METODY NACINANIA GWINTÓW

Szkic stanowiska

Rys. 1. Schemat tokarki uniwersalnej

Rys. 2. Wiertarka stołowa

Nazewnictwo i podział gwintów

Gwint to występ o stałym zarysie, utworzony na powierzchni obrotowej w wyniku przesunięcia zarysu wzdłuż linii śrubowej.

Gwinty dzielą się na:

• walcowe i stożkowe, ze względu na kształt powierzchni, na której są wykonane,

• trójkątne, trapezowe, prostokątne i okrągłe ze względu na kształt zarysu,

• zewnętrzne (wykonane na powierzchni wałka, zwane gwintem śruby) i wewnętrzne wykonane w otworze, zwane gwintem nakrętki),

• prawe (wkręcające się przy obrocie zgodnym z ruchem wskazówek zegara) i lewe wkręcające się przy obrocie przeciwnym do ruchu wskazówek zegara),

• metryczne, modułowe, calowe i diametral pitch ze względu na sposób normalizowania podziałki,

• jednokrotne (zwane jednozwojnymi, w których podziałka jest równa skokowi) i wielokrotne (zwane wielozwojnymi, w których podziałka P jest mniejsza od skoku P_h = z⋅P, gdzie z- krotność gwintu),

Ze względu na dużą różnorodność gwintów tylko część z nich została znormalizowana Do gwintów tych należą:

a) gwint metryczny - trójkątny walcowy o kącie zarysu 60°, stosowany w Polsce i w większości krajów europejskich,

b) gwint calowy (Whitwortha) - trójkątny walcowy o kącie zarysu 55°, stosowany głównie w krajach anglosaskich,

c) gwinty rurowe calowe:

• walcowy trójkątny o kącie zarysu 55°,

• stożkowy trójkątny o kącie zarysu 55°,

• stożkowy trójkątny o kącie zarysu 60° (tzw Briggsa),

stosowane w złączach hydraulicznych, gdzie podstawowym kryterium jest szczelność,

d) gwint trapezowy symetryczny - walcowy o kącie zarysu 30°, stosowany głównie w połączeniach ruchowych o zmiennych kierunkach obciążenia,

e) gwinty trapezowe niesymetryczne:

• walcowy o kącie zarysu 30°,

• walcowy o kącie zarysu 45°

stosowane w połączeniach ruchowych obciążonych jednokierunkowo,

f) gwinty walcowe okrągłe

• gwint Edisona, stosowany głównie w elektrotechnice,

• gwint pochłaniaczy i masek (PN-70/Z-02000),

• gwint opakowań szklanych, metalowych i z tworzyw sztucznych oraz zamknięć metalowych i z tworzyw (PN-72/0-79082)

Oznaczenia znormalizowanych rodzajów gwintów podano w tablicy 1.

Tablica 1. Oznaczenia znormalizowanych rodzajów gwintów

Rodzaj gwintu	Wymiary, które należy podać w oznaczeniu	Znak	Przykład
Metryczny zwykły	średnica zewnętrzna śruby w mm	M	M16
Metryczny drobnozwojny	średnica zewnętrzna śruby x skok, w mm	M	M16x1
Calowy	średnica zewnętrzna śruby w calach		3/4”
Calowy drobnozwojny	średnica zewnętrzna śruby x skok w calach	W	W 1/2” x 1/16”
Rurowy walcowy	średnica wewnętrzna rury w calach	G, Rp	G1/2”
Rurowy stożkowy	średnica wewnętrzna rury w calach	R; Rc	Rc3/4”
Trapezowy symetryczny	średnica zewnętrzna śruby x skok, w mm	Tr	Tr24x5
Trapezowy niesymetryczny	średnica zewnętrzna śruby x skok. w mm	S	S22x6
Trapezowy niesymetryczny 45°	średnica zewnętrzna śruby x skok, w mm	S45°	S45°80x5
Okrągły	średnica zewnętrzna śruby w mm x skok w calach	Rd	Rd32x1/8”
Stożkowy calowy (Briggsa)	średnica nominalna gwintu w calach	St. B	St. B1”
Stożkowy metryczny M6x1	średnica nominalna x skok, w mm	St. M	St. M6x1
Edisona	średnica nominalna w mm	E	E27
Edisona metryczny	średnica nominalna w mm	Em	Em16
Do rurek pancernych	liczba skoków gwintu na 1 cal	P	P16
Do połączeń klosza z korpusem w elektryczn. oprawach oświetl.	średnica nominalna gwintu klosza w mm	A	A84,5
Rowerowy	średnica nominalna gwintu w mm	Rw	Rw9,5
Do zaworów do dętek	średnica nominalna gwintu w mm	Gz	Gz10,3

