Метчики широко используются в машиностроении для нарезания правой и левой резьбы в сквозных и глухих отверстиях заготовок и весьма разнообразны по конструкциям и геометрическим параметрам.

Он представляет собой винт, снабженный продольными прямыми или винтовыми канавками, образующими режущие кромки. Метчик работает при двух одновременных движениях: вращательном (метчика или заготовки) и поступательном (вдоль оси метчика).

По конструкции и применению метчики делят на следующие типы:

1. ручные (слесарные) – с ручным приводом, изготавливаются комплектами из двух или трех номеров;
2. машинно-ручные одинарные или в комплекте из двух номеров – с ручным или станочным приводом;
3. машинные одинарные – со станочным приводом;
4. гаечные – для нарезания резьбы в гайках на специальных станках;
5. плашечные и маточные – для нарезания и, соответственно, калибрования резьбы в резьбонарезных плашках;
6. специальные метчики для нарезания резьбы различных профилей: трапецеидальных, круглых, упорных и т.д., а также сборные регулируемые, метчики-протяжки, конические метчики и др.

Метчик показан на рис. 1. Рабочая часть, т. е. вся нарезанная часть метчика, делится на заборную и калибрующую. Заборной (или режущей) частью называется передняя конусная часть метчика, на долю которой приходится черновое нарезание резьбы.

Калибрующая часть метчика служит для зачистки резьбы. Хвостовая часть метчика представляет собой стержень для закрепления метчика в патроне или воротке; квадрат служит для передачи крутящего момента.

К элементам, определяющим конструкцию метчика, относятся канавки для размещения стружки, режущие перья, сердцевина (внутренняя часть тела метчика). К геометрическим элементам относятся передний угол γ, задний угол α, угол наклона конуса заборной (или режущей) части φ и угол наклона винтовых канавок ω (на рис. 1. канавки прямые, параллельные оси; угол ω = 0).

Рисунок 1. – Конструктивные элементы метчика

В зависимости от рода обрабатываемого материала передний угол γ = 5 ÷ 30º. У метчиков, предназначенных для обработки стали средней твердости γ = 10º; для обработки чугуна γ = 5º. Задний угол на заборной части метчика получается затылованием резьбы только по вершинам. У ручных нешлифованных метчиков α = 4 ÷ 8º, а у гаечных метчиков со шлифованной резьбой α = 8 ÷ 12º. На калибрующей части и боковых сторонах пера задний угол чаще равен нулю, и лишь у метчиков со шлифованной резьбой его получают затылованием на резьбошлифовальном станке; величина затылования незначительна (0,2…0,3 мм по ширине пера), однако и это приводит к резкому уменьшению трения и облегчению работы. Для уменьшения трения резьбовую часть метчика изготовляют с обратным конусом, т. е. наружный и внутренний диаметры резьбы уменьшаются к хвостовику метчика на 100 мм длины: на 0,05…0,10 мм для метчиков со шлифованным профилем, а также для метчиков, резьбы которых образованы накатыванием; на 0,08…0,12 мм для метчиков с нешлифованным профилем.

При обработке заготовок из особо вязких и прочных материалов (жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, низкоуглеродистых вязких сталей и т. д.) необходимо стремиться уменьшить площадь соприкосновения резьбы метчика с заготовкой.

Метчики изготовляют в основном с прямыми, а иногда с винтовыми канавками. Направлением винтовых канавок можно регулировать направление схода стружки. На рис. 2 показаны метчики с различным направлением винтовых канавок. При направлении канавок, как показано на рис. 2, а, стружка сходит вперед, что целесообразно при нарезании резьбы в сквозных отверстиях. При обратном направлении канавок (рис. 2, б) стружка сходит назад, что применимо при нарезании резьбы в глухих отверстиях. У метчика с прямой канавкой можно заставить стружку также идти вперед (в отверстие); это достигается заточкой скоса под углом λ (рис. 2, в).

Рисунок 2. Схема схода стружки в зависимости от направления канавок метчика: а – винтовая канавка с левым направлением; б – винтовая канавка с правым направлением; в – прямая канавка с подточкой на режущей части

Режущая часть метчиков выполняется с генераторной (рис. 3, а) или профильной (рис. 3, б) схемами обработки.

