Болт и винт - сходства и отличия крепежей

По итогам 2020 года в России произвели 246 484 тонны резьбового крепежа на общую сумму свыше 17 миллиардов рублей. Преобладающую долю рынка промышленной продукции заняли изделия таких типов, как болты и винты.

Среди студентов инженерных специальностей ходит старая шутка о том, как отличить между собой эти метизы: болт — болтается в сквозном отверстии, винт — ввинчивается в гнездо. Казалось бы, всё максимально просто для классификации и запоминания.

Разберем подробней, справедливо ли такое деление и корректно ли называть конкретный крепеж по принципу его установки.

Болты

Классическая конструктивная схема болтового соединения предусматривает крепежный элемент с нарезанным резьбовым концом и шестигранной головкой, который ставят в сквозные отверстия в сопряженных деталях и затягивают гайкой. Внутри гладких отверстий стержень всегда размещен с ощутимым зазором (0,5..2 мм), почему и возникает определение «болтается».

Болт упирается в плоскость первой детали торцом своей головки. Внутри отверстия его стержень может контактировать со стенкой (касание по линии, параллельной оси крепежа). На выходящий наружу резьбовой конец болта надевают гайку. Она же поджимает вторую деталь.

При силовой затяжке детали испытывают напряжения сжатия, а крепеж — растяжения. Витки резьбы, находящиеся в контакте с гайкой, несколько деформируются (выгибаются).

Усилие переносится на стянутые детали от головки болта и торца гайки. Поэтому крайне важно размещать крепеж в узлах так, чтобы сила затяжки распространялась на возможно большие участки равномерно.

Для решения этой задачи болты распределяют симметрично относительно центра узла:

• по окружности (для цилиндрических изделий);
• квадратом (для размещения 4 элементов);
• прямоугольником (для сборки коробчатых корпусов).

При сборке болты устанавливают в отверстия, фиксируют их от проворота и надевают гайки. Затяжку выполняют, последовательно реализуя сложную геометрическую схему перекрестных пар. Принцип состоит в том, чтобы постепенно нагружать соединения, лежащие на одной линии, которая проходит через центр геометрической фигуры их расположения. Такая тактика позволяет избежать перекоса сборки, как если бы крепеж сразу затягивали по кругу.

Крепление болтом не ограничено только классической «болтающейся схемой». В ряде случаев допустимо вкручивать изделие в резьбовое гнездо в теле детали. В этом случае болт начинает работать как винт. Но свое название не меняет, поскольку тип крепежа определяют на стадии его изготовления — по стандарту и унифицированному назначению.

Если вы хотите правильно назвать метиз — ориентируйтесь на ГОСТ или DIN, по которому он изготовлен. Если же изделие нестандартное, то его наименование — полностью творчество конструктора.

По конструктивному исполнению различают болты:

• жесткие;
• упругие;
• с центрирующими поясками.

Стержень жесткого болта имеет сплошной ровный профиль. Диаметр гладкой промежуточной части совпадает с наружным диаметром витков резьбы. Это наиболее распространенный тип.

Упругие изделия выполняют с некоторым занижением. От головки болта отступают короткую шейку, после которой идет проточка на диаметр меньший, чем диаметр впадин витков (70..80% от номинального размера резьбы). Проточка заканчивается чуть раньше, чем начинается сбег резьбового конца. Упругие болты используют гораздо реже, чем жесткие. Их назначают для специфических стяжных соединений и узлов, работающих под ударной нагрузкой.

В советское время бытовало убеждение, что для высокой прочности болтового соединения крепеж в отверстии должен стоять очень плотно, с минимально допустимым зазором. Впоследствии этот миф был развенчан. Лишь в ряде случаев, чтобы обеспечить строгое осевое положение, применяют изделия с центрирующими гладкими поясками.

Прочно закрепился стереотип, что болт должен быть шестигранным, под стандартный рожковый ключ. Но этот параметр нельзя использовать в качестве ключевого отличия от винта, поскольку на самом деле вариантов головок гораздо больше:

• круглая с двумя лысками;
• круглая с внутренним шестигранником;
• круглая с треугольными наружными шлицами;
• квадратная;
• коническая под 30° и 45° (в двигателестроении).

