Резьбовые метчики. Виды и методы применения

Нарезка резьбы — весьма сложный процесс механической обработки. Здесь необходима точная увязка вращения и осевого перемещения инструмента и заготовки, чтобы в итоге получить безупречную спираль со строго определенным типом профиля и размерами. Только в этом случае резьбовое соединение можно будет легко собрать.

Для нарезания резьбы внутри какого-либо отверстия используют несколько типов режущих инструментов, среди которых абсолютным лидером будет метчик. Его преимущество в том, что обработка допускает как машинное, так и ручное исполнение. И если резьбонарезной фрезой можно работать исключительно на высокоточном обрабатывающем центре, то метчики одинаково успешно применяют и на станках, и при нарезке вручную, посредством обычного слесарного воротка.

При этом под каждое резьбовое отверстие предусмотрен свой собственный метчик — уникальный по типу и профилю резьбы, по условному диаметру и шагу, по классу точности и степени чистоты поверхностей. От правильного подбора инструмента буквально на 100% зависит успех в решении поставленной задачи, независимо от того, нарезаете ли вы резьбу в грубой шестигранной гайке или во втулке ходовой винтовой передачи.

Что из себя представляют метчики

Первое определение метчика, с которым сталкиваются начинающие машиностроители — это условный болт, по телу которого прорезаны канавки для выхода стружки. Вкручивая этот крепеж в предварительно просверленное отверстие, мы прорезаем винтовую полость с геометрическими параметрами, соответствующими требуемой резьбе. При этом начальные витки действительно режут металл, а уже остальные — доводят готовую спираль до нужного состояния.

Это очень упрощенное описание, но оно позволяет сразу получить весьма достоверный портрет настоящего резьбового метчика. Такой инструмент действительно по своей конструкции очень близок к стандартному болту. Первый взгляд выхватит главное — цилиндрическую стержневую форму и выпуклые витки резьбы на наружной поверхности.

Но всё меняют стружечные канавки. Благодаря им в поперечном сечении инструмент становится похож на радиальное объединения вокруг единой оси нескольких резцов, передняя и задняя режущие поверхности которых заправлены по криволинейной траектории. Так инструментальщики представляют метчик, как сумму нескольких резьбовых гребенок, сформированных в цилиндр.

Рабочее движение при нарезке резьбы — это вращение внутри отверстия со строго увязанным осевым перемещением. И каждая из вершин условного резца на гребенке в определенный момент времени касается металла заготовки, снимая стружку на определенную глубину.

Конструкция метчика подразумевает несколько ключевых элементов:

• заборная (режущая) часть — конус, на котором непосредственно начинаются витки резьбы;
• калибрующая часть — цилиндр, витки резьбы на котором выполняют доводку уже прорезанной заборной частью винтовой поверхности;
• хвостовик — зона, служащая базой для установки инструмента в патрон станка или ручной вороток;
• стружечные канавки — полости по телу метчика, по которым стружка выводится из обрабатываемого отверстия;
• режущее перо — зона между канавками, представляющее собой в поперечном сечении радиальный резец.

При работе метчик действительно затягивается в отверстие по принципу обычного болта. Эта особенность определяет и некоторые ограничения по изъятию инструмента из тела детали по окончании обработки — его нужно не просто вытащить наружу (как сверло или зенкер), а именно выкрутить обратным ходом. Иногда в процессе нарезания резьбы метчик застревает в теле заготовки, после чего его приходится либо выкручивать, либо высверливать.

Отверстие на заготовке сначала сверлят специальным сверлом под заданную резьбу, выдерживая диаметр, в будущем соответствующий внутреннему диаметру витков, после чего обязательно зенкуют фаску. Эта поверхность послужит направляющей для точного центрирования метчика: конус по конусу позволяет легко совместить ось заготовки и ось инструмента. Точная позиция при обработке распределяет нагрузку максимально равномерно, что повышает не только само качество выполнения резьбы, но и улучшает условия работы инструмента, снижает его износ, риск поломки или заклинивания. Кроме того, в процессе нарезания резьбы метчик работает с льющимся маслом, что необходимо для отвода тепла и уменьшения трения.

