Профиль резьбы: классификация

Основные понятия резьбы

Термином «резьба» принято обозначать винтовые выступы и впадины постоянного сечения, которые равномерно распределены на цилиндрической или конической поверхности с одинаковым по всей длине шагом. Контуры в плоскости осевого сечения называют профилем резьбы.

Благодаря спиралевидной конфигурации винты представляют собой многофункциональные устройства с уникальным набором функций. Геометрия позволяет с их помощью прочно скреплять между собой элементы конструкций и механизмов, передавать усилие, преобразовывать вращение в возвратно-поступательное движение, двигать транспортные конвейеры и т. д. В частности, всем знаком знаменитый винт Архимеда, который использовался для подъема воды из нижележащих водоемов в систему орошения полей.

Трудно представить себе подавляющее большинство современных механизмов без резьбовых соединений. С помощью резьбы, которая представляет собой главный соединительный элемент, выполняется как непосредственно скрепление деталей агрегатов, так и передача момента силы от одного узла к другому.

Широко применять резьбу люди начали в Средние века, когда она стала элементом ювелирных изделий, хирургических инструментов, строительных подъемных приспособлений, оружия и многих других предметов. Для того чтобы разметить наружную резьбу на цилиндрической заготовке, на нее наматывали покрытую красящим составом веревку. Далее по полученному отпечатку выбирали винтовой паз, получая примитивную нарезку.

До начала использования гаек применяли втулки, на которых радиально располагали нужное количество штифтов. Позднее были изобретены четырех- или трехгранные метчики, с помощью которых можно было грубо нарезать внутреннюю резьбу. Далее ей придавали нужную конфигурацию с помощью ручного инструмента. Понятно, что говорить о стандартизации параметров и взаимозаменяемости элементов тогда не приходилось.

Классификация типов резьбы

В наше время для всех основных типов и разновидностей резьбы разработаны строгие стандарты. В основе классификации лежат следующие признаки:

• форма поперечного сечения – профиль может быть треугольным, прямоугольным, трапецеидальным, круглым и т. д.;
• конфигурация поверхности – резьба может быть цилиндрической или конической;
• расположение резьбы на детали – наружная (болты) и внутренняя (гайки);
• тип эксплуатации – крепежная резьба (метрическая, дюймовая, трубная) и ходовая (трапецеидальная, упорная, с прямоугольным профилем);
• направление резьбы – различают правую (наиболее распространена) и левую;
• число заходов – резьба может быть однозаходной (образованной движением одного профиля) и многозаходной (изготовленной движением нескольких одинаковых профилей).

Существует целый ряд элементов профиля резьбы, которые присутствуют во всех ее типах и разновидностях.

Профили и параметры резьбы

Профиль резьбы характеризуется следующими параметрами:

1. Метрическая резьба – профиль имеет вид равностороннего треугольника с притупленными выступами и впадинами. Угол при вершине равен 60°. Применяется для крепежа (шпильки, винты, болты, гайки и т. п.).
2. Трубная резьба – профиль имеет вид равнобедренного треугольника. Угол при вершине равен 55°. Используется для цилиндрических или конических соединений труб. Есть зазор для уплотнителя со стандартным допуском. Применяется для соединения различных элементов трубопроводов.
3. Коническая дюймовая резьба – профиль имеет вид равнобедренного треугольника. Угол при вершине равен 55°. Для измерения диаметров используются дюймы. Для промышленного применения чаще всего выполняется с шагом от 3 до 28 витков/дюйм при диаметре 3/16 – 4 дюйма.
4. Круглая резьба – профиль имеет вид полукруга с наклоном 60° по каждой из сторон. Форма обеспечивает высокую износостойкость, что делает возможным применение в конструкциях и механизмах, подверженных постоянным равнопеременным динамическим нагрузкам (арматура трубопроводов).
5. Трапецеидальная резьба – профиль представляет собой равнобедренную трапецию с углами наклона сторон 30°. Используется в узлах механизмов, передающих движение (ходовые винты металлорежущего оборудования, подъемные устройства и т. д.).
6. Упорная резьба – профиль представляет собой трапецию с углами сторон в 3° (рабочая) и 30° – нерабочая. Используется в механизмах, работа которых связана с большими однонаправленными нагрузками (гидравлические и механические прессы).
7. Прямоугольная резьба – профиль нестандартный. Технологические сложности при создании резьбовых соединений и высокая склонность к износу с образованием больших зазоров между витками делают применение такой резьбы нецелесообразным. Однако в прошлом такую геометрию нарезки часто использовали в винтовых механизмах. Сейчас чаще применяется трапецеидальная резьба, где от зазоров легко избавиться с помощью разрезных гаек.

Прямоугольный профиль резьбы можно встретить в современных промышленных креплениях, элементах регулировочного инструмента и других соединениях, требующих сведения к минимуму вероятности самопроизвольного отвинчивания.

