При изготовлении механизмов, оборудования, зданий и сооружений соединение деталей конструкций выполняется несколькими способами. Широко распространены такие технологии, как сварка, клепка, склеивание и пайка. Но ни одно из них не сравнится по количеству применения с резьбой, а именно с болтовой стыковкой. Выбирая эту методику инженеры и строители ориентируются на такие качества, как простота планирования и монтажа, оперативность сборки, надежность и долговечность, возможность раскручивания и повторного использования крепежных элементов. Все эти факторы сказываются и на конечной стоимости проекта, что имеет не последнее значение в современной экономике.
Особенности резьбовых соединений
Стыковочные узлы могут состоять из одного болта или изделие применяется в сочетании с гайкой и шайбой. Есть модификации и с расширяющейся гильзой, где болты выполняют функции натяжения для расширительного элемента.
Конструктивно изделия состоят из головки определенной формы (плоской шестигранной, сферической с внутренним выступом, круглой с шлицем, в виде кольца) и стержня с витками резьбы. Длинные метизы, предназначенные для стыковки деталей с двух сторон через отверстия, имеют резьбу неполную, ровно столько, сколько нужно для движения гайки до конечной точки затягивания. Это делается для снижения себестоимости и повышения прочности изделия на разрыв.
Параметры резьбы — высота и профиль гребня, шаг стандартизированы по разным системам. Сегодня действует две классификации: Европейский DIN (в России ГОСТ) метрический и британский UN и американской UNC, где размеры исчисляются в дюймах. В обеих системах прописаны параметры мелкого и крупного шага.
Следует помнить, что: детали разных стандартов, несмотря на одинаковые параметры несовместимы, так как имеют разные углы вершин гребней спирали.
Виды нагрузок на резьбовые соединения
В процессе монтажа и дальнейшей эксплуатации на болты, являющиеся основными элементами стыка, действуют различные нагрузки, которые берутся в расчеты при проектировании различных конструкций.
Различают такие виды напряжений на резьбовые соединения:
- Преднапряжение. Возникает в металле в процессе закручивания гайки на этапе создания прижимного усилия (затягивания). Представляет собой постоянно возрастающее сопротивление испытываемой механической нагрузке.
- Растягивание. Появляется вследствие силы натяжения между головкой и участком спирали, где находится гайка. Величина имеет свой предел. При его превышении внешним воздействием стержень растягивается и рвется. Обычно это происходит под головкой изделия.
- Трение. На начальных этапах закручивания величина незначительная, возрастает по мере затягивание из-за увеличения площади и силы прижима витков ответных деталей соединения.
- Срезание. По-другому называется срывом резьбы. Происходит, когда крутящий момент значительно выше силы трения и расчетной прочности изделия. Причина может быть, как в низком качестве изделия, так и в нарушении технологии монтажа.
Значение усилия сжатия
При проектировании соединений в конструкциях, инженеры сопоставляют уровень прочности деталей и болтов. Расчет делается на то, что основа будет крепче крепежа. Учитывая стоимость болтов, то это абсолютно оправдано. Лучше сломается недорогой метиз, чем ценное устройство.
Еще одним правилом является отсутствие привязки к размерам. Крупные крепежи утяжеляют блок и ухудшают его внешний вид. Главной задачей резьбового соединения считается способность создавать достаточную силу сжатия, что в конечном итоге определяет прочность стыковочного узла.
Вопрос только в том, что специфика крепления такова, что измерить именно силу сжатия на конечном этапе затягивания довольно затруднительно. Поэтому, она определяется опытным путем, а отображается в рекомендациях производителей по величине крутящего момента. Для того, чтобы выполнять закручивание болтов с нужной нагрузкой, используются динамометрические ключи с трещоткой.
Так как напряжение сжатия зависит от размера резьбы и угла поворота изделия, есть прямое отношение между силой прижимания и вращения в сопоставлении с показателями упругости витков спирали. Так, при закручивании только 10% прилагаемой нагрузки расходуется на непосредственное поворачивание болта. Остальные приложенные силы уходят на преодоления трения между витками (40%) и головки метиза об деталь (50%).
Классы прочности резьбовых соединений
При закручивании болта, независимо в отверстие или гайку, начиная с затягивания металл начинает испытывать напряжение. После достижения конечной точки соединения он начинает деформироваться в соответствии к уровню приложенного усилия. На практике, стержень растягивается до тех пор, пока внутреннее напряжение не превысит предел прочности изделия на разрыв. Результатом является разделение стержня или срыв резьбы. При ослаблении натяжения металл возвращается в исходное состояние. Такое свойство изделий называется упругой деформацией.