Metody wykonywania gwintu

Części śrubowe (śruby, nakrętki) stanowią liczbowo najbardziej rozpowszechnioną grupę w produkcji przemysłu maszynowego. Szacuje się, że ok 40-50% części maszyn posiada gwint. Ogromna rozpiętość skali produkcji jest przyczyną występowania bardzo dużej różnorodności procesów technologicznych wytwarzania tych części Wyróżnia się następujące, mające przemysłowe znaczenie, metody wykonywania gwintu:

• walcowanie,

• szlifowanie,

• frezowanie,

• nacinanie głowicami gwinciarskimi (gwinty zewnętrzne),

• nacinanie narzynką (gwinty zewnętrzne),

• nacinanie gwintownikiem (gwinty wewnętrzne),

• nacinanie nożem na tokarce.

Znakomita większość wszystkich wymienionych metod zalicza się do metody kształtowej, tzn. zarys gwintu powstaje przez odwzorowanie zarysu narzędzia, a jego dokładność zależy od dokładności wykonania narzędzia. Linię śrubową gwintu uzyskuje się przez powiązanie kinematyczne przedmiotu. Ogólnie biorąc, metody obróbki wiórowej dla części śrubowych stosuje się dla małych serii. Obróbka taka jest bowiem bardzo pracochłonna, od 50-1000 razy bardziej niż bezwiórowa, i o małym wskaźniku wykorzystania materiału (prawie 2-krotnie mniejszym niż w obróbce bezwiórowej). Stąd też znormalizowane części gwintowe są produkowane w wyspecjalizowanych zakładach przy zastosowaniu metod bezwiórowych.

Walcowanie gwintu

Walcowanie gwintu polega na kształtowaniu gwintu podczas przetaczania się półwyrobu między dwiema szczękami lub rolkami o odpowiednim zarysie i rozstawieniu. Przy walcowaniu gwintów rowkowane potwierdzenie szczęk lub rolek wgniatają się w materiał obrabiany, dzięki czemu zewnętrzne warstwy materiału odkształcają się plastycznie i przybierają zarys gwintu. Obecnie stosuje się 3 typowe sposoby walcowania:

• za pomocą szczęk płaskich,

• rolkami napędzanymi (patrz rys. poniżej),

• głowicami.

W praktyce walcowanie umożliwia wykonywanie gwintów o średnicach do 100 mm i skoku do 12 mm o wszystkich zarysach, z wyłączeniem gwintów prostokątnych. Walcowanie gwintów jest najbardziej wydajną metodą ich wytwarzania. Jest to metoda dokładna, pozwalająca uzyskać małą chropowatość, stosowana także do wykonywania gwintów szczelnych oraz gwintów na gwintownikach i sprawdzianach gwintowych, a także na odpowiedzialnych elementach mocujących w przemyśle samochodowym, ciągnikowym i lotniczym. Wytwarza się je na obrabiarkach specjalnych. Metoda umożliwia obróbkę materiałów o dużej wytrzymałości, ale tylko w stanie nieutwardzonym.