Рисунок 3. Режущая часть метчика с генераторной (а) и профильной (б) схемами резания

По генераторной схеме зубья на длине режущей части l₁ срезают припуск во впадине резьбы детали, т. е. каждый режущий зуб участвует в формировании профиля резьбы. Использование такой схемы значительно упрощает технологии изготовления и заточки метчиков.

Профильная схема резания, когда на заборном конусе нарезаются зубья с полным профилем резьбы или в качестве образующей заборной части берется не прямая, а дуга окружности и др. Хотя эти варианты и позволяют повысить стойкость метчиков и точность нарезаемой резьбы, но они существенно увеличивают трудоемкость изготовления метчиков и поэтому не нашли широкого практического применения. При генераторной схеме резания главными режущими кромками являются вершинные кромки переменной ширины, а боковые кромки зубьев – вспомогательными.

При нарезании резьбы вручную вся работа распределяется между двумя или тремя метчиками (применяется комплект метчиков). Полный профиль резьбы имеет только чистовой метчик.

Черновой и средний метчики имеют меньшие наружные диаметры. Различна и длина заборной части каждого метчика; у чернового метчика она наибольшая (4Р), у чистового – наименьшая (1,5 ÷ 2Р).Наиболее распространенным является такое распределение работы, при котором 50…60% приходится на черновой метчик, 28…30% – на средний и 16…10% – на чистовой.

Материал рабочей части – инструментальные углеродистые стали марок У11, У11А, У10А, быстрорежущие стали или твердый сплав. Материал хвостовой части – инструментальные стали, быстрорежущие стали, твердые сплавы (у цельных метчиков) или конструкционные стали марок 45, 40Х (ГОСТ 1050 – 74, ГОСТ 4543 – 71).

Твердость рабочей части метчиков из инструментальных углеродистых сталей 61 – 63 НRС_Э, из быстрорежущих сталей диаметром до 6 мм – 62 – 64 НRС_Э, диаметром более 6 мм 63 – 66 НRС_Э или 64 – 67 НRС_Э при содержании кобальта более 5 % и ванадия свыше 3 %. Твердость хвостовиков не регламентируется, за исключением гаечных метчиков и участка в зоне квадрата и канавки (лыски), на котором твердость должна быть 35 – 50 НRС_Э. У гаечных метчиков с изогнутым хвостовиком хвостовик на участке, отстоящем от рабочей части на 5 – 9 диаметров, также должен быть термообработан.

Допуски на размеры профиля метчиков. Допуски на резьбу метчиков предусмотрены ГОСТ 16925 – 71 и ГОСТ 19090 – 73.

Исполнительные размеры черновых и чистовых метчиков для метрической резьбы по ГОСТ 9150 – 59 приведены в ГОСТ 17039 – 72. Для трудной цилиндрической резьбы по ГОСТ 6357 – 73 исполнительные размеры метчиков даны в ГОСТ 17039 – 72. Биение рабочей части метчиков не должно превышать пределов по ГОСТ 3449 – 71.Величина допуска зависит от степени точности нарезаемой резьбы и класса точности метчика (таблица ниже).

На рис. 4, а показано расположение полей допусков на диаметры резьбы гайки и метчика для метрической крепежной резьбы.

Влияние класса точности метчика на степень точности нарезаемой резьбы

^* При двойном обозначении степени точности резьбы, например 4H5H, на первом месте ставится степень точности по d₂ гайки, на втором – болта.

Примечание. Метчики классов 1, 2, 3 изготавливаются со шлифованной резьбой.

Точности метчиков по ГОСТ 16925, ГОСТ 19090 и ГОСТ 7250 должны соответствовать: а) машинных: для метрической резьбы – классам 1, 2, 3; для трубной резьбы – классам А2, АЗ и В1; для дюймовой резьбы – степеням С и D; б) гаечных: для метрической резьбы – классам 1, 2, 3; для дюймовой резьбы – степеням С и D. Гаечные метчики диаметром 3 и 3,5 мм со шлифованным профилем допускается изготовлять 4-го класса точности.

