Нормы точности резьбовых деталей и соединений
Резьбовым соединением по ГОСТ 11708–82 «Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба. Термины и определения» называется соединение двух деталей с помощью резьбы, в которой одна из деталей имеет наружную резьбу, а другая – внутреннюю.
Резьбовые соединения являются одним из самых распространенных видов соединений. В машиностроении около 80 % деталей либо имеют резьбовые поверхности, либо их крепление осуществляется с помощью резьбовых изделий.
Основными достоинствами резьбовых соединений являются:
· сравнительно легкая сборка-разборка;
· высокий уровень взаимозаменяемости крепежных резьбовых изделий.
К недостаткам резьбовых соединений можно отнести относительную сложность конструкции и технологии (обработка резьбовых поверхностей требует применения специального оборудования и инструмента, усложняется контроль деталей).
В зависимости от формы профиля различают резьбы:
· метрические (с треугольным профилем, исходным для которого является равносторонний треугольник, с углом при вершине 60o);
· дюймовые (с симметричным треугольным профилем и углом при вершине 55o), применяемые обычно для труб («трубные»);
· прямоугольные (с прямоугольным профилем);
· трапецеидальные (с симметричным трапецеидальным профилем);
· упорные (с несимметричным трапецеидальным профилем);
· круглые (с профилем, образованным дугами).
Кроме того, разработаны резьбы, предназначенные для деталей из определенных материалов, например, для деталей из пластмасс, для керамических деталей, специальные резьбы для конкретных видов изделий, например, окулярные резьбы и др.
По функциональному назначению следует различать резьбовые соединения делительные («отсчетные») и силовые. Первые предназначены для обеспечения высокой точности линейных и угловых перемещений в измерительных приборах и технологическом оборудовании. Так в микрометрических приборах основной измерительный преобразователь – микрометрическая пара винт-гайка, в делительных машинах также основным механизмом является пара винт-гайка.
Силовые резьбовые соединения предназначены для создания значительных сил при перемещении деталей (винтовые прессы, домкраты) или для предотвращения взаимного перемещения соединенных деталей (соединения крышка-корпус, резьбовые соединения деталей трубопроводов, крепление втулки на валу и др.). Деление резьбовых соединений на «отсчетные» и силовые условно и осуществляется исходя из основной функции механизма, например, ходовой винт токарно-винторезного станка должен обеспечить высокую точность перемещения при значительных осевых нагрузках («отсчетное» соединение).
В зависимости от характера функционирования различают неподвижные (крепежные) и подвижные (кинематические) резьбовые соединения. Подвижные резьбовые соединения образуются благодаря применению посадок с зазором. В неподвижных соединениях можно использовать все виды посадок – с натягом, переходные и с зазором. Для того чтобы обеспечить неподвижность резьбового соединения при посадке с зазором, либо используют искусственные методы выборки зазоров (вплоть до создания натягов в соединении), либо применяют дополнительные конструктивные элементы, предохраняющие детали от самоотвинчивания (стопорные шайбы, контргайки, проволочные замки, герметики и др.). Из этого следует, что в неподвижных резьбовых соединениях, полученных применением посадки с зазором, после окончательной сборки возможны натяги по рабочим сторонам профиля резьбы при сохранении зазоров по противоположным сторонам профиля. В тех резьбовых соединениях, где применяют переходные посадки, также создают натяги с использованием специальных «элементов заклинивания» (плоский бурт или цилиндрическая цапфа на шпильке, либо заклинивание по не полностью нарезанному профилю резьбы).
В практической деятельности набольшее распространение получили метрические резьбы.
Профиль метрической резьбы регламентирован ГОСТ 9150–2002 «Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба метрическая. Профиль».
В основу профиля резьбы положен исходный треугольник резьбы (рис.3.98) с углом профиля 60°, высотой исходного треугольника Н и заданным шагом Р.
Рис. 3.98. Номинальный профиль метрической резьбы
К основным элементам метрической резьбы относятся:
Средний диаметр резьбы(d2, D2)– диаметр воображаемого соосного с резьбой цилиндра, образующая которого пересекает профиль резьбы в точках, где ширина канавки равна половине номинального шага резьбы.
Наружный диаметр резьбы(d, D)– диаметр воображаемого цилиндра, описанного вокруг вершин наружной резьбы или впадин внутренней резьбы.
Внутренний диаметр резьбы(d1, D1)– диаметр воображаемого цилиндра, вписанного касательно к впадинам наружной резьбы или вершинам внутренней резьбы.
Шаг резьбы(Р) – расстояние между соседними одноименными боковыми сторонами профиля в направлении, параллельном оси резьбы.
Угол профиля резьбы( 
) – угол между боковыми сторонами профиля.
Угол наклона боковой стороны профиля( /2) – угол между боковой стороной профиля и перпендикуляром, опущенным из вершины исходного профиля симметричной резьбы на ось резьбы. Измеряя угол наклона боковой стороны профиля, можно установить перекос резьбы, происходящий от неточной установки изделия или инструмента. По полному углу перекос резьбы установить нельзя.
Высота исходного профиля(Н) – высота остроугольного профиля, полученного при продолжении боковых сторон профиля до их пересечения.
Рабочая высота профиля– высота соприкосновения сторон профиля наружной и внутренней резьб в направлении, перпендикулярном оси резьбы.
Длина свинчивания(I)– длина соприкосновения винтовых поверхностей наружных и внутренних резьб в осевом сечении.