Szlifowanie gwintów

Szlifowanie gwintów stosuje się do wykańczania dokładnych gwintów na częściach stalowych w stanie twardym (sprawdziany gwintowe, dokładne śruby stosowane w przyrządach i maszynach, gwintowniki, noże krążkowe do gwintu) Gwinty o małych średnicach (np. gwintowników lub sprawdzianów gwintowych) często szlifuje się od razu w pełnym materiale bez uprzedniej obróbki zgrubnej. Występują 3 zasadnicze metody szlifowania gwintów.

1. szlifowanie wzdłużne ściernicą o pojedynczym profilu (śruby o wysokiej dokładności np. sprawdziany, śruby pociągowe, rolki do walcowania, części mało sztywne, gdzie jest dopuszczalny tylko mały nacisk tarczy. gwinty o skoku ponad 6 mm, gdzie nie można stosować ściernicy wieloprofilowej),

2. szlifowanie wzdłużne ściernicą wielokrotną, stosowane do szlifowania gwintów z pełnego walca; ściernice mają 5 - 7 profili, przy czym od strony rozpoczynania pracy mają stożkowo ukształtowaną część wprowadzającą,

3. szlifowanie przez wcinanie (m. in gwinty znajdujące się blisko kołnierza lub stopnia, o średnicy
   większej od 8 mm). w którym ściernica wielokrotna jest nieco szersza niż długość gwintu i początkowo wcina się na potrzebną głębokość, a dopiero potem następuje szlifowanie przy obracającym się przedmiocie.

Szlifowanie gwintów stosuje się na ogół w tych przypadkach. gdy gwintowanie głowicami, walcowanie lub frezowanie nie mogą być stosowane. Może to być spowodowane rodzajem obrabianego materiału, wymaganiem wysokiej dokładności wymiarowej lub gładkości powierzchni, jak również specjalnym kształtem obrabianej części. Szlifowanie gwintów jest obróbką kosztowną, prowadzoną na specjalnych szlifierkach i wymagającą wysoko wykwalifikowanej obsługi.

Frezowanie gwintów

Frezowanie gwintów jest wydajnym sposobem wykonywania gwintów wewnętrznych większych średnic oraz gwintów zewnętrznych:

Wyróznia się:

• nacinanie frezami wielokrotnymi (grzebieniowymi), stosowane do nacinania gwintów krótkich (max średnica gwintu 200 mm. max długość 30 mm, max skok 6 mm), zwłaszcza w przemyśle maszynowym, samochodowym, obrabiarkowym i zbrojeniowym, gdzie przeważa produkcja masowa; jest to jedyna metoda nacinania gwintów dochodzących do kołnierzy i odsadzeń oraz przy gwintowaniu otworów nie przelotowych o większych średnicach. gdy jest wymagane utrzymanie pełnego zarysu gwintu na całej ich długości; w metodzie tej frez, dłuższy o minimum 2 zwoje od nacinanego gwintu, wcina się w przedmiot na pełną głębokość i dopiero wówczas włącza się obrót przedmiotu i posuw wzdłuż osi gwintu; wszystkie zwoje gwintu są nacinane jednocześnie przy teoretycznie jednym obrocie części gwintowanej (w praktyce przedmiot obraca się o 1 1/6 do 1 3/8 obrotu. gdyż musi nastąpić wcinanie freza w materiał).

• nacinanie frezami krążkowymi pojedynczymi, stosowane do nacinania gwintów długich zewnętrznych (o średnicy do 200 mm i długości do 5 m) i wewnętrznych (o średnicy od 18 do 175 mm) o dużych skokach; przy produkcji gwintów prostokątnych i trapezowych frezowanie, ze względu na niemożność uzyskania dokładnego zarysu, stosuje się jako obróbkę zgrubną.

