Особенности получения резьбовых соединений на основе деталей с винтовым волнистым профилем

Особенности получения резьбовых соединений на основе деталей с винтовым волнистым профилем

Рассмотрены свойства нового типа резьбовых соединений с волнообразным профилем участков соединяемых деталей. Представлена хронология изобретений данного вида деталей и соединений. Приведены основные методы получения наружных и внутренних волнистых резьб. Установлены основные формы волнистых элементов на основном профиле резьбы. Проанализированы возможные технические свойства таких соединений.

Аннотация статьи
резьбовыдавливающие крепежные детали
динамические нагрузки
вибростойкость
самонарезающие винты
винтовая линия
самостопорение
волнистый профиль
резьбовые соединения
Ключевые слова

Идея внести определенные изменения в конструкцию традиционных резьбовых деталей для придания им высоких эксплуатационных свойств возникла в начале XX века. Удалось обнаружить наиболее старые патенты США на крепежные детали с изменённой траекторией винтовой линии. Это патент US 756269 от 5.04.1904 г. (V.P. McMahon) на винт и гайку с прямоугольной резьбой, нить которой имела волнистые искажения. Патент US 1070247 от 12.08.1913 г. (F.P.Haines) выдан на самостопорящую резьбу с волнистой линией внутреннего диаметра и непериодической линией наружного диаметра.

Первоначально такие резьбы и соединения были ориентированы на придание соединениям высоких стопорящих свойств. Таким образом, винты, болты и шпильки с волнистым профилем обеспечивали высокую степень сопротивления отвинчиванию. В таблице 1 приведены хронологические данные по патентам на такого рода изделия. Соединения с волнистым профилем резьбы на одной из крепежных деталей выполняли роль тугих резьбовых соединений, поэтому их устойчивость к отвинчиванию наиболее часто сравнивали со свойствами соединений с радиальным натягом по ГОСТ 4608-81. В настоящее время подобные детали получили широкое распространение в виде самонарезающих винтов с повышенной проникающей способностью для дерева и пластмасс. Например, винты самонарезающие SPAX немецких компаний ABC Verbindungstechnik и SPAX International GmbH & Co. Они широко используются в строительстве при монтаже деревянных конструкций, для крепления профнастила и т.д. Волнообразный профиль на начальных витках резьбовой части таких винтов призван повышать режущую способность витков винта и обеспечивать надежное крепление деталей. Конструкции же узлов машиностроительного назначения требуют не только иных форм и конфигураций витков посадочной части, но и соответствующих технологий монтажа таких деталей.

Конструктивные особенности крепежных деталей с волнистым профилем резьбы позволяют производить их завинчивание, как в резьбовые, так и в гладкие отверстия ответной детали.

Таблица 1

Хронология патентной информации по изделиям с волнистой резьбой

п/п

Номер патента, авт. свидетельства

Автор(ы)

Название

Год

Цель изобретения

1

US 1070247

F.P.Haines

Self-locking screw

1913

Создание стопорящего момента

2

US 3481380

A.R.Breed

Thread forming fastener

1969

Резьбовыдавливание винтом

3

US 3661194

D.B.Macfarlane

G.T.Rathka

Prevailing torque fastener

1972

Создание стопорящего момента

4

А.С. 617621

С.И.Житницкий, С.Ф.Рикман, Л.М.Натапов

Резьба самотормозящая

1978

Создание стопорящего момента

5

А.С. 678201

С.И.Житницкий, Л.М.Натапов

Резьба самотормозящая

1979

Создание стопорящего момента

6

А.С. 800446

Л.М.Натапов

Резьба самотормозящая

1981

Стопорение и базирование резьбовых деталей

7

А.С. 1263922

Л.М.Натапов, Л.П.Шацман, С.Ф.Рикман

Резьба самотормозящая и способ ее изготовления

1986

Стопорение

8

А.С. 1802221

Березин С.Я., Грушева Н.Н.