При посадке с зазором поле допуска резьбы гайки находится выше номинального профиля (в «теле» гайки). Поле допуска на резьбу метчика лежит внутри поля допуска на гайку, оно значительно уже и расположено ближе к номинальному профилю, но не совпадает с ним, а имеет допуск на износ по наружному d и среднему d₂ диаметрам (рис. 4, б). Верхняя граница поля допуска гайки по наружному диаметру не ограничивается, поэтому поле допуска метчика по этому параметру находится полностью в поле допуска гайки, в том числе с допуском на износ.

Средний диаметр резьбы d₂ является основным параметром, характеризующим класс точности метчика. Поле допуска на него состоит из допусков на износ, изготовление и разбивку, которые в сумме равны допуску на средний диаметр гайки D₂.

Внутренним диаметром d₁метчик не должен снимать стружку. Поэтому верхнее отклонение поля допуска метчика на d₁должно быть ниже наименьшего диаметра резьбы гайки. Нижнее отклонение по d₁метчика не регламентируется. Дно впадины резьбы метчика может быть произвольной формы, в том числе с закруглением, но не должно заходить за нижнюю границу поля допуска на диаметр D₁гайки, т. е. метчик впадиной резьбы не должен касаться внутренней поверхности резьбы гайки.

Допуск на шаг резьбы метчика зависит от погрешностей механизма подачи резьбошлифовального станка и погрешностей, вызванных термообработкой. У метчиков 1-го, 2-го, 3-го классов точности в зависимости от диаметра и класса точности предельные отклонения по шагу на длине 25 витков составляют 0,006...0,012 мм.

Рисунок 4. Схемы расположения полей допусков на диаметры резьбы метчика (d, d₁, d₂) и гайки

Отклонение по углу профиля α назначается с учетом обеспечения симметричности профиля, поэтому оно задается на половину этого угла. С учетом возможных погрешностей инструментов, нарезающих резьбу метчика, после термообработки метчиков классов точности 1, 2, 3 этот допуск в зависимости от диаметра и класса точности равен δ(α/2) = ±40...15'.

Слесарные (ручные) метчики предназначены для нарезания резьбы вручную. Они изготавливаются из инструментальных сталей комплектами из двух или трех метчиков, у которых резьба получена накаткой роликами. Класс точности метчика невысокий (4-й класс). Слесарные метчики также изготавливают из быстрорежущей стали со шлифованным профилем, в том числе с унифицированной резьбой по американским стандартам диаметром d = 1/4…1". Для нарезания резьбы в сквозных отверстиях у ручных метчиков, так же как у машинных, делают подточку передней грани под углом λ.

Машинные и машинно ручные метчики используются на сверлильных, токарных и агрегатных станках для нарезания метрической резьбы М2...М24 в заготовках из стали прочностью σ_в до 800 МПа, латуни, чугуна, в сквозных и глухих отверстиях. Размеры таких метчиков стандартизованы. Машинно-ручные метчики с шлифованной резьбой изготавливают из стали Р18, ручные с нешлифованной резьбой из стали У12. Машинно-ручные метчики М2…М6 из твердого сплава делаются цельными с вышлифованными канавками; М10 – М16 – составными, с цельной твердосплавной рабочей частью и стальным хвостовиком, соединенных пайкой; метчики свыше М16 изготовляют составными со стальным корпусом и пластинками из твердого сплава или сборными с механическим креплением пластинок из твердого сплава. Метчики предназначены для обработки заготовок из чугуна, закаленных сталей, высокопрочных материалов. Машинно-ручные метчики выпускаются комплектами из двух или трех номеров и могут использоваться также при нарезании резьбы вручную. Стандартные машинные метчики одинарные, имеют относительно короткую заборную часть и прямые стружечные канавки, передний угол γ = 10°. Если они не отвечают требованиям производства, то могут быть переделаны на специальные метчики самим потребителем или по заказу инструментальными заводами. Переделка чаще всего состоит в изменении углов γ, φ, λ, а также в удалении части ниток в шахматном порядке. В этом случае исходят из того, что при обработке вязких материалов следует увеличить угол γ до 20°, а хрупких материалов (чугуна, бронзы), наоборот, уменьшить угол γ до 4...6°. С помощью угла φ можно регулировать толщину среза на один зуб а_zи, соответственно, силы резания и шероховатость поверхности с учетом изложенного выше.

