Правильный выбор метода и оснастки может оптимизировать процесс нарезания резьбы. Для резьбонарезных инструментов были разработаны усовершенствованные покрытия и марки материалов, используемые для современных токарных резцов в целом. Кроме того, конструктивные улучшения коснулись резьбовых пластин, благодаря чему контроль стружки стал еще более надежным. Однако, несмотря на эти изменения, инженеры-технологи уделяют недостаточно внимания оптимизации операций по нарезанию резьбы, рассматривая данный процесс как нечто неизменное и не поддающееся улучшениям.
В действительности токарный процесс может быть спроектирован более эффективно. Прежде всего, нужно более глубоко разобраться в некоторых принципах нарезания резьбы.
Почему к нарезанию резьбы выдвигаются жесткие требования
К нарезанию резьбы на токарном станке предъявляются более жесткие требования, чем к обычным токарным операциям. Рабочие усилия при нарезании резьбы, как правило, выше, а радиус закругления режущей кромки резьбовой пластины меньше, что снижает ее стойкость.
При токарной обработке подача должна точно соответствовать шагу резьбы. Если шаг составляет 8 ниток на дюйм (25,4 мм), то инструмент должен совершать 8 оборотов на дюйм, проходя 3,175 мм на оборот. Сравните это с обычной токарной операцией, где подача составляет, как правило, около 0,3 мм на оборот. Подача при нарезании резьбы в 10 раз выше, чем при обычном точении, и соответствующие усилия на кромке резьбовой пластины могут увеличиваться от 100 до 1000 раз.
Радиус при вершине режущей кромки, соответствующий такому усилию, составляет обычно 0,4 мм, по сравнению с 0,8 мм для обычной токарной пластины. Что касается резьбовой пластины, данный радиус серьезно ограничен допустимым радиусом на впадине профиля резьбы, определенным соответствующим стандартом. Радиус также ограничен необходимой операцией резания, так как обычная токарная обработка неприменима из-за возможной деформации резьбы.
В результате высоких усилий резания и более плотной их концентрации резьбовые пластины подвергаются гораздо большей нагрузке, чем обычные токарные пластины.
Пластины с полным и неполным профилем
Пластины с неполным профилем обрабатывают впадину резьбы, не достигая вершины (см. рис. 1). Одна пластина может обрабатывать различные виды шагов, вплоть до самого крупного (с наименьшим количеством ниток на дюйм), что определяется прочностью зоны закругления режущей кромки.
Радиус закругления режущей кромки должен быть достаточно малым, чтобы пластина могла обрабатывать резьбы разного размера. Для небольших шагов требуется очень малый радиус, при этом пластина проникает глубже. Например, для обработки резьбы с шагом 8 ниток на дюйм пластиной с неполным профилем необходима глубина врезания 2,7 мм, в то время как та же самая резьба, нарезаемая полнопрофильной пластиной, требует глубины 2 мм. При этом пластина с полным профилем позволяет получить более прочную резьбу. Более того, для обработки резьбы такой пластиной требуется в четыре раза меньше проходов.
Многозубые пластины
Многозубые пластины имеют ряд последовательно расположенных зубьев, где каждый последующий зуб врезается во впадину резьбы глубже, чем предыдущий (см. рис. 2). Количество шагов, требуемых для нарезания резьбы такой пластиной, может быть сокращено на величину вплоть до 80 процентов. Срок службы инструмента значительно больше, чем у однозубых пластин, поскольку на последний зуб приходится лишь половина или третья часть от общего снимаемого металла.
Однако из-за высоких усилий резания данные пластины не рекомендуются для тонкостенных деталей – во избежание сильных колебаний. Кроме того, конструкция заготовки, обрабатываемой такой пластиной, должна иметь достаточно канавок для выхода всех зубьев из зоны резания.
Глубина врезания на проход
Глубина врезания на проход – крайне важный параметр нарезания резьбы. Каждый последующий проход задействует бо́льшую часть режущей кромки пластины. Если глубина врезания на проход постоянна (что не рекомендуется), то усилие резания и интенсивность съема металла могут существенно увеличиваться с каждым проходом.
Например, при нарезании 60-градусной резьбы с постоянной глубиной врезания 0,25 мм на проход, при втором проходе снимается в три раза большее количество металла, чем при первом. И с каждым следующим проходом количество снимаемого металла увеличивается в геометрической прогрессии.
Чтобы избежать этого и сохранить более практичные усилия резания, с каждым проходом глубину врезания необходимо уменьшать.
Методы врезания
Существует как минимум четыре метода врезания (см. рис. 3). Мало кто знает, насколько сильно выбор определенного метода может повлиять на эффективность нарезания резьбы.
