Прочностные характеристики метрических крепежей по ГОСТу

В строительстве под пристальным вниманием у каждого инженера — несущая способность и надежность объекта. В машиностроении — прочность и износостойкость деталей. И вот именно прочность имеет определяющее значение для крепежных изделий, она же выступает и критерием несущей способность каждого болта или резьбовой шпильки.

Под термином «прочность» следует понимать способность тела эффективно сопротивляться приложенным нагрузкам, не изменяя своих размеров или формы, не нарушая целостность материала. В отношении изделий из металлов и сплавов это зачастую временное сопротивление растяжению, поскольку именно растягивающая нагрузка характерна для большинства эксплуатационных схем.

От прочности метрического крепежа напрямую зависит, будет ли узел «намертво» стоять на положенном ему месте или «съедет», изогнув или вовсе срезав метизы. Так ошибка в расчетах или пренебрежение выбором класса прочности для мелкого болта может иметь попросту фатальные последствия для всей машины.

Метрический крепеж и его разновидности

Метрическую резьбу следует признать абсолютным лидером в машиностроительной сфере. Иные виды соединений — с дюймовой, трапецеидальной, упорной или круглой резьбой — встречаются гораздо меньше. Метрическую систему иногда называют универсальной, поскольку она позволяет решить большинство задач сопряжения деталей и узлов.

Условное обозначение для такой резьбы всегда имеет один и тот же вид: заглавная буква «М» и номинальный диаметр. Если в отношении профиля использован крупный шаг витков, то это никак не отражают в маркировке. Для варианта с мелким шагом запись дополняют значком умножения и самой величиной шага. Левую резьбу завершают пометкой «LH» после тире.

Среди базовых разновидностей метрического крепежа следует выделить:

• болты (в том числе рым-болты, откидные и призонные);
• винты (в том числе нажимные и установочные);
• шпильки;
• гайки;
• гужоны;
• шурупы.

Изделия с резьбовым стержнем зачастую оснащают головкой заметного большего диаметра. Этот конструктивный элемент обеспечивает упор крепежа с одной из сторон в процессе затяжки и позволяет разместить поверхность под ключ. Головки бывают:

• шестигранные;
• квадратные;
• круглые с внутренним зевом;
• круглые с лысками;
• круглые с рифленой накаткой;
• круглые со шлицами;
• с двумя плоскими лепестками («бабочка» или «барашек»);
• потайные (конической формы);
• полупотайные (конической формы с полусферой).

Зев внутри головки болта или винта может иметь разную форму. Ее выбор связан как с особенностями выбора слесарного инструмента для затяжки (шуруповерт, ручная отвертка, Г-образный ключ и др.), так и с величиной крутящего момента предварительной затяжки.

Различают зевы разного типа:

• прямой шлиц;
• крестообразный;
• звездообразный;
• шестигранник;
• квадрат.

Кроме того, сборка любого резьбового соединения подразумевает, что одна деталь остается строго неподвижной, а вторая вращается с относительным осевым перемещением по виткам резьбы. Чтобы зафиксировать крепеж, к его конструкции добавляют дополнительные элементы:

• плоскую лыску;
• прямоугольный паз;
• выступающий шип;
• удлиненную пятку;
• квадратную шейку (с посадкой в такое же квадратное отверстие).

Большое конструктивное разнообразие присутствует и в отношении гаек. Пусть обыватель и привык под этим термином понимать шестигранный отрезок со сквозным резьбовым отверстием, но такая группа крепежа подразумевает самые разные варианты. В этот список войдут:

• шестигранные гайки;
• прорезные;
• корончатые;
• круглые (с пазами, с торцовыми или радиальными отверстиями);
• гайки-барашки;
• рым-гайки;
• колпачковые;
• кольцевые (тонкостенные);
• трефные;
• с каннелюрами;
• штурвальные.

В некоторых машинах даже можно встретить гайки с наружной резьбой, что полностью ломает общее представление об этом типе метизов.

