Рубрика: Резьба и резьбонарезной инструмент
Наружную резьбу можно получить двумя принципиально разными способами: срезать металл режущим инструментом или выдавить профиль пластическим деформированием. Первый способ — нарезание плашками, резцами, гребёнками, фрезами. Второй — накатка роликами или плоскими плашками. Оба метода широко применяются в промышленности, но дают резьбу с разными свойствами, требуют разного оборудования и подходят для разных задач. В статье разберём, чем накатка отличается от нарезания, в чём преимущества и ограничения каждого способа и как выбрать подходящий.
При нарезании режущая кромка инструмента снимает с заготовки слой металла в виде стружки, формируя впадины резьбы. Объём металла во впадинах уходит в отходы, а волокна материала, сформированные при прокатке или волочении прутка, перерезаются. Поверхность витков имеет следы резания, шероховатость зависит от остроты инструмента, режима и смазки.
При накатке инструмент с резьбовым профилем вдавливается в заготовку. Металл из зоны будущих впадин вытесняется вверх и образует вершины витков. Стружки нет, волокна материала не перерезаются, а изгибаются, повторяя контур резьбы. Поверхностный слой упрочняется наклёпом, а витки получаются гладкими, почти как после полирования.
Поскольку при накатке металл перемещается, а не удаляется, диаметр заготовки под накатку меньше номинального диаметра резьбы и примерно равен её среднему диаметру. Это экономит материал и принципиально меняет подход к подготовке заготовки.
Прочность — главный аргумент в пользу накатки.
Наклёп поверхностного слоя повышает твёрдость впадин и вершин витков. Статическая прочность накатанной резьбы на срез и смятие выше, чем у нарезанной, в среднем на десятки процентов, в зависимости от материала и степени деформации.
Ещё значительнее разница при циклических нагрузках. Непрерывные волокна, сжимающие остаточные напряжения во впадинах и отсутствие рисок от резания резко снижают вероятность зарождения усталостной трещины. Поэтому болты и шпильки ответственного назначения — для двигателей, шатунов, подвесок, фланцев высокого давления — как правило, изготавливают с накатанной резьбой.
Для высокопрочного крепежа применяют накатку резьбы после закалки и отпуска. В этом случае сжимающие напряжения, созданные накаткой, не снимаются последующим нагревом, и усталостная прочность получается максимальной. Однако это требует более мощного оборудования и стойкого инструмента.
Накатанная резьба обычно имеет шероховатость боковых сторон профиля на уровне Ra 0,4–0,8 мкм, что значительно лучше, чем при нарезании плашкой. Гладкая поверхность улучшает свинчиваемость, снижает трение в резьбе и повышает коррозионную стойкость.
Точность накатанной резьбы определяется точностью инструмента, наладки и, что очень важно, стабильностью диаметра заготовки. Колебания диаметра заготовки напрямую переходят в колебания наружного диаметра резьбы. При хорошей подготовке накаткой стабильно получают резьбу полей 6g и 4h, а на прецизионном оборудовании — и выше.
Нарезание резцом на токарном станке с ЧПУ, особенно с многопроходной стратегией, позволяет получить высокую точность профиля и шага, а также легко корректировать размер. Плашки дают более скромную точность. Шлифование резьбы обеспечивает наивысшую точность, но это уже отдельная технология для инструмента и прецизионных деталей.
| Критерий | Накатка | Нарезание |
|---|---|---|
| Отходы | Нет стружки, экономия материала | Металл уходит в стружку |
| Диаметр заготовки | Близок к среднему диаметру резьбы | Близок к наружному диаметру |
| Прочность | Выше, особенно усталостная | Ниже, волокна перерезаны |
| Шероховатость | Ra 0,4–0,8 мкм | Зависит от метода, обычно хуже |
| Производительность | Очень высокая, секунды на деталь | Ниже, особенно при многопроходном точении |
| Материалы | Пластичные, с достаточным удлинением | Практически любые |
| Твёрдость заготовки | Обычно до 35–40 HRC | Значительно выше при твёрдосплавном инструменте |
| Стоимость оснастки | Высокая, окупается в серии | Ниже, гибкая |
| Резьба у буртика | Ограничена, нужен сбег | Возможна с проточкой |
накатка плоскими плашками, двухроликовая и трёхроликовая накатка, накатка головками, планетарная накатка, раскатка внутренней резьбы
Заготовка прокатывается между двумя плоскими плашками, одна из которых неподвижна, а другая совершает возвратно-поступательное движение. Метод очень производителен и применяется в массовом производстве крепежа малых и средних диаметров.