А. Радиальное врезание
Хотя это самый распространенный метод нарезания резьбы, он наименее рекомендован. Если резец подается радиально (перпендикулярно к оси заготовки), металл снимается с обеих сторон профиля резьбы, в результате чего формируется стружка в форме буквы V. Такая форма стружки трудно поддается разлому, поэтому стружкоотвод может представлять проблему. Кроме того, на обе стороны режущей кромки оказывается сильное тепловое и ударное воздействие, что значительно сокращает срок службы инструмента по сравнению с другими методами врезания.
В. Одностороннее боковое врезание
В этом методе направление врезания параллельно одной стороне резьбы, и инструмент, как правило, движется вдоль линии под углом 30º. В результате образуется стружка, аналогичная получаемой при обычном точении (см. рис. 4). В сравнении с радиальным врезанием формирование стружки и отделение от режущей кромки происходит легче, что гарантирует лучший отвод тепла. Однако при таком методе вместо резания происходит трение вспомогательной режущей кромки о боковую поверхность резьбы. Это приводит к истиранию, негативно влияет на качество обработки поверхности и может вызывать вибрации.
С. Модифицированное одностороннее боковое врезание (рекомендуется)
Данный метод похож на метод одностороннего бокового врезания, за исключением того, что угол врезания меньше угла профиля резьбы – менее 30º. Он сохраняет преимущества метода одностороннего врезания, при этом проблемы, связанные со вспомогательной кромкой, отсутствуют. Наилучший результат обеспечивается с углом врезания 29½º, но на практике приемлем любой угол от 25 до 29½º.
D. Двухстороннее боковое врезание
В этом случае пластина подается попеременно вдоль обеих сторон профиля резьбы и, следовательно, в процессе задействуются обе стороны режущей кромки. Это позволяет распределить нагрузку и способствует увеличению срока службы инструмента. Однако такое врезание также может вызвать проблемы с отводом стружки, что может ухудшить качество поверхности и стойкость инструмента. Данный метод обычно используется лишь при очень больших величинах шага и для таких форм резьбы, как трапецеидальная и ACME.
Выравнивание задних углов
Некоторые резьбовые пластины и державки имеют возможность точного наклона пластины в направлении врезания при изменении угла подъема винтовой линии. Это свойство обеспечивает высокое качество резьбы, предотвращая трение пластины о боковую поверхность профиля. Оно также позволяет продлить срок службы резца в силу равномерного распределения усилий резания по всей длине режущей кромки.
Пластина, не имеющая такой возможности, где режущая кромка подается параллельно осевой линии заготовки, образует неравные задние углы главной и вспомогательной кромок пластины (см. рис. 5). В частности, при крупном шаге это неравенство может стать причиной трения кромки о поверхность профиля резьбы.
Регулируемые системы позволяют изменять угол наклона пластины путем воздействия на головку державки с помощью опорных пластин. Точная регулировка получается в результате выравнивания углов главной и вспомогательной кромок, благодаря чему износ становится более равномерным.
Миниатюризация и специализация
Резцы со вставными пластинами обеспечивают нарезание внутренней резьбы в отверстиях диаметром вплоть до 7,6 мм. Использование токарных инструментов для нарезания резьбы в таких малых отверстиях дает множество преимуществ. Качество формируемой резьбы, как правило, выше, конструкция пластины способствует отводу стружки из отверстия с незначительным ущербом для резьбы, а возможность индексации пластин позволяет снизить затраты на оснастку.
Для подобных инструментов обычно используется твердый сплав, позволяющий выполнять обработку на низких скоростях. Что же касается нарезания резьбы в малых отверстиях, использование низкой скорости резания является единственно возможным вариантом ввиду ограничений по кинематике станка.
Технологические инновации расширили сферу применения резьбонарезных инструментов, и переход к нарезанию внутренней резьбы малого диаметра резцами – яркий тому пример. Несмотря на широкую номенклатуру стандартных инструментов, производители продолжают сталкиваться с определенными проблемами, оправдывающими применение специализированной оснастки (см. рис. 6.). Особая оснастка, проектируемая в сотрудничестве с поставщиком, – это возможность, которой нельзя пренебрегать при поиске рациональных параметров резца для конкретного вида работ.
Источник материала: перевод статьи
Threading On A Lathe,
Modern Machine Shop
Автор статьи-оригинала:
Стюарт Палмер (Stuart Palmer)
Об авторах:
Стюарт Палмер (Stuart Palmer) – маркетолог израильской компании-производителя режущих инструментов Vargus Ltd., расположенной в г. Нагария.
Майк Канаговски (Mike Kanagowski) – директор компании VNE Corp., которая является партнером Vargus Ltd. и находится в г. Джейнсвилл, штат Висконсин (США).