Метрический крепеж традиционно изготавливают из стали, выбирая этот сплав как обеспечивающий оптимальные параметры по прочности и надежности. Продукцию общего назначения получают высадкой (штамповкой) из углеродистых марок без термической обработки, а изделия, рассчитанные на высокие нагрузки, выпускают уже с обязательной закалкой.

Если же нужно обеспечить какие-то особые свойства, для производства метизов используют алюминий и его сплавы (в основном, дюраль), медь, бронзу, латунь и нержавейку. Эти материалы теряют в прочности, зато обладают повышенной стойкостью к коррозии или улучшенной электропроводящей способностью.

Основные отличия метрического крепежа от дюймового

Метрическая система в машиностроении — общепринятый стандарт для сборки соединений. Но в отдельных случаях в работу идут узлы на дюймовой резьбе, и она обладает принципиально иными характеристиками.

Метрический профиль описан ГОСТ 9150-2002. Ключевыми геометрическими параметрами выступают:

• фактические диаметры вершин и впадин;
• номинальные диаметры;
• шаг (крупный или мелкий).

Для каждого типоразмера в продольном сечении витки имеют форму равнобедренного треугольника, раскрытого под 60 градусов и размещенного под прямым углом к оси изделия.

Классическую дюймовую резьбу в машиностроительных нормативах называют «трубной». Основные сведения о ней указаны в ГОСТ 6357-81. Обозначение типоразмера подразумевает цельное или дробное выражение в дюймах, без указания шага, который для каждого варианта один-единственный.

Угол раскрытия витков в профиле составляет 55 градусов. Именно по этому признаку опытные слесари способны отличить дюймовую резьбу от метрической буквально «на глаз» — она визуально более острая.

Для обоих типов резьбовых соединений допустимы варианты цилиндрической и конической линии профиля, причем можно надевать цилиндрическую гайку на конический стержень, обеспечивая тем самым самоторможение при сборке и натяг.

Что примечательно, ГОСТ 6111-52 описывает параметры дюймовой конической резьбы с углом раскрытия витков 60 градусов. Казалось бы, это нарушает базовое различие между дюймовой и метрической резьбой, но всё же имеет место быть.

Традиционно метрическую резьбу выбирают для силовых нагруженных соединений. Дюймовую — для сопряжения деталей, в отношении которых нужно обеспечить герметичность. Укладка друг на друга витков с профилем 55 градусов препятствует проходу по зазорам как жидкости, так и газа. Поэтому трубные фитинги собирают на дюймовой резьбе, а крепежные болты нарезают с метрической. Метизы с дюймовой резьбой вы вряд ли найдете на рынке, их придется заказывать отдельно, если возникнет такая необходимость.

Почему важно правильно подбирать крепеж

Со временем опытные конструктора-машиностроители ставят крепеж в узлах фактически по наитию, но в действительности выбору типа метизов, определению их количества и принципа размещения предшествует весьма серьезная проработка и множество расчетов. Просто много лет подобных действий «затачивают» ум инженера под применение усредненных стандартных решений, которые зачастую и будут оптимальными.

На что влияет выбор крепежа:

• на прочность и надежность фиксации узла;
• на удобство монтажа и демонтажа конструкции;
• на суммарный ресурс.

Определяясь с подходящими болтами или шпильками, сначала выполняют расчет на растяжение, срез или смятие под нагрузкой, учитывая в обязательном порядке как величину нагрузки, так и ее характер (растягивающие или изгибающие). При этом закладывают в том числе и момент предварительной затяжки. Финалом расчета становится минимально допустимый диаметр метрической резьбы и высота соединения.

При подборе крепежа также конструктивными способами решают второстепенные задачи, такие как:

• разгрузка от изгиба;
• продольная и поперечная фиксация;
• стопорение резьбы;
• центрирование.