• nacinanie głowicami frezowymi (głowicami wirowymi), stosowane jako podstawowa metoda obróbki gwintów grubych, charakteryzująca się dużą wydajnością i stosunkowo wysoką dokładnością. Przy obróbce gwintów zewnętrznych stosuje się głównie głowice o ostrzach umieszczonych na jej średnicy wewnętrznej. Umożliwiają one obróbkę gwintów znacznych wymiarów (do średnicy d = 410 mm i długości 26 m.). Do obróbki gwintów wewnętrznych (o średnicach od 25 do 100 mm i l/d<6) stosuje się głowice jednoostrzowe.

Frezowanie gwintów prowadzi się na tokarkach, frezarkach i obrabiarkach specjalizowanych do frezowania gwintów.

Nacinanie gwintu głowicami gwinciarskimi

Gwintowanie głowicami gwinciarskimi jest wydajnym sposobem wykonywania gwintów zewnętrznych w zakresie średnic nominalnych od 36 do 165 mm. Narzędziem jest głowica gwinciarska, wyposażona w jeden z trzech rodzajów noży:

a) noże promieniowe,

b) noże styczne,

c) noże krążkowe.

Głowice mogą być nie obracające się lub obracające się względem przedmiotu gwintowanego. Można nimi wykonywać gwinty walcowe i stożkowe. Umożliwiają odsunięcie noży od przedmiotu obrabianego na tyle, aby możliwe było przyśpieszone wycofanie narzędzia do pozycji wyjściowej po nacięciu gwintu.

Nacinanie gwintu narzynką

Gwintowanie narzynkami stosuje się do wykonywania, głównie ręcznego, gwintów zewnętrznych i ogólnego zastosowania Niekiedy stosuje się tą metodę do kalibrowania gwintów. Gwinty wykonane narzynkami w pełnym materiale nie odznaczają się wysoką dokładnością.

Charakterystyka kształtu narzynek

a) okrągła, b) i c) okrągłe nastawiane za pomocą wkręta, d) okrągła nastawiana o zwiększonej sprężystości.

Przy ręcznym nacinaniu gwintu narzynkami, po częściowym zapełnieniu rowków wiórowych wiórami. powinno się okresowo wycofywać narzynkę i ściąć wióry. aby ułatwić ich odprowadzenie oraz doprowadzenle środka smarnego Przy obróbce maszynowej przeważnie nie wykonuje się okresowych ruchów wycofujących narzynkę Dla ułatwienia odprowadzania wiórów stosuje się narzynki o specjalnej konstrukcji i geometrii.

Średnice zewnętrzne trzpieni, na których nacinamy gwint narzynkami (lub głowicami gwinciarskimi) powinny być nieco mniejsze od zewnętrznych średnic gwintów ze względu na wyciskania materiału w kierunku wierzchołków zwojów podczas procesu nacinania (w większości przypadków zmniejszenie średnicy można przyjąć jako równe 0,2 wysokości zarysu gwintu).

Nacinanie gwintu gwintownikiem

Gwintowanie gwintownikami jest podstawowym sposobem wykonywania gwintów wewnętrznych małych i średnich wymiarów (do średnicy 4 > 52 mm) zarówno ręcznie, jak i maszynowo Gwintowniki, po wywarciu na nie pewnego nacisku wzdłuż osi podczas wcinania się ostrzy, nie wymagają dodatkowego prowadzenia wzdłuż osi gwintu.

Do wykonania określonego gwintu stosuje się gwintowniki pojedyncze lub komplety gwintowników. Komplet gwintowników składa się zwykle z dwóch lub trzech gwintowników. W komplecie złożonym z dwóch gwintowników występuje zdzierak i wykańczak, a komplet złożony z trzech gwintowników zawiera zdzierak, półwykańczak i wykańczak.

