Резьбовые соединения

ВВЕДЕНИЕ

Детали в машинах, механизмах, приборах, а также аппаратах и сооружениях каким-либо образом соединены друг с другом. Соединение деталей с помощью резьбы является одним из старейших и наиболее распространенных видов разъемного соединения. Данный вид соединения обеспечивает простые условия для сборки или разборки различных механизмов. Резьбовое соединение образуют две детали: у одной из них на наружной, а у другой на внутренней поверхности выполнены расположенные по винтовой поверхности выступы – наружная и внутренняя резьбы.
Первые крепёжные детали, имеющие резьбы, начали применяться в Древнем Риме в начале нашей эры. Однако из-за высокой стоимости они использовались только в ювелирных украшениях, медицинских инструментах и других дорогостоящих изделиях.
Широкое применение болты и гайки нашли в XV столетии. Они соединяли подвижные сегменты брони доспехов и части часовых механизмов. В начале семнадцатого столетия появилось резьбовое соединение, имеющее сходство с современным. Гайки нашли широкое применение в различных сферах техники, и, подобно всякому часто используемому предмету, стали совершенствоваться и изменяться по своей форме, размеру, материалу и функциональному предназначению.
На сегодняшний день детали, машины и механизмы, имеющие резьбовые соединения, находят применение во всех сферах нашей жизни: строительстве, машиностроении, медицине, производстве инструментов, аппаратов, бытовых приборов. Именно поэтому изучение и совершенствование данного вида соединения в настоящее время весьма актуально.
В данной работе будут рассмотрены основные принципы реализации резьбового соединения, его достоинства и недостатки, основные параметры и виды, а также крепежные изделия.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯРезьбовое соединение представляет собой разъёмное соединение деталей машин при помощи винтовой или спиральной поверхности (резьбы). В современных машинах детали, имеющие резьбу, составляют свыше 60 % от общего количества.
Функциональным назначением резьбы является удержание деталей на требуемом расстоянии по отношению друг к другу, фиксация деталей и ограничение возможности их смещения, обеспечение плотности соединения стыкующихся конструкций [1].
Резьбовое соединение – стыковка двух деталей посредством резьбы, обеспечивающая их неподвижность либо заданное пространственное перемещение относительно друг друга. Такие соединения классифицируются на две основные категории:
1) соединения, полученные с применением специальных соединительных элементов – винтов, шпилек, гаек и шайб (к данной категории относятся все разновидности фланцевого монтажа);
2) соединения, образованные свинчиванием двух стыкующихся конструкций без сторонних крепежей (в сантехнике – муфтовое соединение труб) [1].
Данное соединение наиболее распространено в современном машиностроении благодаря многочисленным достоинствам, таким как:
1) технологичность;
2) взаимозаменяемость;
3) возможность многократной сборки и разборки;
4) простота конструкции;
5) универсальность;
6) надёжность;
7) массовость.
К недостаткам данного вида соединения следует отнести:
1) раскручивание при переменных нагрузках и вибрациях (требуется применение специальных устройств для предотвращения самоотвинчивания);
2) отверстия под крепёжные детали, как резьбовые, так и гладкие, вызывают концентрацию напряжений;
3) для уплотнения (герметизации) соединения необходимо использовать дополнительные технические решения.
В простейшем случае для соединения необходимо закрутить две детали, имеющие резьбы с подходящими друг к другу параметрами. Для разборки необходимо произвести действия в обратном порядке.
Существует несколько методов изготовления резьбы [2]:
1) пластической деформацией - накатка на резьбонакатных станках, выдавливание на тонкостенных металлических изделиях,
2) резанием на токарно-винторезных, резьбонарезных, резьбофрезерных, резьбошлифовальных станках или вручную метчиками и плашками;
3) отливкой или прессованием изготавливают резьбу на деталях из стекла, пластмассы, металлокерамики, иногда на деталях из чугуна.
Следует отметить, что накатывание резьбы круглыми или плоскими плашками на резьбонакатных станках — самый высокопроизводительный метод, с помощью которого изготовляется большинство стандартных крепежных деталей с наружной резьбой, причем накатанная резьба прочнее нарезанной, так как в первом случае не происходит перерезание волокон металла заготовки, а поверхность резьбы наклепывается [3].