Вместе с тем, металл обладает и пластической деформацией. Она определяется таким показателем, как предел текучести. При длительном, пребывании в состоянии равенства уровней момента затяжки и прочности на разрыв, болт растягивается, не рвется и становится длиннее уже постоянно. Для увеличения надежности резьбового соединения часто эта область данных закладываются в проект изготовления метизов. Суть состоит в надежности стыка не только за счет трения резьбы, но и упругости стержня.
Момент затяжки (Нм) согласно ISO 898/1
Во всех системах классификации, метрических и дюймовых, технические характеристики болтов приведены к определенным нормам и параметрам. Одним из них является прочность, то есть предельное усилие на растяжение, до которого изделие должно сохранять целостность. Поскольку металл обладает способностью растягиваться, то класс прочности определяется двумя показателями. Обозначаются они числами через точку.
Расшифровка символов обозначает такие данные:
- Минимальная прочность на разрыв (Н/мм² х 100).
- Отношение между гранью текучести и минимальной прочностью на разрыв (делится на 10).
Как пример можно рассмотреть болт с классом прочности 7.6:
- 7 — минимальная прочность на разрыв соответствует 700 Н/мм²;
- 6 — предел текучести составляет 0,6x700 = 420 Н/мм².
Выбирая момент затяжки резьбового соединения, следует помнить о необходимости смазки в таком соединении, поскольку смазка или монтажная паста минимизирует трение в резьбе.
В таблице, приведённой ниже, представлены моменты затяжки для болтов и гаек из углеродистой стали с метрической резьбой, учитывая условие, что в таком соединении нет смазки.
Таблица моментов затяжки метрического крепежа с крупным шагом:
| Резьба | Шаг резьбы | Осевая нагрузка, КН 8.8 | Осевая нагрузка, КН 10.9 | Осевая нагрузка, КН 12.9 | Момент затяжки, НМ 8.8 | Момент затяжки, НМ 10.9 | Момент затяжки, НМ 12.9 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| M4 | 0.7 | 4.3 | 6.3 | 7.4 | 3.3 | 4.8 | 5.6 |
| M5 | 0.8 | 7 | 10.3 | 12 | 6.5 | 9.5 | 11.2 |
| M6 | 1 | 9.9 | 14.5 | 17 | 11.3 | 16.5 | 19.3 |
| M8 | 1.25 | 18.1 | 26.6 | 31.1 | 27.3 | 40.1 | 46.9 |
| M10 | 1.5 | 28.8 | 42.2 | 49.4 | 54 | 79 | 93 |
| M12 | 1.75 | 41.9 | 61.5 | 72 | 93 | 137 | 160 |
| M14 | 2 | 57.5 | 84.4 | 98.8 | 148 | 218 | 255 |
| M16 | 2 | 78.8 | 115.7 | 135.4 | 230 | 338 | 395 |
| M18 | 2.5 | 99 | 141 | 165 | 329 | 469 | 549 |
| M20 | 2.5 | 127 | 181 | 212 | 464 | 661 | 773 |
| M22 | 2.5 | 158 | 225 | 264 | 634 | 904 | 1057 |
| M24 | 3 | 183 | 260 | 305 | 798 | 1136 | 1329 |
| M27 | 3 | 240 | 342 | 400 | 1176 | 1674 | 1959 |
| M30 | 3.5 | 292 | 416 | 487 | 1597 | 2274 | 2662 |
| M33 | 3.5 | 363 | 517 | 605 | 2161 | 3078 | 3601 |
| M36 | 4 | 427 | 608 | 711 | 2778 | 3957 | 4631 |
| M39 | 4 | 512 | 729 | 853 | 3597 | 5123 | 5994 |
| M42 | 4.5 | 584 | 832 | 974 | 4413 | 6285 | 7354 |
| M45 | 4.5 | 684 | 974 | 1140 | 5512 | 7851 | 9187 |
| M48 | 5 | 770 | 1096 | 1283 | 6667 | 9495 | 11112 |
| M52 | 5 | 922 | 1314 | 1537 | 8570 | 12206 | 14284 |
| M56 | 5.5 | 1064 | 1516 | 1774 | 10678 | 15208 | 17797 |
| M60 | 5.5 | 1242 | 1770 | 2071 | 13249 | 18870 | 22082 |
| M64 | 6 | 1406 | 2003 | 2344 | 15955 | 22724 | 26592 |
| M68 | 6 | 1610 | 2293 | 2683 | 19282 | 27462 | 32137 |
| M72 | 6 | 1828 | 2603 | 3046 | 23043 | 32819 | 38405 |