Для удобства фиксации болта от проворота при затяжке на головке могут быть выполнены дополнительная асимметричная лыска или выступающий шип.

Большинство ГОСТовских изделий имеют отдельное конструктивное исполнение с контровочными отверстиями в гранях головки. Такой тип крепежа используют, если при сборке вся группа болтов дополнительно увязывается проволокой.

Переход от головки к стержню выполняют с галтелью. Радиус скругления выбирают конструктивно. Ориентировочно — не менее 0,2 от номинального диаметра резьбы, но не больше 1,5 мм, чтобы при установке не перекрывать фаску на отверстии. Галтель под головкой позволяет избежать скапливания опасных напряжений под нагрузкой, особенно — если на крепеж будет воздействовать минимальный изгиб, которого следует избегать любыми путями.

Стандартные болты выпускают с метрической резьбой преимущественно крупного (основного) шага. Шероховатость витков лежит в пределах Ra 3,2..6,3 мкм. На конце стержня может быть заложено сквозное отверстие под шплинт.

Болты высокопрочные

Высокопрочные болты для строительных и промышленных металлоконструкций выпускают согласно ГОСТ Р 52644-2006. В номенклатуру входят изделия от М16 до М48.

Помимо высоких требований к механическим характеристикам, такие метизы изготавливают с увеличенной шестигранной головкой. Укрупнение распространяется как на размеры под ключ (диаметр вписанной окружности), так и на высоту.

Стандарт допускает различные варианты конструктивного исполнения головки:

• со снятием фаски по наружному торцу (для облегчения установки ключа);
• с уменьшенным подголовником;
• с симметричным снятием фасок по обоим торцам;
• с увеличенным подголовником.

При изготовлении высокопрочных болтов руководствуются требованиями ГОСТ Р 56642-2006 и ГОСТ Р 52627-2006. Для изделий предусмотрено четыре класса прочности — 8.8, 9.8, 10.9 и 12.9. Разбег по величине временного сопротивления разрыву составит от 800..950 МПа до 1220..1519 МПа. Поверхностная твердость приходится на пределы от 242..363 НВ до 360..415 НВ.

Для производства отбирают легированные среднеуглеродистые марки сталей, хорошо реагирующие на закалку: 40Х, 30Х3МФ, 30Х2НМФА. Для наиболее прочных болтов по классу 12.9 закладывают специальный сплав 20Х2НМТРБ, с добавлением таких редких металлов как бор и ниобий.

Кроме стандартной проверки механических характеристик (растяжение, разрыв, ударный изгиб) высокопрочные болты испытывают на стойкость к замедленному хрупкому разрушению. Для продукции хладостойкого исполнения (ХЛ) всю процедуру выполняют в условиях −60°С.

Болты оцинкованные

В нормативном обозначении крепежа можно встретить букву «Ц». Она прямо указывает на наличие цинкового покрытия. Различают также хроматированные («Ц.хр») и фосфатированные («Ц.фос») варианты. Технические условия к ним изложены в ГОСТ 9.301-86.

Нанесение цинка — наиболее универсальная мера защиты метизов от воздействия окружающей среды. После оцинкования стойкость болтов при работе в агрессивных условиях повышается в 16 раз.

Цинковое покрытие осаждают на всю поверхность заготовки сплошным однородным слоем, полностью копируя профиль изделия (включая витки резьбы). При этом используют гальванический или термодиффузионный метод. После обработки деталь приобретает светлый серебристый оттенок, матовый или с глянцевым блеском. Специальными режимами получают различные варианты окрашивания:

• «Ц.хр.хаки» — хроматирование хаки (пятнистое, зонарное);
• «Ц.хр.ч» — хроматированное с затемнением (в черный цвет);
• «Ц.хр/лкп» — хроматированное с лакокрасочным покрытием;
• «Ц.фос.гфж» — фосфатированное с гидрофобными свойствами;
• «Ц.фос/лкп» — фосфатированное с лакокрасочным покрытием.

Толщину покрытия назначают, исходя из условий, для которых предназначен крепеж. При этом руководствуются требованиями ГОСТ 9.303-84:

• декоративные цели — от 6 до 9 мкм;
• защитно-декоративные цели — от 6 до 18 мкм;
• защитное — от 12 до 30 мкм;
• защитное для особо тяжелых условий — от 20 до 50 мкм (в зависимости от диаметра резьбы).