Гаечные метчики служат для нарезания сквозной резьбы без свинчивания гаек путем их нанизывания на хвостовую часть. Для лучшего захода метчика в отверстие они имеют длинную заборную и короткую калибрующую части. В начале заборной части снимают фаску под углом 45° на длине (1...1,5)Р, а иногда делают гладкую переднюю направляющую диаметром d_н = d_1min - (0,1...0,3) мм.

Из-за большой длины гаечных метчиков, затрудняющей их изготовление, особенно при шлифовании резьбы, их часто делают составными: отдельно изготавливают режущую и хвостовую части, а затем их соединяют сваркой трением, пайкой или с помощью резьбы.

Хвостовики гаечных метчиков изготавливают длинными прямыми или изогнутой формы. Метчики с изогнутыми хвостовиками применяют для нарезания резьбы в гайках на станках-автоматах с непрерывным циклом. Здесь заготовки гаек подаются из бункера в зону резания и после нарезания резьбы сходят по изогнутому хвостовику в лоток.

Плашечные и маточные метчики. Плашечные метчики служат для предварительного нарезания резьбы в круглых плашках до сверления стружечных отверстий, а маточные – для калибрования резьбы после сверления. Иногда их объединяют в один комбинированный плашечно-маточный метчик и используют для нарезания резьбы в плашках за один проход.

Так как обрабатываемый материал часто имеет большую твердость, а к резьбе предъявляются высокие требования по точности, то для лучшего направления метчика в отверстии угол заборного конуса у плашечных метчиков берут малым - φ = 1°20', а длину заборного конуса большой - l_зк= (46...48)Р. При этом на длине заборной части, равной l₁ = 16Р, зубья имеют полный профиль с углом φ = 1°20' и затылованием на величину k_z= 0,03...0,06 мм по d₂ и d₁ на остальной части, выполненной по цилиндру с затылованием по вершинам зубьев, - на величину k_z= 0,45...1,1 мм. Таким образом, плашечный метчик имеет только режущие зубья, которые на первом участке работают по профильной схеме резания, а на втором -по генераторной. Число перьев метчика принимается на 1-2 больше числа отверстий в плашке.

У маточных метчиков имеются заборная часть длиной l₁ = 12Р с углом φ = 0°12' и калибрующая часть длиной l₂ = 10Р. Во избежание ударов стружечные канавки делают винтовыми с углом ω = 8...10⁰ и направлением, противоположным направлению резьбы. Число канавок маточного метчика z_к = 6...10, а у метчиков d<6 мм делается одна канавка.

Метчики для конической резьбы применяют там, где требуется получить герметичное резьбовое соединение без применения уплотнительных средств. Это достигается за счет деформации витков резьбы при осевом перемещении, например труб, муфт, работающих при высоких давлениях передаваемой среды (масло, вода, воздух) и высоких температурах.

Особенность работы конических метчиков заключается в том, что нарезание резьбы происходит по всей длине метчика, равной длине резьбы. Калибрующая часть у конических метчиков отсутствует, что способствует появлению больших усилий резания. Нарезание резьбы, как правило, производится на станках с предохранительным устройством, срабатывающим в конце резания. Основные параметры метчиков подобны параметрам метчиков для цилиндрической резьбы. Режущие зубья затылуются по наружному диаметру (α_в = 6...8°, γ = 5...10°).

Метчики сборные, регулируемые применяются с целью экономии инструментальных материалов при нарезании резьбы больших диаметров, чтобы компенсировать износ, они часто изготавливаются сборными, регулируемыми по диаметру.

Рисунок 5. Регулируемый метчик

Как видно из рис. 5. в корпусе 1 крепится стержень 2 с наклонными пазами. Гребенки 3 входят в пазы стержня и прижимаются крышкой 4. При перемещении стержня 2 с помощью винтов 5 происходит регулировка диаметра метчика. На заборной части метчика угол φ = 10... 15° для сквозных отверстий и φ = 20...30⁰ для глухих отверстий. Передний угол γ = 5...25⁰, а задний угол на режущей части (α = 8...10°) получают затылованием. Резьба на гребенках винтовая, совпадающая по направлению с нарезаемой.

