Резьбовая шпилька - в быту и промышленности

Наряду с болтами и винтами резьбовые шпильки — универсальный крепеж для разъемных соединений. Как правило, их используют при сборке массивных корпусных изделий машиностроения. Но область применения таких изделий распространяется также на строительные металлоконструкции, установку рекламных щитов, мебельное производство.

Уникальные рабочие свойства шпилек напрямую зависят от их геометрии, материалов и механических характеристик, а также методов установки и стопорения резьбы.

Виды

Существует ряд стандартных шпилек. Их выпускают согласно нормативной документации — ГОСТ, ОСТ, ТУ и DIN. Если существующих вариантов недостаточно, инженера проектируют изделия уникальной формы и свойств.

В общем случае шпилька имеет гладкую цилиндрическую форму сплошного профиля, с двумя резьбовыми концами. Такую конструкцию называют жесткой, и ее единственный недостаток — нельзя нарезать резьбу на проход, поскольку нет места для выхода инструмента. Поэтому резьбу выполняют со сбегом, но не более 2 шагов.

Облегченные шпильки имеют ступенчатый профиль, и гладкая часть на 20..40% меньше, чем наружный диаметр резьбы, либо же соответствует диаметру впадин. Такая конструкция обеспечивает равнопрочность изделия, позволяет несколько уменьшить суммарную массу крепежа и допускает нарезку резьбовых концов навылет — плашками, фрезами, гребенками. Чтобы исключить возникновение зоны опасных напряжений, способных разрушить металл, переход от резьбовой части к стержню выполняют с конусной галтелью.

По существующим нормативам шпильки изготавливают с обычной метрической резьбой. Если это необходимо, проектируют нестандартный крепеж с трапецеидальной, дюймовой и треугольной резьбой, а также асимметричным профилем.

На торцах деталей допускаются центровочные отверстия. В обязательном порядке снимают заходные фаски и притупляют острые кромки. Шпильки, которые разрабатывают по спецзаказу, могут иметь промежуточный упорный торец или поверхность под ключ (шестигранник, квадрат, лыски).

ГОСТы

Существует целый ряд стандартных метизов общего назначения. Это универсальный крепеж, с помощью которого можно решить практически любую задачу. Диапазон допустимых размеров — от М2 до М48 мм. Вне указанных пределов изделия выпускают согласно чертежа.

Чтобы заказать резьбовые шпильки по определенному стандарту, следует использовать условное обозначение. Обычно оно включает в себя размер, шаг и поле допуска резьбы, а также длину. Расширенный формат содержит в себе информацию по выбранному материалу, класс прочности и шифр защитного покрытия.

Шпильки для резьбовых отверстий различают по длине ввинчиваемого конца и классу точности.

Изделия класса А (высокой точности):

• ГОСТ 22033-76 — с длиной, равной диаметру резьбы;
• ГОСТ 22035-76 — с длиной, равной 1,25d;
• ГОСТ 22037-76 — с длиной, равной 1,6d;
• ГОСТ 22039-76 — с длиной, равной 2d;
• ГОСТ 22041-76 — с длиной, равной 2,5d.

Изделия класса В (повышенной точности):

• ГОСТ 22032-76 — с длиной, равной диаметру резьбы;
• ГОСТ 22034-76 — с длиной, равной 1,25d;
• ГОСТ 22035-76 — с длиной, равной 1,6d;
• ГОСТ 22038-76 — с длиной, равной 2d;
• ГОСТ 22040-76 — с длиной, равной 2,5d.

Шпильки класса точности С по ГОСТу не выпускают. Этот формат предназначен для нестандартных деталей, в условиях единичного производства, под какой-то конкретный неответственный заказ или пробный механизм.

Длину резьбового конца выбирают с учетом металла, в который нужно будет закручивать крепеж. Чем прочнее материал — тем меньшая высота соприкосновения витков нужна, чтобы обеспечить надежное соединение.

Оптимальная длина завёртывания:

• для стали и высокопрочных чугунов — 1,25..1,5d;
• для бронзы, латуни и серых чугунов — 1,5..2d;
• для алюминиевых и магниевых сплавов — 2..2,5d.

Шпильки, предназначенные для установки в сквозные гладкие отверстия, выпускают по ГОСТ 22043-76 для класса точности А и ГОСТ 22042-76 для класса точности В.

По стандартам возможно изготовление резьбы с крупным и мелким шагом, причем величина шага для гаечного и ввинчиваемого конца может быть разной.

