Откидные болты – особенности производства и применения

Если работа с механизмом предусматривает постоянную сборку и разборку, применение стандартного крепежа становится очень неудобным. Полное снятие гаек, выемка болтов, винтов или шпилек занимает очень много времени.

В этом случае в конструкции используют специальные метизы, для которых достаточно немного послабить гайку и откинуть крепеж через паз в крышке.

ГОСТы

Сортамент стандартных откидных болтов для общих технических задач описан ГОСТ 3033-79. Этот документ определяет конструкцию трех исполнений:

• с круглой головкой;
• с круглой головкой и отверстием под штифт;
• с вильчатой головкой.

Во всех случаях присутствует некоторая переходная поверхность между головкой и резьбовым стержнем. Для первых двух типов — это радиус скругления в точке сопряжения, для вилки — конус под 120°.

Номенклатура выпуска включает изделия с диаметром резьбы от М5 до М36 с крупным (основным) шагом. Максимальная длина от отверстия в головке до торца резьбового стержня — 320 мм.

Стандарт предусматривает два класса точности по аналогии с крепежными болтами — B и C. Для них характерны:

• кл. В — поле допуска резьбы 6g, поле допуска отверстия в головке H12;
• кл. С — поле допуска резьбы 8g, поле допуска отверстия H14.

На размеры, полученные штамповкой, распространяются требования класса Т2 по ГОСТ 7505-89. Общие технические условия по прочности, материалам, комплексу испытаний, возможным дефектам и методам контроля изложены в ГОСТ 1759.0, ГОСТ 1759.1, ГОСТ 1759.2 и ГОСТ 1759.4.

Для станочных приспособлений выпускают откидные болты по отдельному стандарту — ГОСТ 14724-69. Он допускает конструкцию только с круглой головкой, без отверстия под штифт.

Согласно нормативу детали изготавливают из стали марки 45 с объемной закалкой до твердости 34,5..39,5 HRC_Э. Чтобы обеспечить гарантированные зазоры при сборке и свободу перемещения, закладывают отверстия с полем допуска D11, а габаритную ширину по лыскам делают с точностью d11. Для защиты крепежа от коррозии используется стандартное гальванические покрытие из цинка.

Откидные болты в Евросоюзе называют «Eyebolt» и производят по DIN 444-83. Продукция по этому стандарту идет исключительно с круглой головкой, от М5 до М39, групп прочности 4.6 и 5.6.

Особенности производства метиза

Выпуск продукции массового производства подразумевает методы горячей и холодной высадки (штамповки) на специальных станках-автоматах. Эти технологии позволяют повысить материалоемкость обработки за счет полного ухода от снятия стружки при получении основного контура.

Исходной заготовкой служит отрезок круглого проката. Разделку выполняют на приводных ножницах, ленточных и дисковых пилах.

Такое оборудование работает в автоматизированном цикле: пруток загружают в приспособление, фиксируют, задают программу порезки по габаритной длине. Машина реализует рез, сдвигает прокат и повторяет операцию заданное число раз. Отрезанные куски при сдвиге выталкивают в тару. Можно работать с пакетом заготовок (массовая порезка за один ход инструмента). Со стороны оператора необходим лишь визуальный контроль работы станка.

На холодно- и горячевысадочных автоматах кусок проката формуют в заданный профиль. Силовым воздействием металл заталкивают в матрицу. Усилие деформации при этом превосходит предел текучести материала. Заготовка из простого цилиндра принимает сложную ступенчатую форму: головка, переходная часть, стержень. Для вилочной конструкции там же происходит частичная разбивка паза (с припуском под обработку).

Латуни, бронзы и простые низкоуглеродистые стали штампуют в холодном состоянии. Для марок с содержанием углерода свыше 0,3% и легирующими веществами такой способ уже не подходит: напряжения при холодной деформации настолько высоки, что трещины разрывают заготовку. Это же касается изделий увеличенных габаритов. Обычно холодную высадку назначают для мелкого крепежа до М16.

Для горячей штамповки материал предварительно подогревают:

• стали — 850..1280°С;
• алюминий и сплавы — 450..520°С;
• латунь и бронза — 350..450°С.

В некоторых случаях после горячей и холодной высадки производят нормализационный отпуск — термообработку, призванную снять остаточные напряжения и стабилизировать структуру металла.

Согласно ГОСТ 3033-79 резьбовая поверхность, контактные лыски, внутренние поверхности паза для вилки, а также отверстия в головке и под штифт следует обрабатывать со снятием слоя материала.

