Накатка или нарезка резьбы: что прочнее и что дешевле для вашей детали

Накатанная резьба прочнее нарезанной: на растяжение на 10–30%, на усталость до 70%. Волокна металла в ней не перерезаются, а уплотняются. Дешевле она на серии: оснастка дороже резца, зато операция занимает секунды и уходит меньше металла. На единичной детали и на хрупком материале выигрывает нарезание.

Коротко: что прочнее и что дешевле

Накатка резьбы прочнее нарезания резьбы: на растяжение на 10–30%, по усталости до 70%. Дешевле накатка становится на серии. Оснастка дороже резца, зато проход длится секунды, а заготовка под накатку тоньше номинала. Нарезание резьбы выгоднее на одной детали и на хрупком металле. Выбор держат три вещи: тип нагрузки, размер партии, пластичность и форма детали.

На статике, у штока гидроцилиндра или стяжной тяги, запас 10–30% на растяжение иногда позволяет не утолщать стержень. На циклах разница больше. Усталостная прочность накатанной резьбы выше до 70%: волокна уплотнены, а не перерезаны. Если деталь живёт на циклах, этот запас важнее разовой разрывной нагрузки.

Себестоимость детали упирается в оснастку. Головка и комплект роликов под шаг и диаметр покупаются под конкретную резьбу. На десяти штуках эта сумма сидит почти в каждой детали. На большой партии она растворяется, и остаются секунды станка плюс более тонкий пруток. Фраза «накатка дешевле» без тиража ничего не решает.

Накатка подходит не всякому металлу. Нужна пластичность: относительное удлинение хотя бы 5–7%. Чугун, чистая бронза и твёрдые латуни в этот коридор не входят, резьбу на них нарезают. Твёрдость, прочность и расстояние до буртика проверяют по марке и по чертежу до разговора о цене.

Накатка выигрывает по прочности и на серии. На единичной детали и на хрупком материале резьбу нарезают.

Чем накатка отличается от нарезания?

Ржавый винт с ушком — пример коррозии и износа. Фото: API data Catalogue record Photo · CC BY 4.0

Нарезание резьбы снимает металл в стружку. Резец, плашка или метчик вырезают канавку и перерезают волокна проката. Накатка резьбы стружку не даёт: ролики или плашки вдавливают профиль, металл течёт и заполняет вершины. Волокна уплотняются и огибают виток, а поверхность получается более гладкой и твёрдой.

Металл при накатке никуда не девается, он перекладывается. Поэтому пруток берут тоньше наружного диаметра готовой резьбы. При нарезании пруток не тоньше этого диаметра: всё, что станет канавкой, уходит в стружку. Для накатки нужны ролики под шаг и диаметр. Для нарезания хватает резца, плашки или метчика.

Плоские плашки и пара цилиндрических роликов делают ту же накатку на отдельных станках. Осевая головка — вариант для детали, которая уже стоит в патроне токарного станка.

Что прочнее: статика, усталость и износ

Накатанная резьба прочнее нарезанной в двух разных смыслах, и цифры не совпадают. На растяжение прирост 10–30%. По усталостной стойкости — до 70%. На одном рывке выигрыш скромный. На большом числе циклов он становится причиной выбрать накатку. Оба числа даны для условий конкретного источника: это не коэффициент «на все стали сразу».

Статическая прочность

Прирост 10–30% на растяжение важен там, где резьба тянет стержень вдоль оси: штоки гидроцилиндров, поршневые штоки, стяжные тяги. Волокна после накатки уплотнены и лежат ближе к перпендикуляру к оси, поэтому виток лучше держит силу вдоль стержня. Если сечение считают впритык, эти проценты — довод не утолщать заготовку.

Усталость и сбег резьбы

Усталостная стойкость накатанной резьбы выше до 70%. Если резьбовая деталь ломается от усталости, трещина начинается на сбеге. Сбег резьбы — участок неполного профиля у конца резьбы, и именно там сосредоточена нагрузка. Поэтому для деталей на циклах смотрят не только на сам виток, но и на то, чем заканчивается резьба.

Главный выигрыш накатки — усталость, до 70%. На разрыв прирост скромнее: 10–30%.

Факт. Накатанная резьба держит растяжение на 10–30% больше нарезанной, а усталостная стойкость выше до 70%. Усталостная трещина стартует на сбеге, где собрана нагрузка.

Износ и задиры

Накатка даёт более гладкую и твёрдую поверхность, а вместе с ней стойкость к износу, коррозии и задирам. Для деталей, которые часто закручивают или которые работают в агрессивной среде, это дополнительный довод в пользу накатки.

Что дешевле: считаем по партии

Дешевле тот метод, у которого меньше сумма на одну годную деталь при вашем тираже. У накатки дороже оснастка и дешевле проход: секунды вместо нескольких проходов резцом и, иногда, более тонкий пруток. У нарезания оснастка дешёвая или уже есть, а машинное время и стружка остаются на каждой штуке. Цены операции здесь нет: вилка по работам — на странице цены на металлообработку. Свои цифры подставляют в расчёт N = S / E.

