Механизмы: Винтовая резьба

На них держится все: от самых изящных часов до самого большого моста. Мир буквально удерживается от развала винтами и болтами, но мы не часто задумываемся об этих механизмах. Частично это, вероятно, связано с тем, что мы настолько хорошо научились их производить, что их считают дешевым товаром, но физика и техника, лежащие в основе резьбы, — интересная вещь.

Мы все, вероятно, помним ранний урок науки, на котором были изложены основные строительные блоки всех механизмов. Простые машины — это механизмы, которые используют приложенную силу для совершения работы, например наклонная плоскость, рычаг и шкив. Например, наклонная плоскость в виде раскалывающегося клина направляет силу ударов своей плоской стороной в кусок дерева, раздвигая его.

Винтовые резьбы — это еще один простой механизм, и их можно рассматривать как длинную пологую наклонную плоскость, обернутую вокруг цилиндра. Вырежьте из бумаги длинный прямоугольный треугольник, оберните им карандаш, начиная с большого конца, и гипотенуза образует винтовой пандус, похожий на нить. Конечно, чтобы резьба винта могла выполнять какую-либо работу, она должна выступать больше, чем толщина листа бумаги, а форма выступа определяет механические свойства винта.

Наиболее распространенным профилем резьбы является простая V-образная резьба, противоположные стороны которой образуют угол 60°. Такой угол резьбы является компромиссом, который уравновешивает эффективность, скорость износа, прочность и, самое главное, трение резьбы. Наряду с шагом или количеством витков на единицу длины, трение резьбы способствует самоблокировке или свойству «неремонтопригодности» большинства винтовых резьб. Самотормозящаяся резьба легко преобразует вращательную силу в осевую силу, но не наоборот. Это свойство легко увидеть в действии — гайка легко вращается на винте при нажатии пальца, но надавите на гайку как можно сильнее вдоль длинной оси винта, и винт не начнет вращаться. Благодаря самоблокировке такие инструменты, как винтовые домкраты, не раскручиваются под нагрузкой.

Профили винтовой резьбы могут быть изменены по сравнению со стандартным V-образным профилем для повышения производительности при различных нагрузках. Профиль Acme, трапециевидной формы с гранями, образующими внутренний угол 29°, и с большими плоскими гребнями и основаниями, особенно подходит для применений с высокими нагрузками, таких как тиски и зажимы. Он также содержится в ходовых винтах, таких как те, которые используются в линейных приводах, встречающихся во всем: от DVD-плееров до станков с ЧПУ. Профиль Acme также используется в ходовых винтах большинства токарных станков по металлу, поскольку он хорошо сочетается с разрезными гайками. Разъемные гайки — это именно то, на что они похожи — элемент с внутренней резьбой, который разделен вдоль и может открываться и закрываться вокруг ходового винта. Это выгодно используется при операциях нарезания резьбы, когда разрезная гайка замыкается вокруг ходового винта в начале нарезания резьбы и открывается в конце нарезания, начиная и останавливая движение режущего инструмента по заготовке в повторяемых местах.

Для прецизионной резьбы и мелкосерийного производства обычно используется нарезанная резьба. Нарезанная резьба создается либо на токарном станке, либо на станке с ЧПУ путем удаления материала для формирования профиля резьбы либо с помощью резьбонарезного инструмента, перемещаемого вдоль вращающейся заготовки, либо с помощью метчика (для внутренней резьбы) или плашки (для наружной резьбы). ).

Однако нарезание резьбы требует много времени, поэтому для массового производства наружную резьбу обычно формируют методом накатки. Кованая заготовка плотно зажимается между парой рифленых матриц, одна из которых неподвижна. Противоположная матрица движется перпендикулярно длинной оси заготовки, вдавливая в нее профиль резьбы. Поскольку из заготовки не удаляется материал и поскольку материал закален, накатанная резьба может быть прочнее, чем нарезанная. Процесс прокатки также удобен для автоматизации, а прокатные станки могут производить тысячи деталей в минуту.

Внутренняя резьба гаек не поддается накатыванию, поэтому большинство гаек массового производства изготавливаются методом горячей ковки. Горячие металлические заготовки ударяются штампами, которые формируют профиль головки и пробивают центральное отверстие. Далее охлажденные заготовки отправляются на нарезной станок, который с помощью метчика нарезает внутреннюю резьбу.