Механические операции реализуют на:

• токарных станках и полуавтоматах — резьбу на стержне нарезают плашкой или резьбонарезной гребенкой;
• резьбонакатных станках — резьбу накатывают системой из двух связанных роликов;
• фрезерных станках — фрезеруют лыски на головке и паз вилки, могут использовать торцовые, концевые, цилиндрические фрезы или комплект из трех дисковых (одним проходом — всю вилку);
• сверлильных станках — сверлят отверстие в головке и отверстие под штифт для исполнения 2.

Сверление поверхности под установку оси обычно выполняют после фрезерования лысок. Это позволяет исключить увод сверла по цилиндру и работать без предварительной зацентровки.

Накатка резьбы — тоже силовая операция из категории пластической деформации. Два инструментальных ролика с согласованным вращением, установленные с двух сторон от стержня, выдавливают на нем профиль резьбы. Витки, полученные таким способом, отличаются увеличенной прочностью по сравнению с нарезанными.

В зависимости от требуемого уровня выносливости и свойств материала назначают упрочняющую термообработку:

• для сталей — закалку с высоким или низким отпуском;
• для алюминия и сплавов — закалку с искусственным или естественным старением.

Термические операции также позволяют достигнуть максимальной коррозионной стойкости у отдельных марок нержавеющих сталей.

Под нанесение защитных покрытий поверхности готовят при помощи доводочных и отделочных операций — пескоструйной обработкой, виброгалтовкой, электрополированием. Затем изделия обезжиривают, сушат и передают в цех гальваники.

Финальный контроль качества метизов включает проверку:

• геометрических параметров изделия;
• ключевых размеров;
• шероховатости поверхностей;
• правильности профиля резьбы;
• твердости;
• предела прочности при растяжении.

Для измерений используют стандартный меритель (преимущественно штангенциркули), наборы проходных и непроходных калибров для отверстий, резьбовые калибр-гайки для стержня. Шероховатость контролируют по показаниям профилографа или путем сравнения с образцами.

Особенности выбора материала

Для изготовления откидных болтов применяют три группы материалов: стали, медные и алюминиевые сплавы. При выборе конкретного металла учитывают:

• назначение крепежа;
• условия работы;
• воздействие окружающей среды.

В общем случае, если отсутствуют дополнительные требования к продукции, применяют качественные марки сталей: 10, 10кп, 20, 20кп. Они слабо реагируют на закалку, зато успешно штампуются в холодном состоянии. Отдельно стоят марки 30 и 35 — для них рекомендуют уже горячую высадку.

Крепеж повышенной прочности, предназначенный для силовой затяжки соединений, изготавливают из среднеуглеродистых и легированных сталей: 45, 45Г, 40Г2, 40Х, 38ХА, 35Х, 35ХГСА, 20Г2Р. Сюда же входит низколегированная марка 16ХСН для холодной высадки.

Стали с увеличенным содержанием хрома и никеля обладают уникальными свойствами сопротивления коррозии. Иначе их называют нержавеющими. Широкая номенклатура марок позволяет выбрать сплав, устойчивый к воздействию определенных кислот, щелочей, растворителей. Помимо коррозионной стойкости, эти стали могут выдерживать значительный нагрев без существенной потери в прочности и образования окалины — вплоть до 700°С. К ним относят: 10Х11Н23Т3МР, 10Х17Н13М2Т, 12Х13, 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 13Х11Н2В2МФ, 14Х17Н2, 06ХН28МДТ, 07Х16Н6, 08Х21Н6М2Т.

В сфере энергетического оборудования часто возникает нужда в крепеже, который бы выдерживал значительные нагрузки при температурном режиме 250..350°С. Для этих целей предназначены специальные теплостойкие стали 25Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20Х1М1Ф1ТР и уже упомянутые нержавеющие сплавы.

Основная область применения алюминия и его сплавов при производстве метизов — это оборудование и оснастка, где следует обеспечить высокий уровень теплопроводности и исключить окисление и коррозию металла.

Свойства теплопроводности чистого технического алюминия в 5 раз выше, чем у стали. Для алюминиевых легированных сплавов это 2..2,5 раза. Материал почти не реагирует на контакт с водой и воздухом, а анодирование поверхностей дополнительно усиливает защитные свойства.

Безоловянную бронзу БрАМц 9-2 и латуни Л63 и ЛС59-1 назначают на производство болтов, чтобы полностью исключить коррозию при попадании воды. Такое решение актуально для систем водяного и воздушного охлаждения, работы с частичным или полным погружением в жидкость, под воздействием пара и тумана.