Время операции и металл

Время осевой накатки: t = 60·L / (P·n). Длина L и шаг P — в одних единицах, n — обороты в минуту. Резьба 1/2-13 длиной 3 дюйма (76 мм), шаг 0,077 дюйма (1,95 мм), 917 об/мин: 60×3 / (0,077×917) ≈ 2,5 с за проход. В миллиметрах та же подстановка, 60×76 / (1,95×917), даёт около 2,6 с: разница из округления шага.

Накатка выдавливает профиль, заготовка тоньше номинала. Для резьбы 1/4 дюйма (6,35 мм) нужен пруток около 0,214 дюйма (5,44 мм). Источник оценивает экономию в 25%. По площади сечения тех же диаметров выходит около 27%: (0,214 / 0,250)² ≈ 0,73. Выгода есть, только если резьба — самое тонкое место и пруток можно купить этого диаметра. Фланец или шестигранник толще резьбы съедают её: заготовку берут по большему размеру.

Оснастка и точка безубыточности

Оснастка для накатки прямо влияет на себестоимость детали. Точка, с которой накатка обгоняет нарезание:

N = S / E

S — затраты на оснастку под этот диаметр и шаг: комплект роликов и, если головки в цехе нет, доля головки на эту работу. E — экономия на одной детали: разница машинного времени плюс разница цены прутка, если пруток реально берётся тоньше. Обе величины — из вашего расчёта, не из прайса этой статьи.

Чем короче резьба, тем меньше выигрыш по времени на одной детали и тем больше N. Пять разных шагов в заказе — это пять комплектов роликов: S считают на каждый шаг. Для одной детали накатка почти никогда не окупается: резец или плашка под такую резьбу в цехе обычно уже есть.

Точка, с которой накатка дешевле, считается так: затраты на оснастку делят на экономию с одной детали. Без тиража и без цены прутка ответ не получается.

Мнение. Если партия небольшая, резьба короткая, а удлинение материала едва дотягивает до 5–7%, режьте: оснастка накатки на такие штуки не раскладывается. Если штоков или тяг много, а сталь пластичная, посчитайте N и, скорее всего, накатывайте.

Когда накатка не подходит?

Накатка резьбы требует пластичности материала. Ориентир — относительное удлинение не меньше 5–7%, твёрдость не выше HRC 40 и предел прочности не выше около 1450 МПа (210 000 psi). Ниже 5% удлинения металл для накатки слишком хрупкий, и нарезание резьбы остаётся единственным способом. Геометрия тоже может запретить накатку даже на мягкой стали: например, буртик у самой резьбы.

Материал

Шкала по удлинению, с которой сверяют марку до спора о цене:

Два потолка рядом с удлинением: твёрдость не выше HRC 40 и прочность не выше около 1450 МПа. Более твёрдую заготовку режут. Свинца и других присадок для лёгкого реза — не больше 1%. Автоматные стали и свинцовые латуни с такими присадками под накатку не назначают.

Чугун, чистая бронза и твёрдые латуни с удлинением ниже 5% для накатки слишком хрупкие. По остальным маркам, включая нержавейку, алюминий и титан, решение принимают по удлинению, твёрдости и прочности из сертификата. Без этих цифр обещать накатку нельзя.

Геометрия детали

Осевая головка подходит к буртику примерно на полтора шага: до самого заплечика она не дотягивает. Резьбу вплотную к буртику поэтому либо переносят, либо делают другой схемой накатки, либо нарезают. Какую схему выбрать, зависит от чертежа, подробнее ниже.

Резьба под накатку: какой должна быть заготовка

Заготовка под накатку по диаметру близка к среднему диаметру резьбы. Накатка переносит металл в вершины, поэтому пруток тоньше наружного диаметра. Для резьбы 6,35 мм пруток около 5,44 мм.

Накатка перекладывает металл в вершины профиля, поэтому заготовка тоньше номинального диаметра резьбы.

Диаметр заготовки и допуск

Для профиля 60° стартовый ориентир: номинальный диаметр минус 0,72·P, где P — шаг. Конечный диаметр подбирают после настройки головки по среднему диаметру.

Ошибка диаметра заготовки выходит на наружный диаметр примерно втрое: 0,01 мм на прутке дают около 0,03 мм на вершине. Допуск заготовки держат не шире половины допуска на средний диаметр.

Фаска на заготовке

Фаска на заготовке — 10–30° к оси, на прочном материале и крупном шаге 10–20°. При накатке угол вырастает примерно на 15°: 30° на прутке становятся около 45° на детали. Угол с готового чертежа на заготовку не копируют.

Фаска круче 30° к оси давит на набегающий бок ролика и сокращает его ресурс.

Начало фаски для осевой головки ниже внутреннего диаметра резьбы примерно на половину высоты витка, ориентир 0,020–0,040 дюйма (около 0,5–1,0 мм).

Что указать в чертеже и заявке, если нужна накатка?

Подрядчик не угадывает метод по одному значку M12. Если нужна накатка, это пишут прямо, и рядом должно быть ясно, задан ли готовый размер резьбы или диаметр заготовки. Иначе цех либо нарежет, либо накатает «как привык», и средний диаметр уедет. Пять пунктов заявки закрывают спор до запуска.