ГОСТ 8724-81 устанавливает диаметры резьбы от 0,25 до 600 мм и шаги от 0,075 до 6 мм. Установлено 3 ряда диаметров метрической резьбы. При выборе диаметра резьбы следует первый ряд предпочитать второму, второй – третьему.
У резьбы с мелкими шагами одному и тому же наружному диаметру могут соответствовать разные шаги.
Нормирование точности резьбовых поверхностей можно рассмотреть на примере метрических резьб, предназначенных для резьбовых сопряжений с зазором, с натягом и с переходными посадками.
Для обеспечения свинчиваемости действительные контуры свинчиваемых деталей, определяемые действительным значением диаметров, угла и шага резьбы, не должны выходить за предельные контуры на всей длине свинчивания.
Поля допусков назначаются на средний диаметр ( 
, 
) и диаметр выступов резьбы ( 
, 
) т.е. наружный диаметр наружной резьбы d и внутренний диаметр внутренний резьбы D1. Для d1устанавливаются только верхние предельные отклонения, а для D – нижние. Вторые отклонения («в тело детали») не ограничиваются.
Основным параметром резьбового сопряжения, обеспечивающим точность и характер сопряжения, является средний диаметр. Поля допусков на наружный и внутренний диаметры построены таким образом, чтобы обеспечить гарантированный зазор.
Предельные отклонения шага резьбы и угла наклона боковой стороны профиля нормируют для резьб, предназначенных для посадок с натягом и переходных. Для резьб, предназначенных для посадок с зазором, эти погрешности отдельно не ограничиваются, так как принято считать, что они компенсируются отклонениями средних диаметров болта и гайки.
Отклонением шагарезьбы называется разность между действительным и номинальным расстоянием в осевом направлении между двумя точками любых одноименных боковых сторон профиля (расположенными на линии пересечения боковых поверхностей резьбы с цилиндром среднего диаметра) в пределах длины свинчивания или заданной длины.
Свинчивание без натяга резьбовых деталей, имеющих погрешность шага резьбы, возможно только при наличии положительной разности S их диаметров, полученной за счет уменьшения среднего диаметра резьбы болта или увеличения среднего диаметра резьбы гайки:
S = D2i - d2i.
Отклонением угла наклон боковой стороны профилярезьбы называется разность между действительным и номинальным значениями α/2. Эта погрешность может быть вызвана погрешностью полного угла профиля, погрешностью положения профиля относительно оси детали. Эта погрешность может явиться следствием ошибок профиля резьбообразующего инструмента и неточности его установки.
Свинчивание без натяга резьбовых деталей, имеющих погрешность угла наклона боковой стороны профиля, возможно только при наличии необходимого зазора между средними диаметрами болта и гайки, т.е. диаметральной компенсации fp и fa,которая может быть осуществлена за счет уменьшенного среднего диаметра резьбы болта или (и) увеличенного среднего диаметра резьбы гайки.
Значение fp можно найти, из треугольника abc (рис.3.99, а).
Значение fa можно найти, из треугольника gef (рис.3.99, б). Для метрической резьбы (α = 60°) fа = 0,36 Р×α /2.
Зависимости для расчетов fp и fa дают возможность определить действие отклонений Р и α /2 на резьбовые детали в одном (диаметральном) направлении и привести их к одному параметру — диаметру резьбы. Для упрощения контроля резьб и расчета допусков на них введено понятие приведенного среднего диаметра резьбы, учитывающего влияние на свинчиваемость значений параметров d2, D2, fp, fa.
Средний диаметр резьбы, увеличенный у болта и уменьшенный у гайки на суммарную диаметральную компенсацию отклонений шага, угла наклона боковой стороны профиля и других отклонений формы, называется приведенным средним диаметром.
Под приведенным средним диаметром резьбы будем понимать некоторый условный диаметр, учитывающий погрешности шага и угла наклона боковой стороны профиля.
Рис.3.99. Диаметральные компенсации погрешностей профилей резьбы:
а – диаметральная компенсация отклонения шага резьбы;
б – диаметральная компенсация отклонения угла наклона боковой стороны профиля
Приведенный средний диаметр наружной резьбы определяется следующим образом:
d2прив = d2изм + fp + fa,
а приведенный средний диаметр внутренней резьбы
D2прив = D2изм – (fp + fa),
где d2изми D2изм— измеренные средние диаметры болта и гайки.
Суммарный допуск среднего диаметра резьбы
Основные параметры резьб (средний диаметр, шаг и угол профиля) взаимосвязаны, поэтому допустимые отклонения этих параметров резьбовых поверхностей, предназначенных для образования посадок с зазором, раздельно не нормируют. Стандарт устанавливает только суммарный допуск на средний диаметр, т.е.
Td2(TD2)=Δd2(ΔD2)+ fp + fa.
Суммарный допуск среднего диаметра наружной резьбы – это допуск, верхний предел которого ограничивает значение приведенного среднего диаметра, а нижний предел – значение собственно среднего диаметра. Суммарный допуск среднего диаметра внутренней резьбы – это допуск, нижний предел которого ограничивает значение приведенного среднего диаметра, а верхний предел – значение собственно среднего диаметра.
Суммарный допуск определяет положение двух предельных контуров для резьбы болта и двух предельных контуров для резьбы гайки.
В основу классификации резьб по точности и посадкам приняты допуск по среднему диаметру и характер сопряжения по боковым сторонам профиля.