Toczenie gwintów

Toczenie gwintów jest dokładnym sposobem wykonywania gwintów na gotowo. Oprócz tego stosuje się je jako operację wykańczającą po innych sposobach kształtowania gwintów lub operację wstępną przed obróbką cieplną i szlifowaniem. Łatwość uzyskiwania gwintu o wymaganym zarysie czyni z toczenia najbardziej uniwersalny sposób wykonywania gwintów Stąd toczenie gwintów stosuje się dla gwintów specjalnie dokładnych, gwintów śrub pociągowych o zarysie prostokątnym lub trapezowym, gwintów o dużych średnicach, o nienormalnym zarysie lub skoku oraz w przypadku niewielkich serii obrabianych części. Właściwym zakresem toczenia gwintów zewnętrznych i wewnętrznych jest produkcja jednostkowa i małoseryjna W produkcji wielkoseryjnej toczone są jedynie gwinty specjalnie dokładne lub długie. Do toczenia gwintów stosuje się noże kształtowe imakowe, oprawkowe, słupkowe lub oprawkowe stożkowe. Noże imakowe są zazwyczaj wykonywane z pojedynczym zarysem, a no ze słupkowe l krążkowe - z zarysem pojedynczym lub wielokrotnym.

Oś zarysu noża musi być ściśle prostopadła do osi powierzchni, na której jest nacinany gwint, a krawędź tnąca ściśle pozioma i położona dokładnie na wysokości kłów w celu nacięcia gwintu należy wykonać od 12 do 50 przejść.

Kinematyka nacinania gwintów

Gwinty w większości przypadków nacinane są za pomocą narzędzi kształtowych, które są narzędziami prostymi i tanimi. Zarys gwintu powstaje jako odbicie krawędzi skrawającej narzędzia, natomiast ruch kształtowania linii śrubowej realizuje obrabiarka. Stąd obróbkę gwintów można przeprowadzać na obrabiarkach ogólnego przeznaczenia, gdy ich układ roboczy ma łańcuch kształtowania linii śrubowej oraz na obrabiarkach specjalizowanych, budowanych specjalnie z przeznaczeniem do wykonywania gwintów. Ogólny warunek kinematyczny nacinania gwintów można sformułować następująco:

gdzie: P_h - skok gwintu obrabianego.

Przesunięcie L narzędzia N przypadające na l obrót przedmiotu obrabianego PO, może być realizowane przez śrubę pociągową SP lub mechanizm krzywkowy K (np. w obrabiarce do gwintów krótkich firmy Cri-Dan). W obu przypadkach skok śruby pociągowej P_hSP lub skok krzywki P_hK (skok spirali P_nK Archimedesa krzywki) jest przez układ kinematyczny transformowany na skok nacinanego gwintu P_h.

Po wyznaczeniu żądanego przełożenia łańcucha kinematycznego kształtowania linii śrubowej (jest to tzw. II linia charakterystyczna):

dokonuje się dla konkretnej obrabiarki analizy jej łańcucha kinematycznego, której celem jest wyznaczenie przełożenia przekładni gitarowej ruchu śrubowego i_II. Wartość I_II realizowana przez obrabiarkę jest iloczynem przełożeń stałych i_s = i_s1 x i_s2 x ... x i_sn (które podawane są na schemacie kinematycznym) i przełożenia przekładni gitarowej i_II: I_II = i_s x i_II

Stąd, po porównaniu prawych i lewych stron wartości położenia I_II uzyskuje się wzór na przełożenie przekładni gitarowej:

wg którego dobiera się koła zmianowe i realizuje się nacinanie gwintu o dowolnym skoku

W celu skrócenia czasu przestawiania obrabiarki (ustawienie przekładni gitarowej jest dość czasochłonne) obrabiarki ogólnego przeznaczenia są wyposażone w specjalną skrzynkę posuwów gwintowych. Skrzynka taka umożliwia, bez każdorazowego ustawiania przekładni gitarowej ruchu śrubowego, nacinanie gwintów o znormalizowanych skokach. Rozróżnia się cztery rodzaje gwintów o znormalizowanych skokach:

• gwint metryczny, gdzie znormalizowany skok P_h podaje się w [mm],

• gwint modułowy stosowany przy obróbce ślimaków, gdzie znormalizowany jest moduł m, a skok wyrażony w [mm] wyraża się wzorem: P_h = zπm, gdzie z-krotność gwintu,

