Повышение точности формообразования мелкоразмерных резьб метчиками в алюминиевых сплавах

Н АУ Ч Н А Я  К Н И ГА
Севастопольский государственный университет
С.М. Братан, Ф.н. Канареев, П.а. новиКов, а.о. ХарченКо
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ 
ФОРМООБРАЗОВАНИЯ 
МЕЛКОРАЗМЕРНЫХ РЕЗЬБ 
МЕТЧИКАМИ  
В АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВАХ
Монография
Москва                    
ВУЗОВСКИЙ УЧЕБНИК            
ИНФРА-М
2020

ФЗ  
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п.1 ч.2 ст.1
УДК 621.923(075.4)
ББК 
30.6
 
Б87
Б87
Братан С.М., Канареев Ф.Н., Новиков П.А., Харченко А.О.
Повышение точности формообразования мелкоразмерных резьб метчиками в алюминиевых сплавах: монография / С.М. Братан, Ф.Н. Канареев, П.А. Новиков, А.О. Харченко. — Москва: Вузовский учебник: ИНФРА-М, 2020. — 164 с. — (Научная книга).
ISBN 978-5-9558-0503-0 (Вузовский учебник)
ISBN 978-5-16-012018-8 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104668-5 (ИНФРА-М, online)
В монографии рассматриваются вопросы повышения точности формообразования внутренних резьб малых диаметров в материалах, склонных к 
наростообразованию. Осуществлен анализ и выявлены причины снижения 
требуемой точности при получении внутренних резьб в указанных материалах режущими и деформирующими метчиками. Указаны пути улучшения 
конструкции метчиков и способ их изготовления. Представлены результаты 
экспериментальных исследований новых конструкций деформирующережущих метчиков и даны рекомендации по их проектированию, технологии 
изготовления и эксплуатации в производственных условиях.
Книга предназначена для научных и инженерно-технических работников 
машиностроительных заводов, а также для студентов вузов соответствующих 
направлений, связанных с металлообработкой.
УДК 621.923(075.4)
ББК 30.6
© Вузовский учебник, 2016
ISBN 978-5-9558-0503-0 (Вузовский учебник)
ISBN 978-5-16-012018-8 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104668-5 (ИНФРА-М, online)
Подписано в печать 15.12.2016. Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Печать цифровая 
Гарнитура Newton. Усл. печ. л. 10,25. Тираж 500 экз. (II — 20). Заказ № 00000
ТК 632365-550168-271016
ООО «Издательский Дом «Вузовский учебник» 
127247, Москва, ул. С. Ковалевской, д. 1, стр. 52 
www.vuzbook.ru
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru
Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
При изготовлении внутренних резьб М3…М6 в деталях из алюминиевых сплавов возникают значительные трудности, связанные с малыми 
габаритами изделий, низкой надежностью режущего инструмента, вызванной несовершенством конструкций и условиями работы зубьев метчика в зоне резания (активное наростообразование, плохой доступ смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС), наличие пакетирования стружки и невозможность ее удаления из зоны контакта инструмента и заготовки). Метчики в силу конструктивных ограничений имеют 
несовершенную геометрию рабочей части, прочность которой в большинстве случаев оказывается недостаточной.  
В настоящее время для формообразования резьб М3…М6 наиболее 
широко применяют режущие и деформирующие метчики, каждый из которых обладает набором особенностей, связанных с явлениями, возникающими в зоне контакта инструмента и детали при формообразовании 
резьбовой поверхности. Несмотря на то, что отечественной и мировой 
наукой накоплен достаточный объем теоретической и экспериментальной информации о физических процессах и явлениях, протекающих при 
формообразовании резьбовых поверхностей, основные закономерности 
получения внутренних резьб малых диаметров до сих пор недостаточно 
изучены. 
Точность внутренних резьб М3…М6 определяется параметрами инструмента и условиями обработки. Отклонения точностных характеристик и режимов приводят к браку и снижению эффективности на данной 
операции. В этой связи совершенствование процесса резьбообработки 
внутренних резьб малых диаметров является актуальной задачей. 
По обработке внутренних резьб в настоящее время отсутствуют единые научно обоснованные рекомендации, что во многих случаях не позволяет получать в производственных условиях заданные параметры качества резьб. 
В монографии приведены результаты выполненных в Севастопольском государственном университете (кафедра «Технология машиностроения»), а также на промышленных предприятиях Крыма и г. Севастополя 
комплексных теоретических и экспериментальных исследований работы 
мелкоразмерных метчиков в деталях из алюминиевых сплавов. 
Даны рекомендации по проектированию новых конструкций деформирующе-режущих метчиков, технологии их изготовления, а также повышению точности резьбообработки при их промышленной эксплуатации. 
 