Предел прочности латуни Л63 твердой категории лежит в пределах 680..750 МПа, у ЛС59-1 — 600..700 МПа. По уровню свойств это аналогично улучшенной стали 45 — закалка с отпуском на 500°С дает 680..770 МПа. Соответственно, болты из латуни вполне справятся со средними нагрузками, но при повышении температуры будут быстро терять в прочности.

Бронза БрАМц 9-2 демонстрирует временное сопротивление разрыву не более 500 МПа. Это сравнимо с группами прочности стальных метизов 4.6 и 4.8.

Особенности защиты от коррозии

Чтобы защитить поверхность крепежа от коррозии, назначают покрытие тонкими слоями металлов или химико-термическую обработку. Наиболее распространенные технологии:

1. Химическое оксидирование. Под действием раствора, нагретого до 125..155°С, на стали образуются тонкие окисные пленки, толщиной 1 мкм. Изделие приобретает иной цвет — от черного с синевой (на углеродистых сталях) до темно-коричневого с вишневым оттенком (на высоколегированных). Оксидирование также применяют для медных и алюминиевых сплавов. Чтобы дополнительно повысить коррозионную стойкость, после обработки детали держать в масле 4..6 минут при температуре 100..110°С.
2. Химическое фосфатирование. Стальной и алюминиевый крепеж погружают в специальные растворы, чтобы получить фосфатные пленки. Такая защита растягивает срок развития коррозии при прямом контакте с водой до 90 часов, дополняя эту стойкость минимальными антифрикционными свойствами. После фосфатирования детали также рекомендуют промасливать.
3. Никелирование. На болты наносят никель трех видов — блестящий, износостойкий или черный. Первый и последний варианты имеют скорее декоративный характер, и их накладывают поверх рабочего подслоя. Так защищают изделия из сталей и медных сплавов. Никелированный крепеж способен работать под воздействием щелочей, поэтому его используют для комплектации сборок в химической промышленности.
4. Оловянирование. Покрытие оловом применяют, чтобы повысить стойкость стальных изделий к воздействию сероводорода и органических кислот. Главное достоинство такого защитного слоя — полная безвредность для человека. Поэтому оловянирование в том числе назначают для изделий, контактирующих с продуктами питания.

5. Кадмирование. Кадмиевое покрытие придает деталям серебристо-белый цвет с синеватым отливом. Отличительной чертой материала выступает устойчивость против морских испарений, тумана и соленой воды. Кадмируют стальные и алюминиевые болты, наращивая 6..24 мкм поверх подслоя меди.
6. Анодирование алюминия. Гальваника позволяет получить защитные пленки из продуктов реакции металла на прохождение тока через электролит. Образуется наружный слой 3..5 мкм с выраженными свойствами диэлектрика. Таким способом алюминий и его сплавы защищают от окисления при контакте с агрессивной средой и повышают износостойкость поверхности — твердость анодированного покрытия достигает 770 МПа, что сравнимо с улучшенной сталью.
7. Цинкование. Цинк защищает сталь от воздействия коррозии, выступая анодом в паре. Наращивают слой толщиной 3..12 мкм. Пока на поверхности болта присутствует хоть капля цинка — коррозия будет уничтожать его, материал основы останется невредимым. В условиях умеренного контакта с окисляющей средой цинковые покрытия выдерживают до 3 лет эксплуатации. Лучшие результаты дает последующее пассивирование и хроматирование.

Применение

В классическом машиностроении откидные болты используют там, где необходимо обеспечить высокую скорость разборки и замены каких-то запчастей.

Выкрутка обычного крепежа с шестигранной головкой или внутренним шлицем под ключ занимает достаточно много времени, даже с учетом применения механизированных приспособлений. Чуть меньше — скручивание гайки с гаечного конца шпильки и съем крышки через сквозные отверстия. Работая с откидным болтом, достаточно просто послабить гайку и убрать крепеж через открытый паз.

Такая схема сборки актуальна для:

• зажимных станочных приспособлений;
• приспособлений-спутников для автоматических линий;
• пресс-форм под литье пластмасс и резины;
• пресс-форм под производство пенопластовых моделей для газифицируемого литья;
• фланцевых креплений сосудов и агрегатов, которые нуждаются в регулярной чистке и обслуживании.

Быстросъемные системы с использованием откидных болтов в конструировании называют «автоклавными» вследствие того, что их часто применяют для крепления крышек автоклавов.

Особенность конструкции и принципа работы откидного болта в том, что за осевую фиксацию отвечает не плоский упор в торец головки, а гладкое цилиндрическое соединение. Нагрузка распространяется по площадке контакта между отверстием и валиком.