Технические нормативы Евросоюза частично перекликаются с отечественными ГОСТами. Можно выделить некоторые аналогичные пары:

• DIN 938 — ГОСТ 22033-76 (L = 1d);
• DIN 939 — ГОСТ 22035-76 (L = 1,25d);
• DIN 949-1 — ГОСТ 22039-76 (L = 2d);
• DIN 949-2 — ГОСТ 22041-76 (L = 2,5d).

А также для особых условий:

• DIN 2509 — двусторонний крепеж для фланцевых соединений. Имеется дополнительная выступающая ступень под ключ (снятые по цилиндру лыски).
• DIN 976-1 и DIN 976-2 — шпильки с полнорезьбовой поверхностью, без деления на концы и гладкую промежуточную часть. Их можно использовать в том числе как ходовые, под элементарную передачу «винт-гайка».
• DIN 940 — с длиной резьбовой части 2,5d и различным полем допуска для соединений с натягом и без него.
• DIN 525 — длинные шпильки с одним нарезанным концом под приварку. В основном, такой крепеж используют для строительных целей, реже — как центрирующий элемент при сборке мебели.
• DIN 835 — шпильки для вкручивания в детали из алюминиевых сплавов. Резьбовую часть выполняют с длиной около 2d.

При сборке трубопровода или запорно-регулирующей арматуры на фланцах ставят специальные метизы. ГОСТ 9066-75 устанавливает требования к изделиям, которые будут работать в диапазоне температур от 0 до +650˚С. Дополнительно можно упомянуть ОСТ 26-2040-96. Этот документ описывает крепеж для условий от −70 до +600˚С.

Шпильки, предназначенные для фланцевых соединений с линзовым уплотнением, выпускают по ГОСТ 10494-80 и используют в сфере химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Спектр рабочих температур для этих изделий — от −50 до +510˚С, при давлении внутри трубопровода до 100 МПа.

На резьбовые соединения для атомных энергетических установок распространяются условия ГОСТ Р 54786-2011. Особенность таких шпилек — повышенные требования по надежности. В среднем, уровень прочности для крепежа атомной энергетики в 1,7..2,0 раза выше, чем для изделий общего назначения.

Для сборки и монтажа трубопроводных систем используют U-образные шпильки с двумя или одним резьбовым концом. Иначе их называют «болт-скоба» или хомуты, и они представляют собой металлический гнутый стержень. Для таких изделий предусмотрены ГОСТ 24137-80, ГОСТ 24139-80 и DIN 3570.

Материалы

Главные ориентиры в подборе материалов для изготовления — величина нагрузки и условия эксплуатации.

Обычные резьбовые шпильки выпускают из марок сталей со сравнительно малым содержанием углерода: 10, 10кп, 20, 20кп. За счет низкой прочности они легко поддаются обработке и не вызывают дополнительных трудностей на резьбонакатных автоматах.

Некоторые источники рекомендуют неответственный крепеж нарезать из строительной стали Ст3. Но этот материал плохо держит профиль резьбы, и детали из него могут быть практически одноразовыми. В самом худшем случае резьбу сомнут еще при первом закручивании шпильки.

Для метизов повышенной прочности назначают среднеуглеродистые и легированные марки, которые хорошо реагируют на закалку: 35, 45, 40Г, 35Х, 38ХА, 45Г, 40Г2, 40Х, 40ХФА. Термическая обработка позволяет повысить временное сопротивление разрыву на 45..60%. Эксплуатация таких сталей возможна при температурах не выше 250˚С, с дальнейшим нагревом падение прочности становится критическим и приблизительно на 400˚С возможен повторный отпуск до состояния сырого металла.

Нагруженный фланцевый крепеж для сосудов и аппаратов, работающих под давлением, изготавливают из высоколегированных теплоустойчивых и жаропрочных сталей: 15Х11МФ, 20Х12ВНМФ, 18Х11МНФБ, 18Х12ВМБФР, 31Х19Н9МВБТ, 25Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20Х1М1Ф1ТР.

Для шпилек, работающих в ответственных механизмах и тяжелых металлоконструкциях (например, в крановом хозяйстве), следует применять марки с содержанием хрома, никеля, молибдена и ванадия: 35ХМ, 30ХМА, 30Х3МФ, 30Х2НМФА, 20Х2НМТРБ, 40Х2Н2МА и 38ХН3МФА. Эти материалы можно подвергать закалке, азотированию и нитроцементации.