Болты с уменьшенной головкой

Стандартная высота головок у болтов составляет 0,6..0,8 от номинального диаметра резьбы. Расчеты и лабораторные испытания показывают, что без потери в прочности этот размер можно понижать до 0,6..0,7. Обычные метизы выпускают именно с такими параметрами.

Некоторые узлы и сборочные единицы выдвигают повышенные требования к габаритам крепежа и готовы уступить в нагрузочной способности. Для таких случаев используют продукцию с уменьшенной высотой головки — 0,5..0,6 от размера резьбы. Изделия подобного типа оптимальны в соединениях, работающих на срез, а не растяжение.

Болты с уменьшенной шестигранной головкой выпускают по таким стандартам:

• ГОСТ 15591-70;
• ГОСТ 18125-72;
• ГОСТ 7796-70;
• ГОСТ 7817-80 (для точных развернутых отверстий).

В том числе с направляющим подголовником:

• ГОСТ 15590-70;
• ГОСТ 7795-70;
• ГОСТ 7811-70.

Отдельно идет ГОСТ Р ИСО 15072-2013, утвержденный на базе международного норматива. Он предусматривает в конструкции крепежа уменьшенную головку, опорный фланец и резьбу с мелким шагом.

Болты шестигранные

Наиболее простым и универсальным решением для большинства задач становится стандартный болт с шестигранной головкой. Его облик можно назвать стереотипным или классическим для крепежа этого типа.

Продукцию получают методами холодной и горячей штамповки на специальных высадочных автоматах. В единичном производстве допустимо точить изделия из шестигранного прутка с последующей нарезкой резьбы токарным профильным резцом.

Общего назначения, грубой точности:

• ГОСТ 15589-70;
• ГОСТ Р 50794-95;
• ГОСТ Р ИСО 4016-2013.

Общемашиностроительного назначения, обычной и улучшенной точности:

• ГОСТ 7798-70;
• ГОСТ 7805-70;
• ГОСТ 10602-94 (от М48 и больше);
• ГОСТ Р 50796-95;
• ГОСТ Р ИСО 4014-2013.

Также с мелким шагом резьбы:

• ГОСТ 50790-95;
• ГОСТ Р ИСО 8765-2013.

Болты с резьбой по всей длине стержня:

• ГОСТ Р 50792-95;
• ГОСТ Р 50793-95;
• ГОСТ Р 50795-95 (мелкий шаг).

Болты с упорным фланцем:

• ГОСТ Р 55739-2013 — класса точности А, повышенной прочности.

Размер под ключ у шестигранника — это строго унифицированная величина. Такая мера необходима, чтобы обеспечить гарантированную установку стандартного ключа на болт без подкладок.

Охватываемый размер выполняют с полем допуска h12..13, для метизов класса точности А — h9..h10. В таких условиях фактический охват шестигранника будет всегда несколько меньше номинального. При исполнении паза рожкового ключа «в плюс» (H12..H14) образуется плотное соединение с зазором, в котором инструмент не смещается и не соскальзывает с головки болта.

На шестигранные изделия распространяются технические условия стандартов ГОСТ 1759.0-82 и ГОСТ 1759.4-87. Допустимо изготовление из углеродистых и легированных марок сталей, включая коррозионностойкие сплавы. Заказать болты также можно из алюминия, латуни и бронзы.

Винты

Исходя из упомянутой в самом начале статьи студенческой пословицы, винт следует вкручивать в резьбовое гнездо. Причем глубина размещения (высота сопряжения) напрямую зависит от распределения нагрузки между витками:

• 1 виток — 30..35% нагрузки;
• 2 виток — 20..24%;
• 3 виток — 15..17%;
• 10 виток — 0,08..0,10%.

Такая картина напрямую увязана со свойствами резьбы неравномерно деформироваться при силовой затяжке. Бытует мнение, что больше 10 витков на соединение уже просто бессмысленно назначать. Справедливость этого утверждения доказывает приведенная выше примерная зависимость.

Длина нарезанной части стандартных винтов составляет 19..21 витков. В случаях с мелкими метизами это соотношение могут искусственно увеличивать, чтобы избежать избыточного нагружения (до 27..36 витков). При сборке обычно закладывают контакт меньший, чем общая длина резьбы (12..15 витков). Часть нарезанного стержня остается в сквозном отверстии первой детали.