Диаметры стержней под накатывание и нарезание резьб, диаметры отверстий под нарезание, а также выход резьбы (сбеги, недорезы, проточки и фаски) стандартизованы. Кроме того, стандартизованы метки (в виде прорезей) на деталях с левой резьбой.

2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЗЬБЫК основным параметрам резьбы относятся [4]:
1) наружный диаметр d, D - диаметр цилиндра, описанного вокруг вершин наружной или впадин внутренней резьбы. Данный параметр равен диаметру заготовки болта перед нарезкой резьбы (по стандартам диаметры наружной резьбы обозначают строчными, а диаметры внутренней резьбы — прописными буквами);
2) внутренний диаметр d1, D1 - диаметр цилиндра, вписанного во впадины наружной или вершины внутренней резьбы. Равен диаметру отверстия заготовки гайки перед нарезкой резьбы:
D1=D-2(H-2c);(1)
где с – срез резьбы.
3) средний диаметр d2, D2 - диаметр воображаемого цилиндра, на поверхности которого толщина витка равна ширине впадины;
4) угол профиля α - угол между боковыми сторонами профиля, измеренный в осевой плоскости резьбы;
5) шаг резьбы P - расстояние между соседними одноименными боковыми сторонами профиля в направлении, параллельном оси резьбы;
6) число заходов n - заходность резьбы легко определяется на торце винта по числу сбегающих витков;
7) ход резьбы Ph - величина относительного осевого перемещения гайки или винта за один оборот. Ход резьбы определяется по формуле:
Ph=Pn.(2)
8) высота профиля H - радиально измеренная высота основного расчетного теоретического профиля (высота исходного треугольного профиля), общего для резьбы на стержне и в отверстии.
8) угол подъема резьбы ψ - угол, образованный касательной к винтовой линии резьбы в точках, лежащих на среднем диаметре, и плоскостью, перпендикулярной оси резьбы.
Формула для определения тангенса угла подъема резьбы:
tg ψ=Phπd2.(3)
Диаметр, условно характеризующий размер резьбы, называется номинальным. Для большинства резьб в качестве номинального диаметра принимается наружный диаметр [4].

3. ВИДЫ РЕЗЬБ3.1 Классификация
Классифицировать резьбы можно по многим признакам [5]:
1) по форме профиля (треугольная, трапецеидальная, упорная, прямоугольная, круглая);
2) по форме поверхности (цилиндрическая, коническая);
3) по расположению (наружная, внутренняя);
4) по числу заходов (однозаходная, многозаходная);
5) по направлению заходов (правая, левая);
6) по величине шага (с крупным, с мелким);
7) по эксплуатационному назначению (крепежная, крепежно-уплотнительная, ходовая, специальная).
Крепежные резьбы - метрическая, дюймовая - предназначены для скрепления различных деталей [6].
Крепежно-уплотнительные резьбы, к которым относятся трубные и конические, применяют в соединениях, требующих не только прочности, но и герметичности.
Ходовые резьбы (трапецеидальная, упорная, прямоугольная) служат для передачи движения и применяются в передачах винт—гайка.
Специальные резьбы - круглая, окулярная, часовая - имеют специальное назначение. Большинство применяемых в нашей стране резьб стандартизовано.
3.2 Метрическая резьбаФорма и размеры профиля данной резьбы, диаметры и шаги, основные размеры регламентированы стандартами. Кроме того, стандартизованы резьба метрическая для приборостроения, резьба метрическая коническая, резьба метрическая на деталях из пластмасс.
