Большинство окружающих нас изделий выполнены с резьбой. И часто приближение к точным лидирующим технологиям зависит и от ее качества.

Резьба должна быть: не большой, чтобы не подталкивать к излишним габаритам и весу всего изделия; надежной, чтобы удерживать требуемые усилия и при необходимости установленные положение оси свинчивания и точность перемещений по ней. Это касается резьб как в микроприборах, так и креплений крупных объектов (турбины в гидроагрегатах и т. п.). Попасть в золотую середину можно, если знать, какие размеры резьбы и допуски на их исполнение «как раз!» и как обеспечить приемлемую себестоимость производства.

Важный параметр — средний диаметр (СД) метрической резьбы. По действующим в РФ ГОСТ это «диаметр воображаемого соосного с резьбой цилиндра, образующая которого пересекает профиль резьбы в точке, где ширина канавки равна половине номинального шага резьбы» (рис. 1).

Рис. 1. Номинальный профиль цилиндрической метрической резьбы. d2 — средний диаметр.

Это определение, устраивающее промышленность в ХХ веке, при продвижении новых технологий, повышающих требования по точности и быстродействию механизмов, стало некорректным:
а) в определении ГОСТ СД резьбы введено теоретическое понятие ось резьбы, но для ее реального построения нет достаточных оснований, а это важно для получения точных значений;
б) реальный профиль резьбы — не прямолинеен, на разных витках и в разных сечениях «точки, где ширина канавки равна половине шага», находятся на разном расстоянии от оси;
в) на величину СД влияют непостоянные углы профиля и шаги и др.

Таким образом, реальное определение СД тесно связано с другими геометрическими параметрами резьбы, которые не отражаются в определении.

Эти некорректности непринципиальны, пока погрешность исполнения СД в 10–25% от величины шага резьбы для вас незначительна. Но это недопустимо при изготовлении резьбовых калибров и тем более контркалибров, а также резьб, используемых в массовом производстве транспортных, оборонных и других ответственных изделий (рис. 2, 3).
При использовании этого параметра естественно было бы опираться на логику — если СД резьбовой пробки меньше, чем СД резьбового кольца, то они вкручиваются друг в друга. Чем меньше разница между ними, тем соединение более прочное, при легком скручивании и малом износе.

Рис. 2. Угловая погрешность ∆а/2 и ее компенсация на среднем диаметре.
 

Рис. 3. Погрешность шага ∆P/2 и ее компенсация на среднем диаметре.

Принятый метод измерения среднего диаметра «по трем проволочкам» (рис. 4) не дает точного значения диаметра цилиндра по скалярным показателям, геометрически не связанным друг с другом, и не гарантирует скручивание при минимальных зазорах.

Рис. 4. Схема измерения среднего диаметра по трем проволочкам

Метод трех проволочек только показывает: в случайно выбранном месте есть такой размер, или в случайных местах есть такие размеры… И даже если все полученные размеры уложились в допустимые, мы не получаем ответы о свинчиваемости резьбы, соответствии зазоров в разных местах, т. к. мы не видим степень овальности, продольной кривизны, непостоянство шага и других погрешностей, влияющих на качество резьбы.

Проблемно и другое, — определение СД резьбового кольца (внутренней резьбы) на основе свинчивания с контркалибром — «контроль по шарикам» сложный и непрецизионный.

Если процесс свинчивания произошел с некоторым натягом, как бы беззазорно, мы приписываем СД пробки кольцу. Но это значит, что вращаясь и продвигаясь, кольцо и пробка соприкасались всевозможными вариантами выступающих мест, следовательно, СД пробки заведомо меньше СД кольца. Но какие зазоры в разных сечениях — неизвестно. Неучтенные параметры: непрямолинейность резьбы, разница шагов в разных местах, разница углов, овальность, конусообразность, шероховатость и др. увеличивают отличие СД пробки, определенного по проволочкам, от СД по определению ГОСТа и СД кольца.

Погрешность СД, полученная таким образом, может стать неприемлемой.