Недостатком этой конструкции является необходимость вывинчивания метчика из отверстия. Есть более сложные конструкции сборных метчиков, у которых вывинчивание исключается за счет утопления гребенок в конце нарезания резьбы.

Метчик-протяжка позволяет нарезать в сквозных отверстиях резьбу любых профилей и длины, с любым числом заходов. Метчик-протяжка по сравнению с обычными метчиками и резьбовыми резцами обеспечивает повышение производительности в несколько раз при высокой точности и низкой шероховатости резьбы.

Особенности конструкции метчика-протяжки:

1) хвостовик располагается впереди режущей части и метчик работает на растяжение;

2) рабочая часть метчика представляет собой коническую поверхность большой протяженности с зубьями, профиль которых соответствует профилю нарезаемой резьбы. Угол заборного конуса очень мал - φ = 1°40';

3) зубья по среднему диаметру не затылуются, а затачиваются только по задним поверхностям с двойной заточкой: α₁ = 12…15°, α₂ = 30…60°;

4) из-за угла φ ширина режущих кромок по наружному диаметру переменная. Она уменьшается от первых зубьев к последним, т.е. используется генераторная схема резания;

5) стружечные канавки выполняют винтовыми: для правой резьбы – левые, для левой резьбы – правые, с углом наклона к оси метчика ω = 4…15°, угол раскрытия канавки ψ = 80…90°;

6) в конце рабочей части метчика иногда предусматривают короткую калибрующую часть и задний хвостовик;

7) число канавок z_к = 3 для d ≤ 20мм и z_к = 4 для d > 20мм.

Нарезание резьбы обычно производится на токарном станке с п = 18...40 об/мин и v = 2...3 м/мин. Хвостовик метчика с помощью клина крепят на суппорте станка. Перед протягиванием заготовку надевают на метчик и зажимают в самоцентрирующем патроне станка и приводят во вращение. При этом шпиндель станка включают на обратный ход и суппорт перемещается вправо с подачей на один оборот, равной шагу нарезаемой резьбы.

При нарезании резьбы в высокопрочных материалах рабочую часть метчика-протяжки делят на ступени. При этом каждая ступень имеет режущую и калибрующую части, а проточки между ступенями служат для выхода стружки.

Режимы резания

Подача:

Существуют два способа подачи метчиков: подача принудительная, равная шагу резьбы, и подача с самозатягиванием.

При работе с принудительной подачей метчику, жестко закрепленному и ориентированному относительно обрабатываемой заготовки, сообщается подача на оборот, равная шагу нарезаемой резьбы Р вдоль ее оси (иногда подается обрабатываемое изделие).

При подаче с самозатягиванием метчик крепится в плавающем патроне, предварительно поджимается к обрабатываемому изделию (или наоборот), а затем перемещается вдоль оси под действием усилий резания.

Скорость резания:

где К_v– общий поправочный коэффициент, К_v= К_мvК_иvК_тv,

где К_мvК_иvК_тv– коэффициенты учитывающие обрабатываемый и инструментальный материалы, точность нарезаемой резьбы, приведены в таблице ниже;D – номинальный диаметр метчика, мм; Р – шаг нарезаемой резьбы, мм; Т – период стойкости инструмента, мин;, q, y, m – коэффициенты и показатели степени, выбираемые из таблицы.

Значения коэффициентов и показателей степени в формуле скорости резания для нарезания резьбы

Примечание: нарезание резьбы производится с применением СОЖ, рекомендуемых для данного вида обработки.

Крутящий момент: М_кр = 10С_МD^qP^yK_p,

где Р – шаг резьбы; D – номинальный диаметр резьбы; K_p– коэффициент учитывающий качество обрабатываемого материала, таблица выше; С_М, q, y - коэффициенты и показатели степени, выбираемые из таблицы.

Значения коэффициентов и показателей степени в формулах силовых зависимостей при нарезании резьбы

Мощность: N = Mn / 975,

где n = 1000V/πD,

где V – скорость резания; D – номинальный диаметр резьбы; М – крутящий момент.