| M76 | 6 | 2059 | 2933 | 3432 | 27232 | 38785 | 45387 |
| M80 | 6 | 2304 | 3282 | 3840 | 31930 | 45476 | 53216 |
| M90 | 6 | 2977 | 4240 | 4962 | 46188 | 65783 | 76980 |
| M100 | 6 | 3736 | 5322 | 6227 | 64297 | 91574 | 107161 |
Таблица моментов затяжки метрического крепежа с мелким шагом:
| Резьба | Шаг резьбы | Осевая нагрузка, КН 8.8 | Осевая нагрузка, КН 10.9 | Осевая нагрузка, КН 12.9 | Момент затяжки, НМ 8.8 | Момент затяжки, НМ 10.9 | Момент затяжки, НМ 12.9 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| M8 | 1 | 19.7 | 28.9 | 33.9 | 29.2 | 42.8 | 50.1 |
| M10 | 1.25 | 30.8 | 45.2 | 52.9 | 57 | 83 | 98 |
| M12 | 1.25 | 46.8 | 68.7 | 80.4 | 101 | 149 | 174 |
| M12 | 1.5 | 44.3 | 65.1 | 76.2 | 97 | 143 | 167 |
| M14 | 1.5 | 63.2 | 92.9 | 109 | 159 | 234 | 274 |
| M16 | 1.5 | 85.5 | 126 | 147 | 244 | 359 | 420 |
| M18 | 1.5 | 115 | 163 | 191 | 368 | 523 | 613 |
| M20 | 1.5 | 144 | 206 | 241 | 511 | 728 | 852 |
| M22 | 1.5 | 178 | 253 | 296 | 692 | 985 | 1153 |
| M24 | 2 | 204 | 290 | 339 | 865 | 1232 | 1442 |
| M27 | 2 | 264 | 375 | 439 | 1262 | 1797 | 2103 |
| M30 | 2 | 331 | 472 | 552 | 1756 | 2502 | 2927 |
| M33 | 2 | 407 | 580 | 678 | 2352 | 3350 | 3921 |
| M36 | 2 | 490 | 698 | 817 | 3082 | 4390 | 5137 |
| M39 | 2 | 581 | 828 | 969 | 3953 | 5631 | 6589 |
Таблица средних значений момента затяжки метрических болтов на динамометрическом ключе:
| Резьба болта | Класс прочности 3.6 Нм | Класс прочности 4.6 Нм | Класс прочности 5.6 Нм | Класс прочности 5.8 Нм | Класс прочности 6.8 Нм | Класс прочности 8.8 Нм | Класс прочности 9.8 Нм | Класс прочности 10.9 Нм | Класс прочности 12.9 Нм | Размер головки болта, мм |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| М 1.6 | 0.05 | 0.07 | 0.09 | 0.11 | 0.14 | 0.18 | 0.21 | 0.26 | 0.31 | 3.2 |
| М 2 | 0.11 | 0.14 | 0.18 | 0.24 | 0.28 | 0.38 | 0.42 | 0.53 | 0.63 | 4 |
| М 2.5 | 0.22 | 0.29 | 0.36 | 0.48 | 0.58 | 0.78 | 0.87 | 1.09 | 1.31 | 5 |
| М 3 | 0.38 | 0.51 | 0.63 | 0.84 | 1.01 | 1.35 | 1.52 | 1.9 | 2.27 | 5.5 |
| М 4 | 0.71 | 0.95 | 1.19 | 1.59 | 1.91 | 2.54 | 2.86 | 3.57 | 4.29 | 7 |
| М 5 | 1.71 | 2.28 | 2.85 | 3.8 | 4.56 | 6.09 | 6.85 | 8.56 | 10.3 | 8 |
| М 6 | 2.94 | 3.92 | 4.91 | 6.54 | 7.85 | 10.5 | 11.8 | 14.7 | 17.7 | 10 |
| М 8 | 7.11 | 9.48 | 11.9 | 15.8 | 19 | 25.3 | 28.4 | 35.5 | 42.7 | 13 |
| М 10 | 14.3 | 19.1 | 23.8 | 31.8 | 38.1 | 50.8 | 57.2 | 71.5 | 85.8 | 17 |
| М 12 | 24.4 | 32.6 | 40.7 | 54.3 | 65.1 | 86.9 | 97.7 | 122 | 147 | 19 |
| М 14 | 39 | 52 | 65 | 86.6 | 104 | 139 | 156 | 195 | 234 | 22 |
| М 16 | 59.9 | 79.9 | 99.8 | 133 | 160 | 213 | 240 | 299 | 359 | 24 |
| М 18 | 82.5 | 110 | 138 | 183 | 220 | 293 | 330 | 413 | 495 | 27 |
| М 20 | 117 | 156 | 195 | 260 | 312 | 416 | 468 | 585 | 702 | 30 |
| М 22 | 158 | 211 | 264 | 352 | 422 | 563 | 634 | 792 | 950 | 32 |
| М 24 | 202 | 270 | 337 | 449 | 539 | 719 | 809 | 1011 | 1213 | 36 |
| М 27 | 298 | 398 | 497 | 663 | 795 | 1060 | 1193 | 1491 | 1789 | 41 |
| М 30 | 405 | 540 | 675 | 900 | 1080 | 1440 | 1620 | 2025 | 2430 | 46 |
| М 33 | 550 | 734 | 917 | 1223 | 1467 | 1956 | 2201 | 2751 | 3301 | 50 |
| М 36 | 708 | 944 | 1180 | 1573 | 1888 | 2517 | 2832 | 3540 | 4248 | 55 |
| М 39 | 919 | 1226 | 1532 | 2043 | 2452 | 3269 | 3678 | 4597 | 5517 | 60 |
| М 42 | 11391 | 1518 | 1898 | 2530 | 3036 | 4049 | 4555 | 5693 | 6832 | 65 |