Два или три резьбовых ролика вращаются и сближаются, вдавливаясь в заготовку. Различают накатку с радиальной подачей, когда резьба формируется на всей длине одновременно, и с осевой подачей, когда заготовка проходит сквозь ролики, — так накатывают длинные шпильки и резьбовые стержни.
Устанавливаются на токарные станки, автоматы и обрабатывающие центры. Позволяют накатывать резьбу без отдельного резьбонакатного станка, совмещая операцию с точением в одной установке. Это удобный компромисс для серийного производства на универсальном оборудовании.
Внутреннюю резьбу формируют бесканавочными метчиками-раскатниками. Принцип тот же: металл выдавливается, стружки нет, резьба прочнее. Раскатники особенно хорошо работают в алюминиевых сплавах, меди, латуни и низкоуглеродистых сталях.
Накатка не универсальна. Есть ряд условий, при которых её применение затруднено или невозможно.
Нарезание остаётся основным методом во многих ситуациях:
На токарных станках с ЧПУ резьбу точат резцами со сменными пластинами — это гибко и точно. Плашки и метчики используют для типовых крепёжных размеров. Резьбофрезерование применяют для крупных диаметров и дорогих деталей, где важна надёжность процесса. Вихревое нарезание даёт высокую производительность на длинных винтах.
Решение о методе часто определяется не только техническими, но и экономическими соображениями.
Накатные ролики стоят дорого и изготавливаются под конкретный размер и шаг. Зато их стойкость измеряется десятками и сотнями тысяч деталей. Режущий инструмент дешевле, но изнашивается быстрее.
Накатка занимает секунды, тогда как многопроходное точение резьбы — десятки секунд и минуты. При больших объёмах разница в трудоёмкости становится решающей.
Заготовка под накатку меньше по диаметру, поэтому можно брать пруток меньшего размера. В массовом производстве экономия металла ощутима.
Точной границы нет: она зависит от размера резьбы, материала и доступного оборудования. Ориентировочно при партиях в сотни деталей чаще выгоднее нарезание, при тысячах и десятках тысяч — накатка. Накатные головки на токарных автоматах сдвигают порог вниз.
На практике методы нередко сочетают. Например, точат заготовку под накатку на станке с ЧПУ, затем накатывают резьбу головкой в той же установке. Или нарезают резьбу резцом с припуском, а затем прикатывают её роликом для упрочнения и снижения шероховатости. Для высоконагруженных деталей применяют накатку после закалки и последующее нанесение покрытия. Такая технологическая цепочка обеспечивает и точность, и прочность, и коррозионную стойкость.
Накатные ролики и плашки работают в условиях высоких контактных давлений, поэтому к ним предъявляют жёсткие требования.
Ролики для накатки имеют многозаходную резьбу: их диаметр в целое число раз больше среднего диаметра детали, и число заходов подбирается так, чтобы угол подъёма витков ролика совпадал с углом подъёма витков детали.
Накатка даёт более прочную, гладкую и экономичную резьбу и выигрывает по производительности в серийном и массовом производстве. Нарезание универсальнее: оно подходит для любых материалов, любых профилей, единичных деталей и ремонта, позволяет легко корректировать размер. Выбор метода зависит от материала, требований к прочности, объёма партии и конструкции детали. Изготовление деталей с резьбой — как нарезанной, так и накатанной — а также плашек и резьбового инструмента выполняется по чертежу; подробнее — в разделах продукции и плашек.