 
3
 
3

 
Глава 1 
АНАЛИЗ ПРИЧИН СНИЖЕНИЯ ТОЧНОСТИ 
ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ВНУТРЕННИХ РЕЗЬБ 
МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ В ДЕТАЛЯХ  
ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ 
 
1.1 Обзор и анализ особенностей  
формообразования внутренних резьб М3...М6  
в деталях из алюминиевых сплавов 
 
Мировая тенденция развития отраслей техники, в том числе машино- 
и приборостроения, направлена на производство деталей и элементов 
конструкций из материалов, обладающих высокими антикоррозионными 
свойствами, которые хорошо прокатываются, подвергаются штамповке  
и ковке, легко обрабатываются лезвийным инструментом, а также характеризуются относительно высокой прочностью и малым удельным весом 
[3, 50, 126]. К числу таких материалов относятся алюминиевые сплавы, 
которые в три раза легче чугуна и стали, имеют высокую электропроводность, хорошо «льются» и обрабатываются лезвийными инструментами. 
Алюминий является самым распространенным в природе элементом после кислорода и кремния, что обуславливает интенсификацию его добычи (Приложение А, таблица А.1) и применения в мировой практике 
(Приложение А, рис. А.1, А.2). 
Алюминиевые сплавы нашли широкое применение в строительстве, 
авиационно-ракетной промышленности, электротехнике, в машиностроении и приборостроении, а также при изготовлении предметов широкого 
потребления. В последнее время не осталось почти ни одной отрасли промышленности, где можно обойтись без алюминия и его сплавов  
(табл. А.2). 
Однако, несмотря на указанные выше положительные характеристики алюминиевых сплавов, возникают значительные сложности при 
получении ряда конструктивных элементов, в частности, резьбовых отверстий. Это обусловлено высокой вязкостью и склонностью алюминия 
к адгезионному схватыванию, что затрудняет механическую обработку 
деталей и приводит к образованию нароста на поверхности режущего инструмента [10, 17, 67, 99, 121, 130, 139]. 
Резьбовые соединения получили широкое распространение, их доля 
составляет 60–80 от общего числа сопряжений в машино- и приборостроении (рис. 1.1). Работоспособность резьбовых соединений обуславливается в основном качеством внутренней резьбы, которое зависит от 
качества инструмента, режимов и условий обработки, смазывающе-охлаж- 
дающей технологической среды. 
Значительные трудности возникают при изготовлении внутренних 
резьб малых диаметров в деталях из алюминиевых сплавов, что связано 
с малыми габаритами изделий, низкой надежностью режущего инстру4
 
4 

 
мента [9, 38, 39, 71, 100, 129], несовершенством конструкций и условиями работы режущих элементов метчика в зоне резания (активное наростообразование, плохой доступ СОТС, наличие пакетирования стружки 
и невозможность ее удаления из зоны контакта). Образование внутренних резьб малых диаметров является одним из наиболее сложных процессов металлообработки по сравнению с однолезвийной обработкой. 
Метчики в силу конструктивных ограничений имеют несовершенную 
геометрию рабочей части, прочность которой в большинстве случаев 
оказывается недостаточной, подвод СОТС и отвод стружки из зоны обработки затруднены. Обработка происходит практически «всухую», что 
уменьшает стойкость инструмента и заставляет снижать скорость резьбообразования [9, 30, 56, 61, 105, 155]. 
 