Метрическая резьба имеет исходный профиль в виде равностороннего треугольника с высотой H, вершины профиля срезаны, а впадины притуплены, что необходимо для уменьшения концентрации напряжений и по технологическим соображениям (для увеличения стойкости резьбонарезного и резьбонакатного инструмента). Форма впадины резьбы болта может быть закругленной или плоскосрезанной. В резьбе предусмотрен радиальный зазор, который делает ее негерметичной. Общий вид метрической резьбы представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Метрическая резьба
По стандарту метрические резьбы делятся на резьбы с крупным и мелким шагом. При одном и том же номинальном диаметре метрическая резьба может иметь один крупный и пять мелких шагов, например, при номинальном диаметре 20 мм метрическая резьба имеет крупный шаг, равный 2,5 мм, и пять мелких шагов, равных 2; 1,5; 1; 0,75; 0,5 мм. Резьбы с мелким шагом имеют меньшую высоту профиля и меньше ослабляют сечение детали; кроме того, эти резьбы имеют меньшие углы подъема резьбы и обладают повышенным самоторможением. Поэтому резьбы с мелким шагом применяют для соединения мелких тонкостенных деталей и при действии динамических нагрузок [6].
В машиностроении основное применение находит метрическая резьба с крупным шагом как более прочная и менее чувствительная к ошибкам изготовления и износу. Крепежные резьбовые детали имеют обычно правую однозаходную резьбу, левая резьба применяется редко в специальных случаях.
3.3 Дюймовая резьбаЭта крепежная резьба имеет треугольный профиль с углом α= 55°, номинальный диаметр ее задается в дюймах, а шаг — числом витков, приходящихся на один дюйм длины резьбы. Дюймовая резьба подобна применяемой в Англии, США и некоторых других странах резьбе Витворта. Данный тип резьбы используется в нашей стране лишь при ремонте импортных машин. Применение дюймовой крепежной резьбы в новых конструкциях запрещено, а стандарт на нее ликвидирован без замены. Дюймовая резьба представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Дюймовая резьба
3.4 Трубная цилиндрическая резьбаТрубная цилиндрическая резьба имеет профиль дюймовой резьбы, то есть равнобедренный треугольник с углом при вершине, равным 55° (рисунок 2). Номинальный размер резьбы условно отнесен к внутреннему диаметру трубы (к величине условного прохода). Так, резьба с номинальным диаметром 1 мм имеет диаметр условного прохода 25 мм, а наружный диаметр 33,249 мм [6].
Трубную резьбу применяют для соединения труб, а также тонкостенных деталей цилиндрической формы. Такого рода профиль (55°) рекомендуют при повышенных требованиях к плотности (непроницаемости) трубных соединений. Применяют трубную резьбу при соединении цилиндрической резьбы муфты с конической резьбой труб, так как в этом случае отпадает необходимость в различных уплотнениях
3.5 Трубная коническая резьбаПрофиль данной резьбы соответствует профилю дюймовой. Резьба стандартизована, в основной плоскости размеры соответствуют размерам трубной цилиндрической резьбы. Общий вид резьбы данного типа представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Трубная коническая резьба
Применяется для резьбовых соединений топливных, масляных, водяных и воздушных трубопроводов машин и станков.
3.6 Трапецеидальная резьбаПрофиль представляет собой равнобокую трапецию с углом между боковыми сторонами α=30°. Профили, основные размеры и допуски трапецеидальных резьб стандартизованы, причем предусмотрены резьбы с мелким, средним и крупным шагами. Трапецеидальная резьба представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Трапецеидальная резьба
Трапецеидальная резьба применяется для преобразования вращательного движения в поступательное при значительных нагрузках и может быть одно- и многозаходной, а также правой и левой [6].
3.7 Упорная резьбаРезьба, профиль которой представляет собой неравнобокую трапецию с углами наклона боковых сторон к прямой, перпендикулярной оси резьбы, равными 3 и 30°. Основные размеры и допуски упорной резьбы для диаметров от 10 до 600 мм регламентированы государственным стандартом. Стандартизована также резьба упорная усиленная для диаметров от 80 до 2000 мм, у которой одна сторона профиля наклонена под углом 45°. Общий вид упорной резьбы представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Упорная резьба
Трапецеидальная и упорная резьбы являются ходовыми и применяются в передачах винт — гайка. Так, например, трапецеидальная резьба применяется для ходовых винтов токарно-винторезных станков, где возникают реверсивные нагрузки; упорная резьба применяется при односторонних нагрузках, например для грузовых винтов домкратов и прессов, причем усилие воспринимается стороной, имеющей угол наклона 3°.