При вращении режущие витки срезают металл внутри отверстия тонкими слоями, постепенно углубляя профиль резьбы на полную высоту. Толщина реза колеблется от 0,015 до 0,2 мм и зависит от свойств обрабатываемого материала:

• 0,02...0,05 мм — для стали;
• 0,04...0,07 мм — для чугуна;
• 0,015...0,02 мм — для жаропрочных сплавов и титана;
• 0,05...0,06 мм — для алюминия.

Чтобы оценить эти величины в полной мере, приведем сравнение с глубиной резания при чистовом точении — 0,1...0,25 мм. То есть, при нарезании резьбы в отверстиях снимают куда более тонкую стружку.

Но если заборная часть непосредственно режет, то калибрующие витки на метчике реализуют уже минимальную пластическую деформацию. Они поправляют геометрию полученной винтовой канавки, а некоторый наклеп на поверхности дополнительно упрочняет полученную резьбу.

Поскольку метчики работают с очень малыми глубинами резания, обработку отверстия с серьезной резьбой (от М8 и выше) зачастую ведут в несколько заходов. Для этого используют комплект инструментов. В такой набор входят 2 или 4 метчика, разделенные на изделия предварительной, черновой и чистовой обработки. Такой подход позволяет щадяще распределить нагрузку на инструмент, повысить качество и точность финальной резьбы. Примечательно, что для обработки одного резьбового соединения может понадобиться набор метчиков и всего одна плашка — потому что вести нарезку снаружи намного проще.

При помощи метчиков обрабатывают отверстия с диаметром до 50 мм, в некоторых особых случаях — вплоть до 80 мм. Работа с таким инструментом требует специальных навыков. Ее можно реализовать как на станке, так и вручную, причем в мелкосерийном и единичном производстве машиностроители предпочитают отдать нарезку резьбовых отверстий именно слесарям. Причина проста: если что-то пойдет не так, и метчик застрянет в металле, то станок придется вывести из работы минимум на час, пока будут извлекать инструмент. Ручная нарезка более предсказуема и в случае форс-мажора потребует меньше затрат на разрешение проблемы. Кроме того, слесарь от руки сразу чувствует возрастание нагрузки, предшествующее заклиниванию, останавливает и поправляет метчик. Это позволяет избежать его поломки.

Классификация

По области применения метчики делятся на несколько групп:

• ручные — для простых слесарных работ;
• машинно-ручные — универсальные, используемые на токарных и сверлильных станках;
• машинные — для применения на резьбонарезных станках-автоматах и оборудовании с ЧПУ;
• гаечные — для нарезки резьбы в гайках в автоматическом цикле;
• специальные — для решения узких задач, спроектированные под конкретное производство.

Профиль рабочих витков на поверхности метчика в полной мере соответствует профилю нарезаемой резьбы — это обязательное условие, предопределяющее сам принцип работы такого инструмента. Поэтому по назначению метчики также разбиты на изделия:

• для нарезки метрической резьбы (цилиндрической и конической);
• для трубной дюймовой резьбы (цилиндрической и конической);
• для трапецеидальной резьбы;
• для круглой резьбы;
• для упорной резьбы.

По направлению витков существуют метчики:

• правые (стандартные);
• левые.

В зависимости от формы обрабатываемого отверстия предусмотрен инструмент:

• для сквозных отверстий;
• для глухих отверстий.

По особенностям конструкции метчики бывают:

• цельные (преимущественно мелкие, до М12);
• сварные;
• сборные (режущие элементы представлены закрепленными на теле инструмента твердосплавными пластинами).

Среди специального инструмента можно также встретить метчики:

• с увеличенной обратной конусностью;
• с корригированным профилем;
• с шахматным расположением зубьев;
• с бочкообразными зубьями;
• метчики-протяжки;
• комбинированное сверло-метчик.

Широкого распространения такие изделия не получили ввиду своей конструктивной сложности. Наиболее востребованным остается стандартный метчик — который по своей сути не более, чем болт с конусной заходной частью, стружечными канавками и хвостовиком вместо головки.