 
 
 
Рис. 1.1. Доля резьбовых соединений в узлах машин 
 
 
Опыт эксплуатации машин и приборов показывает, что значительная 
часть разрушений резьбовых соединений связана с технологическими погрешностями [6, 76, 79, 165]. Поэтому одной из основных тенденций повышения надежности работы этих соединений является совершенствование процессов их изготовления с целью обеспечения необходимых параметров качества винтовых поверхностей сопрягаемых деталей [30, 61,  
76, 87]. 
5
 
5

 
Анализ номенклатуры изделий и производства современных машино- 
и приборостроительных предприятий, показал следующее:  
x 
в настоящее время для сопряжения деталей широко используются резьбы с  размерами М3...М6 (до 80);  
x 
при изготовлении внутренних резьб М3…М6 в деталях из алюминиевых сплавов возникают особые трудности, связанные с обеспечением качества резьбы; 
x удельный вес трудоемкости нарезания резьб М3...М6 составляет  
8–10 от общей трудоемкости технологических процессов механической обработки деталей; 
x для формообразования резьб М3…М6 наиболее широко применяют режущие и деформирующие метчики, каждый из которых обладает 
определенными особенностями, связанными с явлениями, возникающими в зоне контакта инструмента и детали при формообразовании резьбовой поверхности; 
x операции образования внутренних резьб малых диаметров выполняются в конце технологического процесса механической обработки деталей или целых узлов, и поэтому к ним предъявляются особые требования. Появление технологических отказов на этих операциях часто приводит к браку изделия в целом [28, 76, 78]. 
Несмотря на то, что отечественной и мировой наукой в настоящее 
время накоплен достаточный объем теоретической и экспериментальной 
информации о физических процессах и явлениях, протекающих при формообразовании поверхностей, основные закономерности получения 
внутренних резьб малых диаметров до сих пор недостаточно изучены. 
Точностные характеристики внутренних резьб малых диаметров 
обеспечиваются точностью и геометрией инструмента, а также режимами обработки [30, 51, 75, 76, 87, 123]. Выход размеров внутренних 
резьб за пределы допусков или поломка метчика приводит к появлению 
брака, что вызывает большие потери в производстве [89]. В связи с этим 
задача совершенствования процесса резьбообразования актуальна и 
имеет большое практическое значение. 
Внутренние резьбы малых диаметров образуются за относительно малый промежуток времени, в течении которого изменяется взаимное расположение поверхностей инструмента и формируемой поверхности, исполнительных механизмов станка, состояние рабочих поверхностей инструмента. 
Вопросам исследования закономерностей процесса образования внутренних резьбовых поверхностей посвящены работы ведущих ученых 
В.В. Матвеева [74…77], В.И. Шагуна [153…157], А.А. Грудова [27…31], 
Ю.Л. Фрумина [143], О.С. Андрейчикова [12, 42], А.Е. Стешкова [122], 
В.М. Меньшакова [78], Г.П. Урлапова и В.С. Середы [79], П.Р. Родина 
[120], А.Н. Резникова [118], А.И. Боярунаса [12], В.М. Эпштейна [162], 
В.Г. Якухина [161] и ряда других, обеспечивших дальнейшее качественное развитие теории и практики образования внутренних резьб. 
Внутренняя резьба имеет сложную геометрическую форму. Стандартом [22, 25, 26] предусматривается контроль следующих показателей:  
6
 
6 

 
а) обобщенной характеристики точности резьбовых отверстий — приведенного среднего диаметра, который учитывает одновременно несколько размерных параметров (средний диаметр, шаг, угол профиля);  
б) точности формы резьбовой поверхности (изогнутость оси резьбы 
на длине свинчивания; отклонения от идеальной винтовой поверхности, 
эллиптичность среднего диаметра и другие). 
Измерение среднего диаметра, шага, угла профиля при контроле внутренних резьб затруднено, а при контроле резьб малых диаметров контроль имеющимися техническими средствами не представляется возможным. Их точность должна обеспечиваться технологическим процессом, 
оборудованием, инструментом, средствами технологического оснащения. 
Отсутствие дифференцированного контроля вызывает большую 
сложность объективной оценки влияния отдельных технологических 
факторов на точность и осложняет выбор рациональных условий выполнения операций резьбообработки. 
Анализ операций образования внутренних резьб, получаемых резанием, показывает, что использование разнообразных конструкций метчиков, технологической оснастки, режимов резания, СОТС, не всегда обеспечивает получение резьб заданной точности из-за выхода размеров 
резьб за пределы установленных допусков («разбивание» резьбы) и несоответствия реального профиля резьбы номинальному («подрезание» профиля) [51, 76]. 
Шероховатость винтовых поверхностей резьб (Ra), получаемых режущими метчиками, лежит в пределах 5,0…10,0 мкм, очень редко — в пределах 2,0…5,0 мкм, что является недостаточным, особенно для точных 
резьб, герметичных резьбовых сопряжений и сопряжений с натягами 
[103, 156]. 
Метчики работают в неблагоприятных условиях. Силовое взаимодействие материала детали и режущих зубьев вызывает пространственнонапряженное состояние, деформации кручения и изгиба метчика. Вследствие этого изменяется профиль резьбы, увеличиваются ее геометрические размеры. Деформация рабочей части метчика вызывает увеличение 
площади контакта зубьев с обрабатываемым материалом и, соответственно, появление дополнительного крутящего момента [76]. 
Отвод образующейся стружки из зоны резания и подвод СОТС в зону 
контакта рабочих поверхностей зубьев и обрабатываемого материала затруднен, особенно при обработке глухих отверстий. Использование различных паст перед обработкой не дает должного эффекта, так как их действие ослабевает по мере вхождения рабочей части метчика в отверстие 
[7, 9, 100, 136, 140]. 
Процесс нарезания внутренних резьб малых диаметров осложняется 
также тем, что в приборостроении широко используются конструкционные материалы, обладающие особыми физико-механическими свойствами. Обработка таких материалов вызывает серьезные затруднения [5, 
21, 112, 118, 125]. 
 