Трапецеидальную и упорную резьбы можно нарезать на резьбо-фрезерных, токарно-винторезных станках, а окончательную обработку производить на резьбо-шлифовальных станках [6].
3.8 Прямоугольная резьбаДанный вид резьбы не стандартизован и имеет ограниченное применение в неответственных передачах винт — гайка. Резьба имеет наибольший КПД, но ее нельзя фрезеровать и шлифовать, так как угол профиля α=0°. Прочность прямоугольной резьбы ниже, чем у других резьб. Прямоугольная резьба представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Прямоугольная резьба
3.9 Круглая резьбаПрофиль круглой резьбы образован дугами, связанными между собой участками прямой линии. Угол между сторонами профиля α=30°. Круглая резьба изображена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Трубная коническая резьба
Резьба применяется ограниченно: для водопроводной арматуры, в отдельных случаях для крюков подъемных кранов, а также в условиях воздействия агрессивной среды [6].

4. КРЕПЕЖНЫЕ ИЗДЕЛИЯКрепежные изделия представляют собой детали, предназначенные для жесткого соединения отдельных составных частей машин и конструкций. К резьбовым крепежным изделиям относятся болты, шпильки, винты, гайки. Вспомогательным крепежным изделием для болтового, шпилечного и винтового соединения служит шайба [7].
Болт представляет собой цилиндрический стержень с головкой на одном конце и резьбой на другом. Болты используются вместе с гайками, шайбами для скрепления двух или нескольких деталей. Существуют различные типы болтов, отличающиеся друг от друга по форме и размерам головки и стержня, по шагу резьбы, по точности изготовления и по исполнению.
Гайка — крепежная деталь с резьбовым отверстием в центре. Применяется для навинчивания на болт или шпильку до упора в одну из соединяемых деталей. В зависимости от названия и условий работы гайки выполняют шестигранными, круглыми, барашковыми, фасонными. Наибольшее применение имеют гайки шестигранные. Их изготовляют трех исполнений [7]:
1) с двумя коническими фасками;
2) с одной конической фаской;
3) без фасок, но с коническим выступом с одного торца.
Шайба — точеное или штампованное кольцо, которое подкладывают под гайку, головку винта или болта в резьбовых соединениях. Плоскость шайбы увеличивает опорную поверхность и предохраняет деталь от задиров при завинчивании гайки ключом. С целью предохранения резьбового соединения от самопроизвольного откручивания в условиях вибрации и знакопеременной нагрузки применяют пружинные шайбы и стопорные, имеющие выступы-лапки. Круглые шайбы имеют два исполнения без фаски и с фаской.
Болтовое соединение представлено на рисунке 8 [3].


Рисунок 8 – Болтовое соединение: 1,2 – соединяемые детали, 3 – болт, 4 – шайба, 5 – гайка.
Винт представляет собой крепёжное изделие для разборного соединения деталей, одна из которых может быть с внутренней резьбой. Винт имеет вид стержня с наружной резьбой на одном конце и конструктивным элементом для передачи крутящего момента на другом. Передающим усилие элементом могут являться различного рода головки, шлицы в торце стержня и тому подобное. От шурупа винт отличается тем, что не имеет конического сужения на конце и не создаёт резьбу в материале при вкручивании [8].
Винт предназначен для образования резьбового соединения или фиксации. Кроме соединения деталей, винты наряду с болтами могут выполнять функцию оси вращающихся деталей, служить направляющей для прямолинейного или вращательного движения и прочих целей. Винт отличается от болта тем, что для закручивания последнего применяется инструмент охватывающий головку болта, а для закручивания винта применяется вставляющийся инструмент. Винтовое соединение представлено на рисунке 9 [3].

Рисунок 9 – Винтовое соединение: 1 – деталь с нарезанной глухой резьбой,
2 – деталь со сквозным отверстием, 3 – шайба, 4 – винт с цилиндрической головкой и шестигранным углублением.
Шпилька — крепёжное изделие в виде стержня с наружной резьбой, образующее соединение при помощи гайки или резьбового отверстия. Шпильки используются в строительных, монтажных работах для крепления различных элементов.