Ось, на которой будет проворачиваться болт, установлена с зазором. Это значит, что при смене положения происходит не только угловой поворот, но и минимальное линейное перемещение в пределах зазора. В длительной перспективе ось постепенно разбивает отверстие и деформирует его при силовой затяжке (вытягивая в овал).

В узлах откидных болтов закладывают посадку валика H12/h11 или H14/h12. Такое соединение в зависимости от диаметра дает зазор до 0,32 мм в первом случае и до 0,87 мм во втором. Такой величины достаточно, чтобы предусмотреть любые температурные искажения и обеспечить гарантированный проворот без заклинивания.

Для автоматического возврата болта в «холостое» положение иногда применяют схему с креплением пружины растяжения. Тогда при сборке крепеж заводят в паз с минимальным усилием, растягивая пружину. Положение фиксируют затяжкой гайки. Когда гайку послабляют — болт под действием пружины сам уходит в сторону.

Валик, на котором будет вращаться деталь, покрывают консистентной смазкой перед сборкой соединения. В условиях повышенного прямого нагрева (например, в металлургическом и литейном производстве), где обычный состав быстро выходит из строя, используют специальные смазки на основе графита.

Гайку на резьбовом стержне стопорят тремя путями:

• для конструкции с дополнительным отверстием — загоняют латунный или стальной штифт, кусок проволоки, шплинт;
• кернением с торца или сплющиванием крайних витков резьбы;
• точечной сваркой по окружности соединения.

Правила долговечной эксплуатации

Срок службы откидных болтов напрямую зависит от условий, в которых придется работать, и соответствия физико-механических свойств изделия этим условиям.

Проектируя конкретную конструкцию, учитывают:

• величины возможных нагрузок с запасом прочности, характер их действия и продолжительность;
• частоту сборки и разборки;
• температурный режим и возможность прямого нагрева или теплового излучения;
• воздействие абразива;
• развитие коррозии и эрозии.

Эти данные формируют первичное техническое задание. На их основе выбирают минимально допустимый диаметр резьбы и группу прочности по ГОСТ 1759.4-87.

При расчете требуемой несущей способности крепежа учитывают растягивающую и поперечную нагрузку (срез). Рекомендуемый запас прочности — от 2,5. На основании этих данных назначают нужную группу крепежа, а по ней определяют материал заготовки.

• В простых условиях работы, где затяжка соединения носит скорее конструктивный, чем силовой характер, используют группы прочности от 3.6 до 8.8 включительно. Это сырые низкоуглеродистые стали после горячей или холодной штамповки, без упрочняющей обработки.
• Для средненагруженных сборок закладывают болты групп 9.8, 10.9 и 12.9. Сюда входят среднеуглеродистые и легированные марки сталей, с обязательной термической обработкой — закалкой и отпуском.
• Ответственные изделия, работающие под воздействием ударных нагрузок, вибраций, агрессивной среды, прямого и косвенного нагрева, изготавливают по группам 21..26. В качестве исходного материала служат теплостойкие, жаропрочные и коррозионностойкие стали.
• В специальных случаях назначают болты групп 31..35 — из цветных металлов и сплавов. Здесь прочность уже не играет существенной роли, в первую очередь оцениваются собственные уникальные свойства конкретного металла: электропроводимость, теплопроводность, стойкость к окислению, антифрикционные характеристики и т.д.

Если группа прочности подобрана неправильно, откидной болт очень быстро выходит из строя. В процессе работы его вытягивает вдоль оси, происходит смятие витков резьбы, возможны даже выкрашивание и разрушение металла, а также деформация под воздействием температур.

Для дополнительной защиты крепежа следует уделить внимание подбору специального покрытия. Конкретный тип, толщину и технологию нанесения уточняют с производителем, когда принимают решение заказать откидные болты. Такие меры помогут избежать разрушительного воздействия коррозии и окисления на воздухе с последующим прикипанием резьбы. Ржавчина, «намертво» прихватившая гайку к болту, сводит на нет всю тщательно продуманную схему быстрой разборки.

Эксплуатация любых механизмов предусматривает периодический осмотр и техобслуживание. Следует:

• проверять общее состояние болтов визуально;
• просматривать ось на наличие задиров, царапин и вмятин;
• выполнять замеры посадочных поверхностей (отверстия и резьбы);
• для тяжелых условий работы — контролировать твердомером твердость металла, не произошел ли повторный отпуск;
• по необходимости — править резьбу калибром или плашкой;
• удалять с поверхностей налипший шлак, сварочные брызги, абразивные частицы, пыль;
• обновлять смазку на оси и резьбе.

Правильный подбор и регулярное обслуживание быстросменных соединений с участием откидных болтов позволяет исключить любые варианты деформации, выхода из строя и заклинивания.