Иногда конструктор принимает решение воспользоваться винтом по схеме болта — пропустив стержень через два сквозных отверстия и зафиксировав гайкой. Этот пример нельзя назвать удачным. Высота стандартной гайки по ГОСТ 5915-70 ограничена 5..8 витками. При монтаже крепежа в резьбовое отверстие внутри детали инженер имеет больше возможностей для получения прочного и стабильного контакта и разгрузки резьбы.

Таким образом мы доказали, что болт допустимо ввинчивать, а винт может успешно болтаться. Классифицировать крепеж только по методу установки нельзя — основные правила конструирования часто нарушаются.

В отличие от болтов, которые используют для сборки тяжелых корпусных изделий и фланцев, винты чаще применяют для легких узлов и простых сопряжений. Основные достоинства таких метизов проявляются в местах, где крепеж нужно частично утопить или полностью скрыть в теле детали.

По характеру положения в составе сборочных единиц различают изделия:

• открытой установки;
• впотай (ниже плоскости детали);
• полупотай (наполовину выступая).

Исходя из предыдущей классификации, можно разделить весь ассортимент по форме головки:

• цилиндрическая;
• полусферическая (с плоским торцом);
• цилиндросферическая;
• коническая;
• цилиндроконическая;
• сфероконическая.

В зависимости от способа завертывания винты бывают:

• с прямым шлицем (под минусовую отвертку);
• с крестообразным углублением;
• со звездообразным углублением;
• с шестигранным отверстием;
• с наружным шестигранником;
• с наружным квадратом;
• с наружными треугольными шлицами;
• с ушками под ручную затяжку («барашек»);
• с рифлением.

Стандартные винты преимущественно изготавливают со степенью точности резьбы А. Это связано с тем, что монтаж метизов происходит непосредственно в резьбовое гнездо, зачастую — автоматизированными способами (при помощи шуруповертов, на роторных линиях или сборочных автоматах). При этом отсутствует эффективная система центрирования изделия в отверстии перед началом закручивания. Метрическая резьба с высокой степенью точности — это минимальная гарантия, что соединение соберется мягко и плавно даже на машинной сборке.

Общий недостаток всех винтовых изделий — ограничение по силовой затяжке. Внутренние поверхности под ключ часто деформируются еще при первой установке. Исключение составляют метизы с наружными базовыми элементами (шестигранник, квадрат).

Наиболее яркие примеры применения винтовых соединений — это сборка промышленной электроники, электро- и радиотехники, внутренних узлов в машиностроении, пневмо- и гидроаппаратуры, монтаж приборных панелей и табличек-шильд, а также затяжка хомутов.

Винты высокопрочные

Чтобы избежать разбивки отверстия под ключ и быстрого выхода из строя, всю продукцию выпускают классом прочности от 8.8 и выше по ГОСТ 1759.4-87. Технология изготовления предусматривает закалку или улучшение до достижения поверхностной твердости 35..40 HRC. Незакаленные изделия называют шурупами.

Высокопрочные винты ставят в ответственных и нагруженных узлах, где применение болтовых соединений ограничено жесткими требованиями к габаритам конструкции. Для таких изделий характерны:

• класс прочности — 12.9;
• предел прочности на растяжение — от 1220 МПа и выше;
• твердость по Роквеллу — 39..45 HRC;
• относительно удлинение при разрыве — 8%.

В производстве используют серьезные конструкционные стали: 16ХСН, 20Г2Р, 35 и 35Х, 45, 40Х, 40Г2, 38ХА, 30ХГСА и 35ХГСА.

Если продукция предназначена для эксплуатации в агрессивных условиях или под постоянным нагревом, закладывают коррозионностойкие и теплоустойчивые сплавы: 07Х16Н6, 25Х1МФ, 25Х2М1Ф, 13Х11Н2В2МФ и 20Х1М1Ф1ТР. Метизы их этих материалов будут соответствовать классам прочности 24, 25 и 26 по ГОСТ 1759.0-87.

Винты с внутренним шестигранником

Наибольшее распространение при сборке узлов в машиностроении получили винты с внутренним шестигранником.

