми вставками. Многозубые вставки имеют несколько зубьев на каждой режущей кромке, причем каждый последующий зуб режет глубже предыдущего. Использование многозубой вставки сокращает количество проходов, необходимых для завершения резьбы. Однако многозубые вставки дороже, поэтому они более выгодны для крупносерийного производства, а не для мелкосерийного.
Внутренние резьбы также можно нарезать цельным расточным инструментом. При нарезании резьбы однозубым инструментом пользователи могут использовать как полнопрофильную, так и частичнопрофильную вставку (многозубые вставки имеют только полный профиль), при этом полнопрофильные вставки создают полный профиль резьбы, включая вершину (вставка режет меньший диаметр резьбы). С этой вставкой для каждого шага требуется отдельная вставка.
Пластины с полным профилем обеспечивают более прочную и точную резьбу за меньшее количество проходов, чем пластины с частичным профилем, поскольку они могут одновременно нарезать резьбу по основному, дополнительному и среднему диаметрам.
Некоторые зубчатые вставки не имеют гребней (они не могут резать диаметр резьбы), а некоторые зубчатые вставки имеют только один зуб, поэтому можно получать разные шаги, используя разную глубину резания. Такая резьба имеет очень острую дугу гребня, что снижает прочность грубой резьбы и требует больше времени для обработки.
Диапазон размеров обработки для токарной обработки резьбы с помощью индексируемых инструментов очень широк, от самого большого диаметра до винтовых отверстий размером всего 6 мм. Винты диаметром менее 6 мм необходимо обрабатывать твердосплавными инструментами, а минимальный диаметр отверстия, который можно обработать, может достигать около 1,25 мм. Для отверстий большого диаметра Vargus обработал большие винтовые отверстия диаметром до 0,9 м на вертикальном токарном станке, который находится в эксплуатации около 100 лет. Нет другого способа обработки таких больших отверстий, кроме токарной обработки. Этот старый станок не имеет функции винтовой интерполяции.
Резьбонарезные инструменты со стальными хвостовиками подходят для обработки отверстий, диаметр которых до 3 раз превышает диаметр отверстия, тогда как инструменты с твердосплавными хвостовиками могут обрабатывать отверстия, диаметр которых в 4–5 раз превышает диаметр отверстия.
Точение резьбы также может обрабатывать различные материалы заготовок, и резьбу можно нарезать на заготовках с твердостью до HRC50 или жаропрочных сплавах, таких как Hastelloy и Inconel. Однако эти материалы твердые и абразивные, что сокращает срок службы инструмента.
Контроль стружки имеет решающее значение при точении внутренней резьбы, особенно при точении резьбы в глухих отверстиях. Пользователи могут использовать геометрию пластины для контроля стружки и использовать методы подачи (включая радиальную подачу, боковую подачу, боковую модифицированную подачу или боковую чередующуюся подачу) или методы обратной спирали (направление формирования резьбы от шпинделя, а не к шпинделю) для облегчения эвакуации стружки.
Какой метод подачи использовать, зависит от условий обработки, но в большинстве случаев выгодно использовать модифицированную боковую радиальную подачу, поэтому она может быть предпочтением по умолчанию. Однако почти на всех станках, если параметр в программе обработки не изменен, обработка будет выполняться в режиме радиальной подачи.
Шлифование внутренней резьбы
Резьбошлифование — это высокоточный метод обработки и эффективный выбор для прецизионной внутренней резьбы со строгими требованиями к допускам. Различные внутренние резьбы, канавки, дорожки качения подшипников и другие связанные с ними детали могут быть обработаны на шлифовальном станке. Типичные детали, которые могут быть обработаны на шлифовальном станке для внутренней резьбы, включают резьбовые кольцевые калибры, роликовые гайки, шариковые винты и т. д.
Внутреннюю резьбовую шлифовку обычно необходимо выполнять на специализированном шлифовальном станке. В общем, для шлифования резьбы с точным профилем зубьев положение установки шлифовального круга станка должно быть наклонено в соответствии с углом наклона винтовой линии резьбы, что требует вращающейся оси, которой нет у большинства универсальных шлифовальных станков. Иногда также можно использовать метод параллельного шлифования по оси А, при этом многозубцовый шлифовальный круг, который был модифицирован (исправлен его винтовой профиль), непосредственно вставлен в заготовку для шлифования наружной резьбы, но для шлифования внутренней резьбы требуется однозубый шлифовальный круг, установленный на оси А в соответствии с углом наклона винтовой линии.
Внутренний диаметр резьбошлифования с хорошей экономичностью обработки обычно составляет 10-25 мм. Правило большого пальца для шлифования глубоких внутренних резьб: отношение длины вала шлифовального круга к диаметру не превышает 7:1. Основной проблемой при шлифовании глубоких внутренних резьб является угол наклона винтовой линии по сравнению с диаметром отверстия. По мере увеличения длины резьбы и уменьшения диаметра отверстия шлифование под большими углами наклона винтовой линии становится затруднительным, поскольку шлифовальный шпиндель с большей вероятностью будет сталкиваться с заготовкой.
Контроль стружки при шлифовании внутренней резьбы подразумевает промывку зоны шлифования охлаждающей жидкостью. Опять же, трудно подать охлаждающую жидкость в зону шлифования в направлении вращения круга, не препятствуя при этом кругу и шлифовальному шпинделю войти в маленькое отверстие, поскольку внутреннее пространство отверстия ограничено.
Шлифование внутренней резьбы отличается высокой точностью, что позволяет точно контурировать колесо и быстро переконтуривать его по мере необходимости после того, как колесо сформировано. Кроме того, шлифование внутренней резьбы повышает производительность. Колесо можно переконтурить для получения различных форм резьбы без необходимости замены других колес.
Хороший шлифовальный станок для внутренней резьбы должен обладать несколькими характеристиками: хорошей жесткостью и термостойкостью, высокой точностью перемещения по осям, точной обратной связью по положению и прецизионным шпинделем с регулируемой температурой.
Как производитель деталей определяет, какой метод внутренней резьбы использовать? Каждый метод обработки имеет свои преимущества и недостатки. Если один метод обработки не дает удовлетворительных результатов, следует попробовать другие методы обработки. При определении процесса обработки внутренней резьбы важно учитывать, какой у вас тип станка, и тщательно оценивать стоимость инструмента, цикл обработки и срок службы инструмента.