Конструктивные различия

Созданию резьбовых метчиков посвящена целая отрасль в инструментальной промышленности. И давно уже в научных трудах и справочной литературе зафиксированы некоторые конструктивные закономерности, наследуемые в нескольких поколениях подобного инструмента.

Так большую значимость для работы каждого метчика несет за собой форма, глубина и число стружечных канавок. Действует правило: на диаметре до 17 мм выполняют три канавки, свыше — переходят на четыре. Уменьшение количества этих элементов влечет за собой целый ряд иных изменений. Положительные:

• канавки можно сделать более глубокими и объемными;
• улучшается отвод стружки;
• увеличивается глубина врезания по виткам заборной части метчика.

Отрицательные:

• ухудшается чистота обрабатываемой поверхности.

При этом сами канавки на метчиках выполняют:

• прямыми — чаще всего;
• винтовыми с наклоном 10...20° — что несколько улучшает отвод стружки из отверстия;
• спиральными с наклоном 30...40° — предназначенные для обработки легких цветных сплавов;
• укороченными — длина канавки ограничена только конусной заборной частью метчика (т.н. «бесканавочные» изделия, более жесткие и прочные).

Размеры стружечных канавок также сказываются на таком конструктивном параметре, как ширина зуба. Как правило, эта величина жестко связана с рабочим диаметром самого метчика:

• 25...40% диаметра — для обработки стали и чугуна;
• 22...30% диаметра — для обработки алюминия.

С увеличением ширины зуба возрастает усилие трения, способное привести к заклиниванию и поломке метчика, а также его преждевременному изнашиванию. Уменьшение же ширины ухудшает центрирование и направление метчика внутри отверстия в процессе работы. Проектирование нового изделия требует поиска баланса.

Производство резьбонарезного инструмента подразумевает также разделение общего ассортимента продукции по следующим четырем базовым категориям точности:

• C — со шлифованной резьбой, повышенной точности;
• D — со шлифованной резьбой, обычной точности;
• E — с нешлифованной резьбой, обычной точности;
• H — с нешлифованной резьбой, пониженной точности.

Как видно из описания, степень точности изделия определяет в том числе способ финальной доводки его рабочих поверхностей.

Не стоит также забывать, что профиль и размеры метчика наследуются в теле готового резьбового отверстия. Поэтому подбор инструмента также зависит от требований к финальному результату — должна ли быть реализована посадка с натягом, зазором или переходная. Поле допуска резьбы, реализуемое конкретным метчиком, указывают в документации к нему.

Марки стали для производства метчиков

Затрагивая тему металлов, используемых в инструментальном производстве, всегда начинают с постановки ограничений: одни части изделия должны выполнять непосредственно режущую функцию, другие — выступать несущим элементом, воспринимающим нагрузки сопротивления. Соответственно этому принципу, разные части метчиков изготавливают из разных сплавов.

Если речь идет об изделиях цельной или сварной конструкции, то рабочую зону инструмента делают из:

• быстрорежущих сталей — марок Р18, Р6М5, Р6М5Ф3, Р9К5;
• инструментальных углеродистых сталей — марок У11 и У11А.

Тело же метчика (преимущественно хвостовик) выполняют из стали конструкционного типа — это марки 45, 40Х,50ХФА, изредка У7.

Рабочую зону калят до уровня 61...67 HRC. Высокая твердость определяет собственную режущую способность изделия, возможность оказывать деформирующее воздействие на тело заготовки. Несущая же часть метчика не нуждается в таких характеристиках, зато должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать нагрузку, возникающую от восприятия инструментом сопротивления со стороны заготовки. Поэтому хвостовик делают значительно более мягким, чем рабочая часть метчика. Твердость этого элемента на квадрате приходится на диапазон 35...50 HRC.