7
 
7

 
При «вывинчивании» метчика из отверстия при обработке в деталях 
из таких материалов происходит скол режущих кромок, попадание под 
задние поверхности частиц стружки, взаимодействие задних поверхностей зубьев с корнями стружек [8, 76]. 
В связи с вышеизложенным, образование внутренних резьб режущими метчиками характеризуется массовым выходом последних из 
строя. По данным А.А. Грудова [28], в результате поломок выходит из 
строя 50–70 режущих метчиков размеров М3...М6. Значительное количество таких метчиков изымается из эксплуатации из-за несоответствия 
нарезаемых резьб техническим условиям. Для достижения требуемого 
качества внутренних резьб малых диаметров их нарезают вручную и вводят дополнительное ручное калибрование резьбы, получаемой машинным способом; увеличивают количество метчиков в комплекте, что значительно снижает производительность обработки [143, 184].  
Для мелкоразмерных метчиков особенно важным является выбор конструкции и условий эксплуатации. В настоящее время известно большое 
количество метчиков и схем резания [52, 118, 131, 153]. Все рекомендации предназначены для узких областей применения, где они могут быть 
эффективны. Наличие большого количества разнообразных предложений по модернизации метчиков обусловлено широким их применением  
в промышленности, низкой надежностью и является показателем того, 
что проблема образования внутренних резьб малых диаметров не решена 
[38, 39]. 
Специальные метчики сложны и трудоемки в изготовлении и имеют 
ограниченную область применения. Это обстоятельство привело к широкому распространению инструмента зарубежного производства, характеризующегося высокой стоимостью  метчиков с генераторной схемой образования резьбового профиля (табл. Б.1). Современное инструментальное производство удовлетворяет спрос на метчики М3…М6 только на 
50–60%. Большинство отечественных предприятий вынуждены сами изготавливать метчики для своих нужд вследствие высокой стоимости зарубежных аналогов. При этом данный инструмент не отвечает предъявляемым требованиям к его качеству и специфическим условиям, предъявляемым к ряду конструкций метчиков, и  отличается от регламентированных стандартом ISO. Стоимость такого инструмента высока. 
С конца 80-х гг. ХХ в. на предприятиях России и за рубежом  
(в США, Германии, Великобритании, Японии, Китае, Швейцарии и др.) 
для получения внутренних резьб в деталях из алюминиевых сплавов используется метод пластического деформирования (рис. 1.2) [13, 52, 83, 
125, 187], который обеспечивает более высокое качество (по точности, 
шероховатости поверхности, прочности) и стабильность процесса резьбообразования, повышение производительности по сравнению с получением резьб режущими метчиками. 
Одной из причин, сдерживающих широкое внедрение деформирующих метчиков, является их высокая стоимость, повышенные требования 
к точности отверстий под резьбу, образование кратеров при «течении»  
 
8
 
8 

 
а 
б 
 
Рис. 1.2. Деформирующие метчики фирм  
Sartorius-werkzeuge (а) и Gunthers (б) 
 