Для этого в конструкции метизов закладывают дополнительные шейки, опорные юбки, шипы и пазы. Это присуще продукции нестандартного типа, которую проектируют сугубо для конкретного сложного узла. В большинстве случаев достаточно простого ГОСТовского крепежа, но каждый раз условия работы нужно оценивать непредвзято и объективно, предусматривая самые худшие варианты.

Количество и схему расположения болтов определяют, исходя из принципа обеспечения:

• равномерного восприятия рабочих нагрузок;
• равномерного распределения давления на сопряженные детали сборки;
• удобства монтажа и демонтажа.

О последнем пункте частенько забывают, увлекаясь вопросами прочности и надежности. И тогда слесари сталкиваются с очевидными проблемами, когда по чертежу крепеж расставлен очень красиво и логично, а вживую, чтобы засунуть его на полагающееся место, нужно изрядно попотеть, а уж вынуть его оттуда, не срезая, попросту невозможно.

На финальных этапах подбора метизов вспоминают об условиях работы узла: испытывают ли детали воздействие агрессивных сред или повышенных температур, сталкиваются ли при работе с абразивным изнашиванием или эрозией. С учетом этих моментов выбирают крепеж из цветных сплавов или нержавейки и продукцию с защитными покрытиями — воронением, фосфатированием, цинкованием, никелированием и т.д.

Виды резьбовых соединений

Огромный ассортимент метрического крепежа можно условно свести к трем типам соединений — на болтах, на винтах (иногда их называют «ввертными болтами») и на шпильках. Подобное разделение предусматривает ориентацию сугубо на принцип сборки, без привязки к конструктивным особенностям или названию метизов.

Болтовое соединение — это пропуск резьбового стержня с высаженной головкой сквозь два сквозных отверстия и затяжка болта с обратной стороны гайкой. Считается, что такая схема наиболее надежна. Она способна выдержать самые высокие нагрузки. А сведение подготовки всего лишь к сверлению гладких отверстий низкой точности существенно упрощает конструкцию узла и удешевляет его изготовление.

Посадка болтов может быть:

• жесткой;
• упругой;
• с удлинением подкладной втулкой;
• с осевой пружиной под гайкой;
• с упругой головкой и ответной симметричной шайбой;
• с заложенными вовнутрь отверстия втулками растяжения и сжатия.

Отверстия под установку болтов всегда делают на 1-2 мм больше наружного диаметра резьбового стержня. Это необходимо для их свободного пропуска, но создает условия для некоторого перекоса при поперечной нагрузке. Чтобы решить эту проблему и обеспечить болтовому соединению свойство самоустановки, узел дополняют сферическими шайбами или делают кольцевые выборки в опорных торцах головки и гайки.

Сборка на винтах определяется проходом стержня сквозь отверстие в одной детали с погружением в резьбовое гнездо во второй. Причем последний элемент может иметь как глухое, так и сквозное исполнение. Второе предпочтительней с технологической точки зрения — нарезать резьбу в отверстии, проходящем «навылет», намного проще.

Для реализации винтового соединения нужен только винт или болт, без ответной гайки. Их вкручивают напрямую в тело изделия, что само по себе уже ставит некоторые повышенные требования к прочности детали с резьбовым гнездом, ведь при регулярном монтаже-демонтаже витки резьбы не должны сминаться или рассыпаться.

В отношении винтовых соединений присутствуют также геометрические ограничения:

• по глубине посадки стержня в резьбовом гнезде — желательно не менее 10 шагов резьбы, иначе стяжка будет изначально ослаблена;
• по высоте самого узла — чтобы избежать неустранимого скручивания чересчур длинного винта при затяжке.

Как правило, винтовые соединения выполняют, опуская головки крепежа ниже лицевой поверхности конструкции, в потай и полупотай. С прицелом на такое решение винты редко изготавливают с шестигранными и квадратными головками, предпочитая конические и полусферой.