Схожая картина присуща и продукции сборной конструкции. Для таких инструментов на корпус из конструкционной стали садят целый набор твердосплавных режущих пластин. Это могут быть элементы из вольфрамовых (ВК6, ВК8), титановольфрамовых (Т5К10, Т15К6) и титанотанталовольфрамовых сплавов (ТТ8К6). Подобные материалы отличаются куда более высокой твердостью и режущей способностью, нежели любая инструментальная сталь. Но они очень хрупкие сами по себе и дорогие, поэтому их участие в инструменте может быть ограничено лишь формой частных пластин, закрепленных на корпусе винтами или пайкой.

Основные виды нарезаемой резьбы

Метрическая

Самой частой задачей, для решения которой может понадобиться метчик, будет нарезка отверстия с метрической резьбой. Этот тип соединений считается универсальным и традиционно используется для силового крепежа.

Профиль метрической резьбы представляет собой витки в форме равнобедренного треугольника с незначительно усеченной вершиной. Угол раскрытия составляет 60 градусов, и именно по этой отличительной черте опытные мастера могут буквально «на глаз» отличить метрическую резьбу от любой иной.

При планировании обработки и подборе резьбонарезного метчика ориентируются на три ключевых параметра:

• диаметр резьбы;
• шаг резьбы (основной или мелкий);
• поле допуска.

Так ГОСТ 16925-93 устанавливает, что обычными метчиками можно нарезать метрическую резьбу с полями допусков 4H, 5H, 6H, 7H, 8H и 4G, 5G, 6G. Нужно отметить, что стандартные гайки выпускают с полем допуска 5H и 6H, тогда как нарезку отверстия в какой-нибудь неответственной крепежной втулке обычно нормируют по 7H или 8H.

Метрическая резьба может иметь цилиндрическое или коническое исполнение. Это также отражается на конструктивных особенностях соответствующего метчика — он будет либо однозначно цилиндрическим с конусной заборной частью, либо двухступенчатым, состоящим из двух конусов. Работать с инструментом второго типа намного сложнее, поскольку схема захода «конический инструмент по коническому отверстию» несет с собой повышенный риск заклинивания.

Дюймовая

В промышленных нормативах такую резьбу называют «трубной». Но, поскольку ее размерность неизменно указывают в дюймовом выражении, закрепилось также второе название — «дюймовая».

Эти соединения применяют для сборки систем, работающих с жидкостной или газовой средой под давлением. Яркий пример — сантехническая труба с наружной или внутренней резьбой. Ограниченная область применения обусловлена тем, что профиль обладает герметизирующими свойствами, что выгодно отличает его от метрического.

Витки дюймовой резьбы раскрываются равнобедренным треугольником с углом при вершине 55 градусов. Есть вариант с 60-градусным раскрытием, но его используют преимущественно в коническом исполнении, для изготовления вспомогательной арматуры для масляных, воздушных и топливных систем промышленного оборудования. 55-градусная же дюймовая резьба — это абсолютный эталон подобного профиля.

Метчики для нарезки подобных отверстий имеют некоторую отличительную особенность. Они прорезают канавки с закругленными впадинами. Дальнейшая посадка резьбового соединения с таким же ответным закруглением при наружных витках пробки и обуславливает уплотнение узла безо всяких резиновых вставок.

На метчиках для дюймовой резьбы обязательно присутствует пометка «G». Каждому диаметру соответствует один-единственный вариант шага. В этом кроется еще одно отличие дюймовой резьбы от метрической, для которой возможны несколько исполнений в основном и мелких шагах. Аналогичный параметр для дюймовой системы называют «числом ниток», но если шаг определяет осевое расстояние повторения витка спирали, то число ниток — это количество повторений спирали на определенной условной длине.

Специальная резьба

Круглая

Профиль круглой резьбы имеет криволинейную форму, приближенную к идеальной окружности, но с некоторыми отхождениями. Наружные витки и впадины винтовой канавки имеют ярко выраженное скругление, представляющее собой отпечаток инструмента. Проще всего нарезать круглую резьбу фасонным токарным резцом, но для мелких отверстий всё равно придется использовать метчик — для другого инструмента там попросту недостаточно свободного пространства.