| М 45 | 1425 | 1900 | 2375 | 3167 | 3800 | 5067 | 5701 | 7126 | 8551 | 70 |
| М 48 | 1716 | 2288 | 2860 | 3813 | 4576 | 6101 | 6864 | 8580 | 10296 | 75 |
| М 52 | 2210 | 2947 | 3684 | 4912 | 5895 | 7859 | 8842 | 11052 | 13263 | 80 |
| М 56 | 2737 | 3650 | 4562 | 6083 | 7300 | 9133 | 10950 | 13687 | 16425 | 85 |
| М 60 | 3404 | 4538 | 5673 | 7564 | 9076 | 12102 | 13614 | 17018 | 20422 | 90 |
| М 64 | 4100 | 5466 | 6833 | 9110 | 10932 | 14576 | 16398 | 20498 | 24597 | 95 |
| М 68 | 4963 | 6617 | 8271 | 11029 | 13234 | 17646 | 19851 | 24814 | 29777 | 100 |
Типы болтовых соединений
Соединения с помощью резьбовых изделий различаются по нескольким критериям, где прочность самый важный показатель. Есть еще и такой показатель, как жесткость. Он определяется количеством движения, которое нужно сделать после достижения полного контакта головки болта и поверхности (угол затяжки). Для каждого вида соединения существует определенный показатель крутящего момента, который необходим для достижения определенной цели.
Для болтов одинакового диаметра степень жесткости может существенно различаться. Так, короткий метиз, пропущенный сквозь стальные пластины, требует минимального поворота ключа для достижения должного крутящего момента. Такие соединения классифицируются как «жесткие». В свою очередь, для закручивания болта, соединяющего детали с податливой поверхностью, нужен больший угол поворота, а нередко и несколько оборотов ключа. Этот вид стыковки называется «мягким».
Крутящий момент и его угол затяжки
Крутящий момент рассматривается как основной аспект при создании соединений, где основным критерием является прочность и надежность. Показатель затяжки может измеряться в процессе закручивания или после его окончания специальными инструментами. Соответственно, показатели момента затяжки в плане предъявляемых требований могут существенно различаться. Для ответственных узлов транспортных средств они самые высокие, а для блоков регулировки, как таковые отсутствуют.
Для достижения максимальных показателей соединений с использованием болтов, их технические характеристики расширяются данными в отношении угла затяжки. Его используют для проверки качества будущего стыка, в котором будут присутствовать прокладки. Что касается соответствия болта маркировке, оно проверяется путем измерения угла до касания головкой болта скрепляемой детали, а также до полной затяжки.
Ошибки при затяжке
Задачей контролируемого закручивания болтов с установленным для них моментом затяжки является достижение именно того усилия сжатия, которое соответствует классу изделия. При этом, даже предельно точное соблюдение всех нормативов не дает абсолютной гарантии того, что стык будет соответствовать расчетной нагрузке. Всегда есть вероятность присутствия скрытых дефектов или появления определенных погрешностей при выполнении затяжки резьбового соединения.
Наиболее распространенной причиной возникновения проблемных ситуаций является резьба. Ее деформация, сколы, низкая прочность, недостаточная длина, вызывает дополнительное сопротивление во время прикручивания. Соответственно, прибор может показать нужное значение до того, как будет достигнут нужный момент сжатия. Повреждения резьбы можно обнаружить визуально, а также при проверке метизов перед установкой путем практического контроля соответствия их углов затяжки контрольным показателям.