Если эксплуатация крепежа подразумевает нагрев свыше 350˚С и воздействие условно-агрессивных сред (вода, пар, кислоты, щелочи), то используют коррозионно-стойкие и жаропрочные стали и сплавы. Сюда относят марки 12Х18Н9, 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 06ХН28МДТ, 12Х13, 20Х13, 08Х21Н6М2Т, 14Х17Н2, 10Х11Н23Т3МР, 13Х11Н2В2МФ, 07Х16Н6. Основными легирующими элементами выступают хром и никель. Именно они дают стали свойства сопротивляться коррозии и влиянию высоких температур. Молибден, ванадий и бор стабилизируют эти характеристики, повышают красностойкость и упругость материала. В исключительных случаях применяют хромоникелевые сплавы — ХН35ВТ, ХН77ТЮР, но их очень тяжело обрабатывать.

Для специальных условий работы берут шпильки из цветных металлов и сплавов. Обычно это касается случаев, когда нет серьезных нагрузок, но необходима стойкость к окислению на воздухе и в воде, а также повышенная электропроводимость.

Сплавы на основе алюминия используют для электротехнических изделий и там, где необходимо радикально уменьшить общий вес конструкции. Это марки АМг5П, АМг5, Д1, Д1П, Д16, Д16П.

Некоторые устройства собирают с применением крепежа из промышленных медных сплавов. Это бронза марки БрАМц9-2, латуни Л63 и ЛС59-1. Шпильками на их основе стягивают концы гибкого медного шинопровода в силовом и распределительном оборудовании.

Защитные покрытия

Чтобы предотвратить развитие коррозии и придать изделиям «товарный» вид, на поверхность наносят специальные защитные покрытия. Обычно это слои на основе металлов или тонкие пленки, полученные химической реакцией.

Для шпилек применяют такие типы покрытий:

• цинковое;
• цинковое с последующим хроматированием;
• кадмиевое;
• кадмиевое с последующим хроматированием;
• никелевое;
• оловянное;
• медное;
• серебряное;
• многослойное (медь-никель, медь-никель-хром);
• окисное;
• фосфатное.

Помимо главной защитной функции — защиты от окисления и коррозии — некоторые покрытия имеют собственные уникальные свойства:

• Оловянное можно использовать в пищевой промышленности, при прямом контакте с продуктами питания.
• Медный слой успешно предохраняет сталь от диффузионных процессов. С его помощью продлевают срок службы крепежа в машинах для различной химической переработки.
• Кадмиевое покрытие более устойчиво при работе в кислотных и щелочных средах, чем остальные.

Толщина осажденного слоя обычно составляет от 9 до 20 мкм. Этого достаточно, чтобы исключить вероятность повреждения основного металла под оболочкой. Однако если шпилька регулярно подвергается сборке и разборке, покрытие может разрушаться за счет трения.

Прочность

Механические характеристики резьбовых шпилек приведены в ГОСТ 1759.4-87. Этот документ описывает общие случаи назначения материалов, диапазон свойств, программу испытаний готовой продукции.

Норматив делит метизы на 11 классов прочности. Условное обозначение включает два числа, разделенные точкой. Их маркируют на торце гаечного конца, в виде цифр или условного значка (для шпилек с диаметром резьбы менее 12 мм).

Все классы можно условно разделить на три уровня по области применения:

• для неответственных конструкций — 3.6, 4.6, 4.8. Предел прочности соответствует сырой низкоуглеродистой стали. Такой крепеж можно ставить в мебель.
• для изделий общего назначения и строительных конструкций — 5.6, 5.8, 6.6, 6.8. В производстве также используют низкоуглеродистые марки, возможно минимальное улучшение (закалка и высокий отпуск).
• для машин и механизмов, а также нагруженных металлоконструкций и сборок — 8.8, 9.8, 10.9, 12.9. Такие шпильки изготавливают из среднеуглеродистых и легированных сталей, с последующей закалкой. Степень прочности метизов сопоставима с деталями механических передач.

При выборе класса прочности следует тщательно оценить условия работы и степень нагружения резьбовых соединений. Для некоторых изделий есть четкие указания, крепеж какого класса необходимо использовать.

Механические свойства шпилек проверяют по методике, которая включает:

1. Испытание на разрывной машине. Оценивают предел прочности на растяжение, предел текучести и относительное удлинение материала. Растяжению подвергают целые шпильки. На резьбовой конец устанавливают гайку. Ее перемещают на скорости не более 25 мм/мин, растягивая образец до разрушения.
2. Испытание пробной нагрузкой. По схеме операция аналогична предыдущей. Шпильку тянут за гайку. Захват резьбы составляет 6 шагов. Изделие держат под нагрузкой не менее 15 секунд, причем деформация образца не допускается. Крепеж должен выдержать испытание без удлинения или смятия витков.
3. Замеры поверхностной твердости и сердцевины (при разрезе образца). Если на шпильке есть защитное покрытие, его предварительно удаляют.

Указанный объем испытаний дает полную информацию о прочностных характеристиках партии готовых деталей и о том, как они поведут себя в работе.