Шпилька имеет такие характерные особенности как отсутствие оголовка на конце, а также обязательное наличие резьбы. Сама резьба при этом может быть нанесена как на всю поверхность модуля, так и на его отдельную часть. Кроме того, отличается размер конструкции и диаметр резьбы.
Размер шпилек подбирается в зависимости от технических требований возводимого объекта. Государственные стандарты устанавливают диаметральный диапазон крепежа в пределах от 6 до 48 миллиметров. При этом длина самой шпильки и ее резьбы не регламентируются, и они могут быть изготовлены согласно требованиям заказчика.
Сфера применения резьбовых шпилек обширна. Данный крепеж применяется в строительстве, в машиностроении и при установке крупногабаритных станков. Для крепления станка к поверхности в постамент на этапе заливки устанавливают специальные фундаментные шпильки, имеющие некоторые особенности конструкции. Шпилечное соединение представлено на рисунке 10 [3].

Рисунок 10 – Шпилечное соединение: 1 – деталь с глухой резьбой,
2 – деталь со сквозным отверстием, 3 – шпилька, 4 – шайба, 5 – гайка.
В машиностроении чаще применяются шпильки с ввинчиваемым наконечником. Они же, но, как правило, большего размера и диаметра применяются в строительстве. Особенность таких шпилек заключается в том, что один из наконечников, самостоятельно ввинчивается в основание, а прикрепляемый объект уже притягивается гайкой. Также шпильки используют при монтаже трубопроводов и вентиляционных систем [8].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, резьбовые соединения являются наиболее распространенным видом разъемных соединений деталей. Практически все механические устройства, используемые в современной технике и окружающие нас в быту, имеют в своем составе резьбовые соединения, выполняющие самые разнообразные функции. Поэтому знания о резьбе и резьбовых соединениях необходимы каждому инженеру независимо от специализации и сферы деятельности. Многие изделия резьбовых соединений, а также параметры резьб регламентированы государственными стандартами.
В данной работе были раскрыты такие вопросы, как основные параметры резьбы, классификация. Изучены резьбовые крепежные изделия, повсеместно применяющиеся практически во всех сферах нашей жизни.
На сегодняшний день резьбовые соединения используются для устранения возможности перемещения соединяемых деталей, удержания их на определенном расстоянии друг от друга, для обеспечения плотности стыка соединяемых деталей, осуществления поступательного движения (пресса, домкраты, ходовые винты), для получения точных относительных перемещений (регулировочные винты).
Простое, надежное и универсальное разъемное соединение будет и дальше развиваться и совершенствоваться благодаря грамотным инженерам и специалистам, находя все большее применение в различных отраслях промышленности.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Обзор разновидностей резьбовых соединений – https://trubypro.ru/soedi-nenie/ rezbovoe/parametry-rezbi.html.
2. Резьбовые соединения – https://predklapan.ru/blog/rezbovye-soedineniya.
3. Резьбовые соединения: Учебно-методическое пособие / сост. А. В. Кишко, Т. Л. Жунникова. – СПб.: ГОУВПО СПбГТУРП, 2016. – 44 с.
4. Разъемные соединения https://chertegnik.ru/chertezhi-dlya-skachiva-niya/chertezhi-soedineniy-detaley/505-vintovoe-soedinenie-chertezh-s-razmerami.html.
5. Соединения резьбовые: методические указания к самостоятельной работе студентов / сост. В. И. Чурбанов, А. Ю. Лапшов, Л. Л. Сидоровская. – Ульяновск: УлГТУ, 2017. – 67 с.
6. Сафронова Г. Г. Техническая механика: Учебник / Г. Г. Сафронова, Д. А. Артюховская – М.: ИНФРА-М, 2019. – 320 с.: ил.
7. Олофинская В. П. Детали машин: Курс лекций с тестовыми заданиями: Учебное пособие / В. П. Олофинская. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2016. – 208 с.: ил.
8. Анурьев, В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3 т. - 8-е изд., перераб. и доп. / В.И. Анурьев под ред. И.Н. Жестковой. - М. : Машиностроение, 2017. Т.1. - 920 с.