1. Надпись «резьба накатная», обозначение, поле допуска и длина резьбы. Как ставить обозначение на чертеже, разобрано отдельно: как обозначить резьбу на чертеже.
2. Что задано на чертеже: готовая резьба или диаметр заготовки под накатку. Если задана готовая резьба, диаметр прутка считает технолог.
3. Длина полной резьбы и что рядом: буртик, канавка, открытый конец. От этого зависит, дотянется ли головка.
4. Порядок операций: накатка до или после термообработки и покрытия. Для покрытия заранее выберите слой: какое покрытие резьбы выбрать. Толщина покрытия меняет размер резьбы.
5. Тираж. На одной детали и на большой партии решение по методу разное, даже при одном чертеже.

Тираж пишите числом, хоть «5 штук», хоть «50». Иначе ролики под одну деталь попадут в цену как серийная оснастка.

Станок для накатки резьбы: что нужно и какие режимы

Накатку наружной резьбы на детали с токарного станка чаще всего делает осевая накатная головка. Головка самоподающаяся: за оборот она проходит один шаг. Программную подачу задают чуть меньше шага, на 0,025–0,05 мм (0,001–0,002 дюйма). Так компенсируют удлинение металла и берегут ролики.

Головка едет вдоль детали, поэтому резьба может быть длиннее самой головки. Длину ограничивает ход раскрытия головки.

Скорость для большинства задач — 100–150 sfm, это 30–46 м/мин. Допустимый диапазон осевых головок — 60–300 sfm, или 18–91 м/мин.

У Fette F2 ход раскрытия 0,120 дюйма (около 3 мм). При подаче на 0,05 мм меньше шага головка держит около 60 витков, это примерно 114 мм. При 0,025 мм длина доходит примерно до 229 мм. В конце хода по Z нужна выдержка 0,5 с, чтобы головка раскрылась.

Какая головка дотянется до буртика?

Осевая накатная головка делает накатку с торца и едет вдоль оси. К буртику она подходит примерно на 1,5 шага. Резьба прямо от заплечика для осевой схемы часто не годится, даже на пластичной стали.

Радиальная головка подходит к буртику примерно на 0,5 шага, ближе, чем одноточечная пластина. Цикл часто короче секунды. Тангенциальная накатка занимает две–три секунды.

Выбор головки — это ограничение чертежа, не «какая схема новее». Длинный шток без буртика — осевая головка на токарном станке. Короткий участок у заплечика — радиальная или тангенциальная, если такая головка есть. Резьба и длинная, и вплотную к буртику — повод пересмотреть чертёж или нарезать. В заявке достаточно длины, расстояния до буртика и тиража: цех скажет, какая головка физически дотянется.

Что идёт не так при накатке

Брак накатки почти всегда виден по заготовке или по фаске, поэтому на первой детали сверяют вид, причину и правку.

Первую деталь проверяйте до запуска партии: заготовка, фаска и марка влияют на результат сильнее, чем настройка головки.

Как проверить накатанную резьбу

Годность накатанной резьбы проверяют по чертежу: средний диаметр, поле допуска и длину резьбы. Метод изготовления на требования к размерам не влияет, поэтому в заявке достаточно указать, чем и как вы принимаете резьбу.

Наружный диаметр после накатки зависит от диаметра заготовки. Если наружный вышел из поля, правят заготовку: допуск на неё должен быть не шире половины допуска на средний диаметр. Шероховатость числом Ra здесь не нормируем: у накатки поверхность глаже, но конкретное Ra зависит от ролика и марки. Если на чертеже стоит Ra, его подтверждают измерением, а не ссылкой на метод.

Как выбрать метод: чек-лист и итог

Метод выбирают по четырём строкам чертежа и заявки: нагрузка, тираж, материал, геометрия. Накатка резьбы — для серии, для циклической нагрузки, для пластичного металла и для резьбы на штоке или стержне, где головка дотягивается до нужного места. Нарезание резьбы — для одной детали, для хрупкого или твёрдого металла и для резьбы у самого буртика. Ни один метод не «лучше вообще».

Себестоимость посчитайте формулой N = S / E до того, как закрепите метод в чертеже надписью «резьба накатная». Если N больше вашего тиража, надпись обяжет цех купить ролики ради запаса прочности, который на малой партии не окупится. Если деталь — шток под циклы и тираж выше N, надпись как раз защищает от нарезания «потому что резец уже стоит».

Для расчёта пришлите чертёж, марку с удлинением из сертификата и тираж. По этим трём пунктам видно, проходит ли металл и раскладывается ли оснастка. Заявку на изготовление деталей по чертежам имеет смысл собирать именно так: без тиража цена метода не считается, без марки нельзя обещать накатку.

Частые вопросы

Источники

• Thread Rolling on CNC Machines — Cutting Tool Engineering, разбор прочности, пластичности и экономии металла при накатке
• Axial Thread Rolling For CNC Lathe Users — Modern Machine Shop, режимы осевой головки, заготовка, фаска и длина резьбы