Применение

В основном, шпильки выбирают там, где установка болтов неудобна по конструктивным соображением. Часто их используют для соединений, испытывающих значительные динамические нагрузки, поскольку в таких условиях шпилька значительно прочнее болта с тем же диаметром резьбы.

Кроме того, их ставят в детали из сравнительно мягких материалов — алюминия и серых чугунов. Это особенно актуально для литых корпусов. При завинчивании резьбы всегда есть шанс деформировать витки. Тогда в случае повторной сборки нужно будет править резьбу или полностью ее восстанавливать.

Шпильку же можно установить в корпус единократно, буквально — раз и навсегда, а сопрягаемые детали просто надевать поверх выступающего гаечного конца.

Наиболее характерный пример использования таких соединений — редуктора, гидромашины, клапана. Шпильки широко используют в двигателе- и автомобилестроении, при сборке авиационных моторов и газовых турбин в энергетическом секторе. Установка и затяжка таких соединений легко автоматизируется и может быть реализована на станках-автоматах, роторно-конвейерных линиях и при помощи роботов-манипуляторов.

Для сосудов и аппаратов, работающих под давлением и в зоне повышенных температур, при сборке на фланцах предпочтение также отдают шпилькам. Это относится к теплообменникам, установкам перегонного и конденсационного типа в химической и пищевой промышленности, а также в сфере энергетики.

При общем нагреве аппарата и фланцев крепеж всегда остается чуть холоднее. В связи с этим возникают температурные деформации. Из-за того, что напряжения напрямую зависят от площади поперечного сечения детали, растягивающие нагрузки на болтах в 1,4 раза выше, чем на шпильках. Поэтому болтовые соединения рекомендуют использовать только до 250˚С, во всех остальных случаях ставят шпильки.

Их также широко используют при стыковке и монтаже металлоконструкций из швеллера, двутавровой балки, уголка и профильной трубы. Такой крепеж применяют и для монтажа навесных фасадных систем — в частности, при установке химического анкера.

В применении резьбовых шпилек есть своя специфика. Существует два возможных варианта соединения:

• завертка в резьбовое отверстие в корпусе и прижим второй детали гайкой;
• стержень размещают в сквозном гладком отверстии, обе детали стягивают гайками на концах. Такую схему называют «болт-шпилька».

Различают несколько способов установки шпилек в резьбовое отверстие корпуса:

• До упора нарезного конца шпильки в торец. При этом возникают растягивающие напряжения на крепеже и сжимающие — в теле детали. Такую схему рекомендуют для алюминиевых и чугунных корпусных изделий, как сравнительно мягких и хрупких.
• До упора носиком шпильки в дно глухого отверстия или резьбой — в нижние витки. Обратная картина предыдущего варианта. Теперь крепеж испытывает сжимающие напряжения, а корпус — растягивающие. Такое распределение больше подходит для стальной конструкции.
• Торможение шпильки происходит за счет посадки с натягом. При этом следует контролировать высоту выступающей части.
• Самостопорящееся резьбовое соединение. Шпильку конической формы устанавливают в цилиндрическое отверстие, и по ходу завинчивания она деформируется и «раскатывает» себя по стенкам.

Последние два способа — оптимальны по силовой схеме распределения сил: отсутствуют избыточные напряжения, достигается высокий уровень прочности сборки. Единственный недостаток — усложнение конструкции и невозможность использовать стандартные ГОСТовские шпильки.

Чтобы избежать самораскручивания под действием нагрузок, вибраций и смещений, резьбовые соединения дополнительно стопорят. Для шпилек актуальны несколько методов:

• Разделение резьбового конца на два участка при помощи канавки. Со стороны торца выполняют отверстие. Первый участок теряет в жесткости и при затяжке несколько деформируется, осаживая тем самым второй. Этот вариант подходит для глубоких отверстий и большой высоты соприкосновения резьбы.
• На торце шпильки сверлят отверстие, в которое устанавливают конический разжимной стержень. При затяжке он упирается в дно и искажает тело изделия, деформируя резьбу и уплотняя ее.
• На дне отверстия ставят втулку из сравнительно упругого материала (цветмет или пластик). Закрутка шпильки заканчивается тем, что изделие нарезает резьбу по мягкой втулке и застревает в ней.
• Соединение заливают клеем. Но это не подходит для изделий, предполагающих плановую разборку.

В остальных случаях стопорят гайку на наружном конце шпильки. Для этого используют схемы, учитывающие упругие силы и силы трения. Сюда относят установку пружинных шайб, дубль-гаек уменьшенной высоты и гаек с торцовыми зубчиками.