Идеальная резьба получается, если заданный профиль по всему резьбовому изделию полностью заполнен материалом. Т. е. ось резьбы прямая, все шаги, углы и радиусы точны в реальном исполнении. Для получения таких резьб максимального качества нужна информация по всем элементам с полной взаимосвязью. Эта информация позволит корректировать технологию производства в нужных направлениях.

Предлагаемый метод определения СД состоит в следующем. СД должен определяться по полной информации с реально контролируемой поверхностью резьбы (после налаженной технологии производства резьбы объем контроля резко сокращается до необходимого для поддержания технологии). В облако точек, снятых с реальной резьбы по всей длине с помощью координатно-измерительной машины, вписывается матмодель. Определяя тип резьбы и проводя оптимизацию по каждому параметру, мы учитываем изделие в целом, т. е. как бы свинчиваем резьбу с идеальным калибром.

Для более простого понимания приведу пример стержня и отверстия. Если при замерах, выполненных по методу среднеквадратичного, их диаметры одинаковы, то вставить стержень в отверстие невозможно. Неидеальность того и другого дает отклонения от цилиндричности на стержне в плюс, а в кольце в минус. В современных технологиях это решается так. Диаметр стержня определяется по расчету минимально описанного цилиндра в облаке замеренных точек, а диаметр отверстия — по максимально вписанному. В этом случае стержень и отверстие могут скользить друг по другу с минимальными зазорами. Подобная методология используется в производствах с высокой технологией.

Рис. 5. Собранные точки в четырех сечениях на протяжении всего рабочего участка резьбы. Цветным выделены точки, которые участвуют в расчете, остальные отфильтрованы специальным алгоритмом.
 

Рис. 6. 3D-модель резьбы с собранными точками.

Матаппарат для описания формы резьбы с учетом всевозможных отклонений достаточно сложен, и решения в этой области требуют опыта и времени. При моделировании поверхности используется понятие базовых, прилегающих и реальных поверхностей. Есть четкое определение таких поверхностей для плоскостей, цилиндров и полных сфер (например ГОСТ 24642–81). Но уже для сектора (части сферической поверхности) при различных конструктивных подходах величины параметров имеют различные значения. Матмодель резьбовой поверхности еще более сложна, имеет свои нюансы, которые следует учесть для построения полноценной модели.

В высокотехнологичных странах уже внедрены методы измерения резьбы, когда при плотно свинчивающихся пробке и кольце их СД совпадают, показатели отклонения от идеальной поверхности резьбы видны реально и разделены по параметрам. Это позволяет совершенствовать технологию производства резьбы до получения оптимальных величин как по качеству, так и по себестоимости. В России пока делаются только первые шаги. В научных работах о резьбе введено понятие приведенный средний диаметр резьбы, который должен учесть влияние различных факторов на определение СД, свинчиваемости и надежности резьбы. Таким образом, технология производства получает информацию для реального совершенствования.

Сбор точек с резьбы и вписывание матмоделей — процесс сложный вначале. Но он оправдан, поскольку позволяет видеть все в геометрии и не попасть в тупик. Чрезмерные требования к технологии производства резьбы могут сделать ее трудоемкой. Но это не относится к процессу измерения. Чем лучше мы видим результаты технологии, тем легче увидеть выигрышный способ получения нужной резьбы.

С появлением шестиосевых координатно-измерительных машин (КИМ) производительность измерений и их качество заметно улучшились, стала возможной реализация поэлементного контроля внутренних резьб по всем интересующим производителя параметрам, указанным выше. Иными словами, технологи, базируясь на данных, полученных с помощью КИМ, получают возможность управлять точностью изготовления внутренних и наружных резьб.

ООО «Лапик» (Саратов) ведет исследовательские и опытно-конструкторские работы, направленные на решение задачи контроля параметров резьб. К настоящему времени разработаны программное обеспечение (ПО) и инструмент для контроля наружных метрических резьб с шагом от 0,1 мм и внутренних метрических с диаметрами от М3.

Предложенный метод достаточно универсальный. Он продуктивен при создании технологий практически для всех видов резьбы как наружной, так и внутренней: метрической, трапецеидальной, упорной, прямоугольной, трубной, круглой, конической и т. д.
 

А. Г. Лаптев