Деформирующая шпилька

1993

Резьбовыдавливание

9

US 7326014

K.R.Levey,

F.W.Bechtel,

M.P.Glynn

Interactive fit screw thread

2008

Надежность крепления электрических контактов

10

US 7914244

J.S.Babulka

J.M.Thomas

K.Ponnampalan and other

Fastener with zoned, varying wave-form thread

2011

Надежность крепления электрических контактов

11

US 2013/0051954

K.R.Levey,

 

Thred forming die and method

2013

Метод и средства накатки волнистой резьбы.

12

RU 2567353

Березин С.Я., Карпов А.Р

Виброустойчивое резьбовое соединение (варианты)

2015

Повышение вибростойкости соединения

13

RU 2585590

Березин С.Я., Карпов А.Р.

Способ получения самостопорящейся резьбы

2016

Способ обработки волнистой резьбы на станках с ЧПУ

В первом случае создание натяга по среднему диаметру гребней волн обеспечивает высокие стопорящие свойства соединений, а во втором, наличие волнистого профиля на заходной части стержня, решает одновременно задачи резьбовыдавливания и стопорящих свойств. Одна из конструкций таких деформирующих шпилек описана изобретением по а.с. 1802221 (1993 г.).

Интерес к такого рода деталям и соединениям основан на гипотезе о своеобразном их высоком КПД, суть которого заключается в том, что очаговый натяг по гребням волн, позволяет получить более высокие значения сопротивления отвинчиванию при менее высоких значениях крутящих моментов сборки и затяжки. Более того, формируемый при затяжке своеобразный «пятнистый контакт» может положительно сказываться на динамической устойчивости соединений в условиях действия переменных нагрузок.

По имеющимся патентным описаниям, можно установить следующие области применения деталей и соединений с волнистой резьбой:

  • получение соединений с высокими стопорящими свойствами и повышение вибростойкости соединений в условиях динамических нагрузок;
  • снижение силовой напряженности в процессе резьбовыдавливания, т.е. волнистый профиль участвует в формировании резьбы;
  • обеспечение требуемого закона распределения контактных напряжений по виткам затянутого резьбового соединения;
  • обеспечение надежного электрического контакта в электроприборах;
  • применение оправок с волнистой резьбой в качестве базирующих элементов при механической обработке деталей.

Для создания виброустойчивых соединений с натягом необходимо обеспечивать определенную амплитуду волнистого профиля. В работе [1] описана методика расчета амплитудных значений волнистого профиля для создания необходимого натяга с целью повышения стопорящих свойств. Например, для соединения с резьбой М 10 по посадке 6Н/6g и 80% – ной вероятности, величина зазора соответствует 160 – 170 мкм. Таким образом, суммарные значения амплитуды волнистости для резьбы М10 должны находиться в пределах 200 – 220 мкм. Такие соединения обладают плотной посадкой и не создают значительных крутящих моментов при сборке, характерных для стандартных соединений с натягом по ГОСТ 4608-81. Однако они обладают более высоким стопорящим моментом за счет локального внедрения вершин волнистого профиля в области верхних витков при затяжке соединения.

Волнистый профиль на стержневых деталях и на внутренней резьбе возможно получать лезвийной механической обработкой и пластическим деформированием. Выбор той или иной технологии зависит от нескольких факторов. Во-первых, необходимо установить, где должен располагаться волнистый профиль, на стержне или в отверстии. Во-вторых, какая конфигурация волны рекомендована для данной детали. В-третьих, какие материалы резьбовой пары установлены техническими условиями.

В таблице 2 приведены возможные варианты расположения волнистых участков на деталях резьбовой пары. На основании данных таблицы можно сделать два заключения: 1. Вариантов расположения волнистых участков на наружной резьбе значительно больше, чем на резьбе отверстия. 2. Одновременного наличия таких участков на стержнях и в отверстии не рекомендовано, т.к. в этом нет смысла.