Унифицированную продукцию изготавливают согласно:

• ГОСТ 11738-84;
• ГОСТ Р ИСО 4762-2012;
• ГОСТ 28962-91 — с утолщенным переходным стержнем;
• ГОСТ Р ИСО 12474-2012 — с мелким шагом резьбы.

Такой крепеж легко закручивают вручную Г-образным ключом и на автоматизированных устройствах. Шестигранное отверстие от фигурных шлицев отличается тем, что его очень трудно разбить или деформировать при затяжке.

Винты с цилиндрической головкой

Изделия с цилиндрической головкой используют в сборках, где допустимо наличие выступающего крепежа на поверхности стянутой детали. Такую продукцию используют также для установки в полупотай, частично заглубляя винты в тело детали.

Различают:

• ГОСТ ИСО 14579-2012 — со звездообразным углублением под ключ;
• ГОСТ Р 55742-2013 — с увеличенным звездообразным углублением;
• ГОСТ Р ИСО 14580-2012 — с низкой головкой и звездообразным углублением;
• ГОСТ Р ИСО 7048-2013 — с низкой головкой и крестообразным углублением.

Цилиндрическую форму головки получают на холодно- и горячевысадочных автоматах, путем штамповки из круглого прутка. В процессе также прошивают отверстие под ключ в 2 или 3 шага. Часто накатывают рифление, чтобы проще было работать с метизами вручную.

Винты с шестигранной головкой

Главной особенностью винтов с шестигранной головкой, благодаря которой они могут хоть как-то отличаться от болтов, стала нарезка резьбы на всю длину стержня и фигурная коническая галтель в точке перехода. Хотя и здесь нет никаких гарантий — существует ряд болтов с резьбой вплоть до головки, поэтому ориентироваться нужно исключительно на нормативную документацию.

Такой крепеж выпускают по стандартам:

• ГОСТ Р ИСО 4017-2013 — классы точности А и В;
• ГОСТ Р ИСО 4018-2013 — класс точности С;
• ГОСТ Р ИСО 8676-2013 — классы точности А и В, мелкий шаг.

За исключением отсутствия гладкой промежуточной части под головкой шестигранные винты полностью идентичны классическим болтам. Их ставят на условно узкие соединения, где необходимо реализовать силовую затяжку через внешний шестигранный привод.

Подводя итоги

Последовательно ознакомившись с областью применения, конструктивными формами и наиболее прецедентными типами метизов, мы можем ответить на вопрос, чем стоит руководствоваться, называя ту или иную крепежную деталь болтом или винтом:

1. Точное название изделия приведено в технической документации на изготовление — ГОСТ, ТУ, ДСТУ, ISO, DIN и другие стандарты;
2. Для нестандартного изделия название придумывает инженер-конструктор, разрабатывая чертеж и занося точную формулировку в центральное поле основной надписи.

Если вы не имеете под рукой никаких документов и упоминаний, прямо указывающих на происхождение метизов, можно ориентироваться на ключевые признаки в геометрии крепежа:

• шестигранная головка — характерна для болтов, у винтов встречается только для определенного типа в сочетании с резьбой по всему стержню;
• круглая головка со снятыми лысками и квадратная головка — характерны для нестандартных самодельных болтов;
• Т-образная форма профиля — характерна для болтов станочной и производственной оснастки;
• углубление под ключ прямой («минусовой»), крестообразной («плюсовой»), звездообразной и шестигранной формы — характерны для винтов.

При идентификации крепежа часто вспоминают о классических схемах их применения — болты ставят в сквозные отверстия и затягивают гайкой, винты вкручивают в резьбовое гнездо. На практике эти правила могут нарушать, но в 9 из 10 случаев соблюдают — такой принцип сборки привычен и удобен, его можно назвать традиционным для всех сфер промышленности.

Кроме того, следует помнить, что в металлоконструкциях и при стяжке фланцевых соединений (трубы, арматура, сосуды под давлением) используют болты. Винты закладывают для комплектации внутренних и малогабаритных узлов механического оборудования, электротехники и электроники, точных приборов и аппаратов.

Если перед вами стоит задача дать точное определение болту или винту — необходимо комплексно смотреть на все факторы: его конструкцию, место расположения, способ установки. Лишь оценив всё в сумме, можно дать наиболее корректное заключение.