Шпилечные соединения подразумевают посадку шпильки ввертным концом в резьбовое гнездо на корпусе, тогда как со стороны ответной детали крепеж затягивают гайкой. Это классическая схема применения шпилек. Но допустимо также пропустить стержень сквозь два сквозных отверстия и с обеих сторон поставить гайки. Второй вариант часто можно встретить на стяжке фланцев, работающих под нагревом, поскольку одноступенчатые шпильки здесь имеют преимущество перед болтами с увеличенной головкой.

Шпилечные соединения встречаются намного реже болтовых и винтовых из-за того, что вызывают больше практических сложностей при монтаже — нужно оперировать несколькими компонентами одновременно или последовательно, что влечет удорожание сборочных операций. Их выбирают в последнюю очередь, когда сложность монтажа уже не перевешивает надежность посадки шпильки в конкретном случае.

Преимущества и недостатки резьбовых соединений

Какие очевидные достоинства сделали резьбовые соединения незаменимыми во всех отраслях промышленности:

1. Сборка по резьбе хорошо изучена и предсказуема с позиции восприятия нагрузки — всегда можно легко рассчитать поведение крепежа в процессе эксплуатации машины или строительной конструкции.
2. Существует масса методов и инструментов для стопорения резьбы, которые препятствуют ослаблению стяжки под влиянием вибраций, ударов или циклического изменения направления приложения рабочих нагрузок.
3. Болты и винты полностью снимают при демонтаже, тогда как шпильки могут оставаться в составе корпуса, а крышку просто поднимут «над ними». Такая вариативность резьбовых соединений позволяет по максимуму снизить износ базовых деталей.
4. Широкое конструктивное разнообразие метрического крепежа облегчает процесс сборки и разборки с точки зрения трудоемкости сборочных операций, упрощает работу для обслуживающего персонала, удешевляет производство.
5. Схема восприятия нагрузок на резьбовых соединениях позволяет реализовать такую сборку в отношении метизов из любых материалов — стали, нержавейки, алюминиевых и медных сплавов, даже пластика (что распространено в сантехнике).
6. Резьбовой крепеж унифицирован и стандартизован. Столкнувшись с машинами импортного производства, вы увидите хорошо знакомые и понятные решения, которые при необходимости можно воссоздать или заменить аналогами.

Сложно назвать недостатки резьбовых соединений — ведь они универсальны и надежны при правильном подборе конструктивных и прочностных параметров. Возможно, здесь следует упомянуть лишь необходимость предварительного углубленного изучения особенностей такого рода соединений, чтобы понимать всю их подноготную и всегда правильно «считывать» конкретную схему.

Классы прочности метрического крепежа

При оценке механических свойств метизов обращаются к разделению на классы прочности. В отношении продукции общего назначения обращаются к двум нормативным документам:

• ГОСТ 1759.4 — для болтов, винтов и шпилек;
• ГОСТ 1759.5 — для гаек.

Эти два стандарта тесно связаны и ссылаются друг на друга. Они рассчитаны на крепеж, работающий в диапазоне температур от −50 до +300°С, без воздействия агрессивных сред и интенсивного абразивного изнашивания.

ГОСТ 1759.4 устанавливает 11 классов прочности болтов — от 3.6 до 12.9. Номер класса расшифровывается в два этапа:

• первое число отражает 1/100 номинального временного сопротивления разрыву;
• второе число (после точки) указывает на 1/10 отношения номинального предела текучести к пределу прочности в процентах.

Чтобы не путаться лишний раз в классах, удерживая в уме эти закономерности, машиностроители приняли такое распределение:

• 3.6, 4.6 — для простых случаев;
• 4.8, 5.6 — для низких и средних нагрузок;
• 5.8, 6.6, 6.8, 9.8 — для специфических задач;
• 8.8, 10.9, 12.9 — для повышенных и высоких нагрузок.

В большинстве случаев ограничиваются выбором между 4.6, 8.8 и 12.9.