Таблица 2

Варианты расположения участков с волнистым профилем на элементах резьбовой пары

№ п/п

Материал охватывающей детали (гайки, гнезда корпуса)

Вид отверстия

Положение волнистого профиля

На резьбе стержня

На резьбе отверстия

1

Аминопласты: полистирол, винипласт, капрон и т.д.

Резьбовое

+

-

Гладкое

+

-

2

Алюминиевые и магниевые сплавы

Резьбовое

+

-

-

+

Гладкое

+

-

3

Черные металлы

Резьбовое

+

-

-

+

Гладкое

+

-

Технологические возможности получения наружных резьб с волнистым профилем гораздо шире, чем возможности получения внутренних резьб. Первые можно накатывать на плосконакатных станках плашками, имеющими участки с соответствующими профилями. Известны примеры обработки сложнопрофильных резьб, в то числе и волнистых, методом радиального обжатия резьбовыми бойками на заготовках с продольными пазами. Примером может служить оборудование компании Sieber Tool Engineering L.P. (США), описанное в работе [2], см. рисунок.

Специальные крепежные изделия на стержневых деталях можно получать и на токарно-фрезерных станках с ЧПУ, оснащенных приводными фрезерными головками для однониточных дисковых резьбовых фрез. Обработка производится с модулированной шаговой подачей. Возможна обработка резьбы угловыми концевыми фрезами с различными вариантами модулированных подач.

Рис. Получение наружных винтовых профилей методом радиального обжатия на оборудовании компании Sieber Tool Engineering L.P. (США): а) схема работы; б) конфигурация выдавливаемых профилей

С развитием станков с ЧПУ и их программного обеспечения, технология планетарного резьбофрезерования стала широко использоваться для наружной и внутренней резьбообработки (см. патент RU 2300449 (10.06.2007), US 2010/0260568 (14.10.2010), US 8 142 119 (27.03.2012) и др.). Однако, существующая информация по таким методам обработки касалась только резьб с идеальной цилиндрической или конической образующей винтовой линией, т.е. для обычных гладких резьб под стандартные посадки. Патентом RU 2 585 590 (27.05.2016) описана возможность получения волнообразных профилей на внутренних резьбах с модулированными круговыми и вертикальными подачами инструмента.

Учитывая перспективность соединений с такими винтовыми нарезками, весьма актуальной задачей становится и освоение технологии их обработки, сборки и испытаний. Для ее реализации применялся способ планетарного фрезерования однозубыми концевыми фрезами, например, TMSD компании Vargus или трехзубыми концевыми фрезами CoroMill 327 компании Sandvik Coromant с модулированной вертикальной или радиальной подачей по шагу.

Рассмотренные технологические методы обработки волнистых профилей и возможности оборудования позволяют располагать их даже не по всей длине винтовой нарезки, а на отдельных её участках, менять геометрическую форму волны по участкам, число волн на одном витке и другие параметры. Поскольку натяг носит очаговый характер по гребням волн и достигает 50-60 мкм, крутящие моменты сборки значительно ниже, чем у аналогичных тугих соединений со сплошной резьбой.

Динамическую устойчивость таких соединений можно обеспечить получать путем дробления посадочной части детали на участки с различной геометрией волнистых профилей. В этом случае каждый из участков резьбового контакта будет обладать собственной частотой колебаний и случай общего резонансного режима для всей нарезки маловероятен [3].

Таким образом, резьбовые соединения с периодическим контактом по волнистым профилям обладают широкими возможностями их получения, эксплуатации и целевого проектирования.

Текст статьи
Ведется прием статей
Прием материалов
c 16 сентября по 30 сентября
Осталось 6 дней до окончания
Препринт статьи — после оплаты
Справка о публикации
БЕСПЛАТНО
Размещение электронной версии
05 октября
Загрузка в elibrary
05 октября
Рассылка печатных экземпляров
09 октября