• gwint calowy, gdzie znormalizowana jest liczba zwojów gwintu j, przypadająca na długość jednego cala, kt6rego skok wyrażony w [mm] wyraża się wzorem
  

• gwint diametral pitch (DP), gdzie znormalizowana jest liczba zwojów gwintu j przypadająca na długość π cali, kt6rego skok wyrażony jest wzorem
  

Łańcuch kinematyczny kształtowania linii śrubowej przy obróbce gwintu na tokarce, łączący obrót przedmiotu z obrotem śruby pociągowej, napędzającej suport z nożem zawiera:

• przekładnię zwielokratniającą i_a (najczęściej o przełożeniach 1:1, 1:2, 1:4 i 1:8) umożliwiającą obróbkę gwintów o skokach będących wielokrotnością skoków ciągu podstawowego,

• nawrotnicę N, umożliwiającą nacinanie gwintów lewych i prawych ,

• przekładnię kół zmianowych ruchu śrubowego i_g = i_II wykorzystywaną jako przekładnia stała, gdy obrabia się gwinty o skokach możliwych do uzyskania za pomocą przełożeń znajdujących się w skrzynce lub jako typową przekładnię gitarową w przypadku obróbki gwintów o wszystkich innych skokach;

• skrzynkę posuwów gwintowych i_h, w której można wyodrębnić:

• przekładnię podstawową (przekładnia Nortona lub z kołami przesuwanymi), za pomocą której uzyskuje się przełożenia zapewniające stopniowanie skoków wg ustalonego ciągu podstawowego (jest to ciąg arytmetyczny),

• przekładnię do zmiany jednostek miar skoków gwintów, dzięki której ta sama skrzynka nadaje się do przenoszenia napędu przy obróbce gwintów modułowych i DP oraz metrycznych i calowych,

• przekładnię odwracającą, zmieniającą kierunek przebiegu napędu przez przekładnię podstawową przy przejściu z obróbki gwintów metrycznych na calowe,

• przekładnię do włączania śruby pociągowej (włączona tylko przy nacinaniu gwintu) lub walka pociągowego, występująca w tokarkach uniwersalnych, w których zarówno przy zwykłym toczeniu jak i przy obróbce gwintów wykorzystuje się tę samą skrzynkę posuwów.

Dane techniczne i schemat kinematyczny tokarki L-5

Tokarka uniwersalna L-5 (produkcji chińskiej) umożliwia toczenie, wiercenie (z konika), planowanie czół przedmiotów o maksymalnej średnicy równej:

• 500 mm przy toczeniu nad łożem

• 280 mm przy toczeniu w kłach (nad suportem) przy maksymalnej długości 1900mm (rozstaw kłów - 2000mm)

• 710 mm przy toczeniu tarcz o długości nie przekraczającej 210 mm (toczenie w mostku)

• 55 mm przy toczeniu z pręta podawanego przez otwór wrzeciona (średnica przelotu wrzeciona)

Tokarka umożliwia również toczenie gwintów:

• metrycznych w zakresie skoków 1 - 80 mm

• calowych w zakresie 40-7/16 zwojów/cal

• modułowych w zakresie moduł6w 0,5 - 40 mm

• diametral pitch w zakresie 80-7/8 zwojów/(π cali)

Wrzeciono, pracujące z 17-ma prędkościami obrotowymi w zakresie od 20 do !250 obr./min posiada gniazdo stożkowe - stożek Morse'a nr 6.

Konik z tuleją o maksymalnym wysuwie 170 mm (maksymalna głębokość wiercenia z konika), posiadającą gniazdo stożkowe - stożek Morse'a nr 5, ma możliwość przesunięcia, w kierunku prostopadłym do osi wrzeciona o ± 10 mm (toczenie stożków długich.

Śruba pociągowa ma skok P_hSP = 12 mm.

14

---