Особенностью круглой резьбы будет уплотняемость зазоров. При закручивании болта в отверстие, происходит вытеснение воздуха из пространства между витками двух ответных деталей. Вместе с тем легко уходит также грязь и излишки смазки. Это свойство используют, оснащая круглой резьбой узлы, для которых крайне важен «чистый» контакт между сопряженными элементами.

Стандартную резьбу этого типа делят на три категории:

• общего назначения;
• для изготовления санитарно-технической арматуры;
• для выполнения резьбы Эдисона (на электротехнических изделиях и цоколе лампочек).

Метчики для круглой резьбы конструктивно более сложные, чем метрические или дюймовые. Профилированию их витков уделяют намного больше внимания, достигая требуемой криволинейной формы и тщательно шлифуя все поверхности.

Трапецеидальная

Профиль витков такой резьбы имеет форму, приближенную к равнобочной трапеции. Ее обозначают обязательной приставкой «Tr», после которой идет номинальный диаметр, знак умножения и величина шага. Нарезка может быть одно- и многозаходной.

Трапецеидальная резьба отличается плавностью зацепления между болтом и гайкой, а также равномерным распределением действующей нагрузки. И потому такие соединения используют при сборке ходовых винтовых передач.

Различают два основных типа трапецеидальной резьбы:

• с углом раскрытия профиля 30 градусов — в основной метрической системе;
• с углом раскрытия профиля 29 градусов — американский вариант (ACME).

Для нарезки втулок и гаек подобных соединений используют соответствующие метчики. Даже не специалист визуально сможет легко отличить инструмент, предназначенный для нарезки метрической резьбы, и изделия, рассчитанные на выполнение трапецеидальной — у них слишком разные режущие витки, если смотреть на метчик в профиль. Кроме того, трапецеидальной резьбы менее 8 мм диаметром практически не встречается, это преимущественно крупная нарезка — от 24 мм и более.

Упорная

Упорная резьба максимально близка к трапецеидальной, но с одним существенным конструктивным отличием. Если в первом случае трапеция имеет равнобочное исполнение, то для упорного профиля трапеция смещена с раскрытием на 30 градусов в одну сторону и на 3 градуса в обратную. Визуально кажется, что присутствует плоский вертикальный упор, поскольку трехградусный уклон тяжело определить на глаз. Потому резьба и получила название «упорная», а метчики, предназначенные для ее нарезки, легко идентифицировать даже неспециалисту — рабочие витки несимметричны.

Соединения, выполненные по такому принципу, способны выдержать большое одностороннее давление. Они также обладают свойством самостопорения — препятствования самопроизвольному обратному ходу. Собранные узлы используют в конструкции домкратов и прессового оборудования.

На чертеже условное обозначение упорной резьбы по ГОСТу предусматривает приставку «S» впереди условного диаметра и шага. Если резьба имеет многозаходное исполнение, то после диаметра через знак умножения указывают величину хода, а шаг — в скобках с пометкой «P».

Заключение

Резьбовой метчик — одновременно чрезвычайно простой и по-своему уникальный режущий инструмент. Его принцип работы интуитивно понятен, а область применения распространяется как на ручные слесарные операции, так и на обработку на станочном оборудовании, включая агрегатные узлы на конвейерных и роторных автоматических линиях.

Но за конструктивной простотой и универсальностью кроется колоссально проделанная работа по расчету ключевых параметров, проектированию форм и подбору материалов для изготовления подобного инструмента. Метчикам свойственны в некоторой степени хрупкость и уязвимость, ведь минимальная ошибка в режимах обработки или перекос оси может привести к тому, что изделие намертво заклинит внутри. Это актуально как для инструмента бытового назначения, так и для промышленных изделий, профессиональной и полупрофессиональной серии.

Выбирая, каким метчиком обработать то или иное отверстие, ориентируйтесь в первую очередь на геометрические параметры нужной резьбы — ее диаметр, шаг, величину хода для многозаходного исполнения, а также механические свойства металла заготовки. И помните о том, что метчик не просто участвует в формировании нужного профиля обрабатываемой поверхности, как резец или фреза — он в буквальном смысле прорезает резьбу собственным телом.