Основные сведения по свойствам классов прочности стержневого метрического крепежа приведены в таблице ниже:

Класс прочности	Минимальный предел прочности, МПа	Минимальный предел текучести, МПа	Твердость по шкале Бринелля
3.6	330	190	90-238
4.6	400	240	114-238
4.8	420	340	124-238
5.6	500	300	147-238
5.8	520	420	152-238
6.6	600	360	181-238
6.8	600	480	181-238
8.8	800	640	238-318
9.8	900	720	276-342
10.9	1040	940	304-361
12.9	1220	1100	366-414

ГОСТ 1759.5, распространяющийся на гайки с метрической резьбой, тоже разбивает общий ассортимент выпуска на классы прочности, но их обозначение состоит из одного-единственного числа — от 4 до 12, включая также дополнительные классы 04 и 05, предназначенные для низких гаек.

Соответствие между классами прочности болтов, винтов, резьбовых шпилек и гаек имеет вид:

Класс прочности гаек	Класс прочности болтов, винтов и шпилек	Диаметр резьбы
4	3.6, 4.6, 4.8	> М16
5	3.6, 4.6, 4.8	≤ М16
	5.6, 5.8	≤ М48
6	6.8	≤ М48
8	8.8	≤ М48
9	8.8	> М16 и ≤ М48
	9.8	≤ М16
10	10.9	≤ М48
12	12.9	< М48

Что примечательно, гайки всегда делают несколько менее твердыми, чем болты. Так для болта класса прочности 10.9 твердость поверхности составит 32-39 HRC, тогда как для гайки класса 10 тот же параметр равен 28-38 HRC. Это связано с тем, что в соединении болт испытывает растягивающие нагрузки, а гайка — сжимающие, т.е. работает в более щадящих условиях.

Для производства крепежа разных классов прочности закладывают разные комбинации материалов и термической обработки:

• сырая углеродистая сталь (марки 10, 10кп, 20);
• углеродистая сталь закаленная и отпущенная (марки 35, 40, 45);
• углеродистая сталь с добавками бора, марганца и хрома, закаленная и отпущенная (марки 40Г, 40Х);
• легированная сталь закаленная и отпущенная (35ХГСА, 20Г2Р, 16ХСН).

Для проверки прочностных характеристик применяют целый комплекс различных испытаний:

• на растяжение;
• пробной нагрузкой;
• на разрыв на косой шайбе;
• на ударную вязкость;
• на прочность соединения головки со стержнем;
• на обезуглероживание;
• на повторный отпуск при повышенной температуре.

Стальной крепеж получают холодной и горячей штамповкой на специальных высадочных автоматах. Нестандартные изделия единичной и мелкосерийной формы выпуска допустимо изготавливают точением. Витки резьбы нарезают резцами, метчиками или плашками, а также накатывают роликами и гребенками. Затем метизы подвергают термической обработке (закалке и отпуску) и, если это запланировано технологическим процессом, наносят защитные покрытия.

Общая последовательность и характер операций, примененных для изготовления крепежа, прямо и косвенно сказываются на их финальной прочности. Так накатанная резьба более прочная и износостойкая, чем нарезанная, поскольку при ее получении поверхность витков получает дополнительный наклеп.

Заключение

Погружаясь в тему проектирования различных машин, строительных и промышленных конструкций, нельзя обойти вниманием вопросы прочности. Этот вопрос пронизывает инженерию насквозь, непосредственно влияя на выбор формы и размеров нагруженных компонентов любой технической системы.

В отношении стандартного метрического крепежа действует распределение на несколько классов прочности. Возрастание класса указывает на способность болта или гайки справляться с более высокими нагрузками, в том числе ударными и термическими. И если для продукции низкой прочности достаточно изготовления из простой стали методом холодной штамповки, то высокопрочные изделия требуют уже применения легированных сплавов и обязательной закалки.

Единожды разобравшись с прочностными требованиями к метрическому крепежу, вы столкнетесь с тем, что теперь загадочная маркировка цифрами вроде «10.9» или «5.6» на головке винта уже не приводит вас в замешательство, а дает весьма ценную информацию. И новые знания лягут в основу более тщательного и рационального подбора метизов.