 
металла во время формирования резьбы [186]. Фирмы, специализирующиеся на выпуске инструмента, изготавливают деформирующие метчики, рабочая часть которых подвергается химико-термической обработке, а рабочие поверхности зубьев покрываются хромом, карбидом титана и др. Стоимость таких метчиков достаточно высока. Так, немецкая 
фирма «Gunthers» продает деформирующие метчики размерами М3…М6 
без канавок для смазки рабочей части по цене 23–25 евро за штуку, а деформирующие метчики со смазочными канавками для обработки нержавеющих сталей — по цене 61–67 евро за штуку. Непрерывное увеличение 
объемов производства требует, чтобы такой массовый инструмент, как 
метчики (режущие и деформирующие), был прост и дешев в изготовлении. 
Все это явилось основной причиной критического подхода к деформирующим метчикам в производственных условиях, их ограниченного 
внедрения в различных отраслях промышленности. 
Для повышения качества внутренних резьб и стабильности процесса 
образования пластическим деформированием требуется проведение дополнительных исследований. 
Низкая стойкость и частые поломки метчиков, большой процент 
брака деталей по резьбовым отверстиям привели к тому, что не всегда 
удается полностью автоматизировать операции образования внутренних 
резьб малых диаметров, так как автоматические линии и автоматизированное оборудование в силу вышеуказанных причин не в состоянии обеспечить планируемую надежность, а соответственно и производительность. 
Анализ показывает, что проблема образования внутренних резьб малых диаметров требуемой точности до настоящего времени полностью 
не решена. Для решения практических задач повышения точности, интенсификации их образования необходим анализ причин, снижающих 
точность и ухудшающих стабильность процесса, проведенный на основе 
9
 
9

 
выявления всех закономерностей резьбообразования в составе технологической системы, а также с учетом технологических и производственных условий. 
Этим обусловлена необходимость проведения комплексного систематизированного исследования влияния процессов образования резьб режущими и деформирующими метчиками на качество внутренних резьб  
и производительность обработки. 
 
1.2 Анализ существующих исследований влияния  
технологических факторов на точность  
и производительность формообразования  
внутренних резьб малых диаметров 
 
Влияние технологических факторов на точность и производительность формообразования внутренних резьб рассмотрено в работах [75, 
76]. В.В. Матвеев [76] для установления взаимосвязей между размерами 
полученной резьбы с различными технологическими факторами при 
нарезании резьб режущими машинными метчиками предложил «теорию 
точности», основанную на гипотезе копирования размеров рабочей части 
метчика в материале заготовки при резьбонарезании режущими метчиками. Автором работы для расчета приведенного среднего диаметра резьбового отверстия 
.
.р
пр
d
 предложена зависимость: 
 
)
732
,
1
(
)
732
,
1
(
2
1
.
.
отв
отв
п
р
пр
d
l
П
П
D
d
'

'

'

'

 
,         (1.1) 
 
где 
п
D  — производящий средний диаметр метчика; 
1
П
'
 — погрешность 
перемещения любой точки, лежащей на поверхности метчика, измеренная в осевом направлении; 
2
П
'
 — погрешность перемещения любой 
точки, лежащей на поверхности метчика, измеренная в диаметральной 
плоскости; 
отв
l
'
 — деформация резьбового отверстия, измеренная 
вдоль оси; 
отв
d
'
 — деформация резьбового отверстия диаметральная. 
При рассмотрении взаимосвязей обобщенных факторов с входными 
данными В.В. Матвеевым дана качественная и количественная оценка, 
позволяющая осуществлять прогноз точности резьбовых поверхностей  
и производить разработку практических рекомендаций. 
Производящий средний диаметр метчика 
п
D  определяется средним 
диаметром резьбы рабочей части метчика 
2
d , отклонениями шага резьбы 
от номинального значения 
1
d
'
, отклонениями половины углов профиля 
от номинала 
2
d
'
, а также от величин упругих (
3
d
'
 — депланация поперечного сечения, 
10
d
'
 — растяжка и сжатие шагов при изгибе) и тепловых деформаций 
5
d
'
: 
 
5
10
3
2
1
2
d
d
d
d
d
d
Dп
'

'

'

'

'

 
.                   (1.2) 
10
 
10