Резьбой снабжаются следующие детали:

• Болты – представляют собой цилиндрические металлические стержни, на одном конце которых имеется головка для закручивания. Диаметр стержня зависит от размеров отверстий, а длина варьируется в зависимости от толщины скрепляемых деталей. Чаще всего эти крепежные метизы снабжаются шестигранными головками, однако существуют и другие варианты. В частности, широко используются изделия с полукруглой или потайной головкой.
• Шпилька – цилиндрический металлический стержень с резьбой по всей длине или на концах. Эти крепежные элементы используются при соединении различных элементов конструкции или механизмов. Маркировка таких метизов содержит информацию о диаметре, шаге резьбы, длине и классе прочности. Шпильки применяют для соединения особо толстых деталей или в случаях, когда монтаж на болты невозможен по той или иной причине.
• Винты – цилиндрические стержни с резьбой, один конец которых снабжен головкой. В отличие от болтов, обычно они имеют круглую форму и шлицы под отвертку или углубление для шестигранного ключа. Эти элементы применяют для скрепления деталей при сборке или ремонте различных механизмов, мебели и т. п. Винты бывают установочными, крепежными и регулировочными. Такие метизы имеют цилиндрическую или полупотайную головку (ГОСТ 1491 и 17474 от 1980 года). Квадратный профиль резьбы, согласно государственным стандартам, имеют ходовые или грузовые винты.
• Гайки – навинчиваются на концы болтов и шпилек, поэтому снабжены отверстиями с внутренней резьбой. Классификация этих крепежных элементов производится по высоте – они могут быть низкими, средними, высокими и особо высокими.
• Шайбы – изделия в виде штампованных колец, которые помещаются под гайку или головку крепежного элемента. Отдельные виды приспособлений выпускаются с фаской. Толщину, диаметр, материал и вид защитного покрытия регламентирует ГОСТ 11371 от 1978 года.

Геометрические параметры резьбы

Основные размеры профиля резьбы и их обозначения:

• d – так обозначают номинальный диаметр резьбы, совпадающий с наружным поперечником крепежного элемента, указывается в миллиметрах (для метрической нарезки), например, в маркировке М10 буква М означает метрическую резьбу, а 10 – номинальный диаметр в мм;
• d1 – обозначение внутреннего диаметра гаек (соответствует поперечнику условного тела цилиндрической формы, которое соприкасается внешней стороной с вершинами выступов резьбы), номинально значение одинаково для гаек и ввинчиваемых элементов;
• d2 – обозначение среднего диаметра резьбы;
• d3 – так обозначается внутренний диаметр резьбы винтов или поперечник условного тела цилиндрической формы, края которого касаются дна впадин между выступами резьбы;
• p – так принято обозначать шаг резьбы, который равен расстоянию между двумя одноименными точками на гребнях;
• ph – обозначение хода резьбы, равного расстоянию между двумя одноименными точками на гребнях одного захода нарезки;
• α – используется для обозначения угла профиля резьбы или угла между соседними боковыми сторонами гребней;
• Ψ – обозначение, принятое для угла подъема резьбы (подъем развертки винтовой линии по среднему диаметру).

Осью резьбы принято называть прямую линию, относительно которой образуется ее винтовая поверхность.

Боковые стороны профиля – это название принято для прямолинейных участков профиля, принадлежащих винтовым поверхностям.

Вершинами профиля называют участки, соединяющие боковые стороны выступов.

Впадины профиля – участки, соединяющие боковые стороны канавок.

Рабочей высотой профиля, обозначаемой буквой H, принято называть длину проекции участка взаимного перекрытия профилей наружной и внутренней резьбы на прямую линию, перпендикулярную оси резьбы.

Сбегом резьбы называются участки, на которых профиль становится неполным при переходе от резьбы к гладкой поверхности стержня.

Длиной резьбы принято называть протяженность отрезка, на котором нарезана резьба (в нее входят длина сбега и фаска).

Длиной резьбы с полным профилем называют протяженность отрезка, на котором нарезана резьба без учета ее сбега.

Длиной свинчивания принято называть протяженность отрезка вдоль оси резьбы, на котором соприкасаются винтовые поверхности наружной и внутренней нарезки.

Существует ряд формул, описывающих соотношение геометрических параметров резьбы:

Ph = p × z, где

z – число заходов резьбы.

Для угла подъема резьбы получаем:

tgφ = phπ∙d2 = p∙zπ∙d2.

Как следует из этой формулы, увеличение числа заходов приводит к росту угла подъема резьбы.

Расчетная рабочая высота профиля резьбы:

H = 32 p 0,866p.

Внутренний диаметр резьбы гайки:

d1 = d -10316 × p d - 1,08p.

Для нормальной метрической резьбы с диаметрами в диапазоне 2 ≤ d ≤ 68 мм достаточно точным будет расчет этого параметра с помощью эмпирической формулы:

d1 0,77 d1,04.

Резьбу с мелким шагом применяют для изделий с диаметром больше 20 мм.

Рассмотрим, как обозначается шаг резьбы на примере:

М12х2 – основная; М22х1,5 – мелкая.

Здесь М – метрическая резьба; 12 и 22 – номинальный (наружной) диаметр резьбы в мм; 2 и 1,5 – шаг резьбы в мм.

Существуют различные варианты определения типа нарезки. Опытному специалисту разница между профилем метрической и дюймовой резьбы очевидна. Для его более качественного контроля необходимо использовать штангенциркуль или специальный металлический шаблон. Полученные при измерении значения следует сверить с соответствующей справочной таблицей.