Резьбовые заклепки. Гибрид двух видов крепежа

Сколько бы ни существовало вариантов крепежа, для промышленников этого никогда не будет достаточно. Появляются новые механизмы, узлы, машины, целые отрасли, и вместе с ними инженеры изобретают всё новые и новые метизы.

Изменения в геометрии резьбы или форме головки, в примененных материалах или выбранной технологии нанесения покрытий — это закономерный и неизбежный процесс эволюции, но куда больший интерес представляет появление принципиально новых изделий. И гибриды, в которых сочетается механика, присущая полярно разным типам крепежа, неизменно приковывают внимание.

К таким типам метизов следует отнести и резьбовые заклепки. Обычному гражданину, далекому от производства, они практически неизвестны, но эти элементы нашли широкое распространение в самых разных сферах промышленности — начиная от самолетостроения и заканчивая выпуском холодильников.

Резьбовой крепеж в миниатюре

В традиционном машиностроении принято общее деление всех соединений на разъемные и неразъемные. К первым относится стяжка на болтах, винтах и резьбовых шпильках, ко вторым — сварные и паяные узлы, а также клёпка.

Первыми попытками совместить два принципиально разных подхода стало появление болт-заклепочных соединений. Здесь изобретатели стремились получить узлы повышенной прочности и надежности, используя заклепку в качестве гайки, воспринимающей нагрузку на срез, тогда как сам установленный болт работал на растяжение. Благодаря болт-заклепочным соединениям инженеры смогли обеспечить осевой натяг стабильной величины. Эту схему до сих пор применяют в авиации — при сборке самолетной и вертолетной техники, но в иных отраслях она осталась практически неизвестной.

Следующим шагом в эволюции крепежа уже были резьбовые заклепки. Исходя из названия, ожидаешь эффективного использования соединения, похожего на болтовое, но это совсем не так. Резьба для таких метизов предназначена для реализации двух функций:

• осевой деформации при установке и высадки обратной головки;
• установки дополнительного винта по готовому клепаному узлу.

Первую функцию следует считать базовой. Здесь резьба — наружная или внутренняя — на поверхности заклепки служит «якорем» для фиксации штока слесарного инструмента, продольное перемещение которого влечет за собой осадку металла и формирование второй головки, замыкающей узел с обратной стороны. Установка же винта — вспомогательная функция, которая позволит разгрузить соединение от продольной нагрузки (растяжения) и избежать ослабления узла при интенсивных вибрациях.

Изначально клепку использовали как альтернативу сварке. Это более трудоемкий метод последовательной «сшивки» конструкции, который требует предварительной подготовки отверстий под каждый отдельный метиз. Но у клепаных соединений есть и очевидные преимущества перед наложением сварных швов:

• отсутствует термическое воздействие (локальный нагрев), которое приводит к появлению пятен на металле, короблению и поводке тонкостенных конструкций;
• при работе нужно куда более простое и дешевое оборудование;
• нет необходимости в высокой квалификации персонала;
• можно эффективно соединять детали из неродственных материалов, включая резину, пластик, оргстекло, дерево, черные и цветные металлы.

Классическая заклепка образует узел с небольшим осевым натягом. Эта нагрузка носит предварительный или технологический характер. Она возникает при непосредственной деформации крепежа и образовании обратной головки. Впоследствии соединение в большей степени работает на срез, возникающий при попытке деталей «уйти» в разные стороны.

При проектном расчете учитывают все напряжения в комплексе:

• срез — как основную нагрузку;
• предварительное сжатие — как технологическую, близкую по смыслу к контролируемому моменту затяжки у болтов;
• смятие стенок отверстия и наружных поверхностей — как отклик материалов соединяемых деталей на сжатие;
• изгиб и растяжение — как нежелательные эксплуатационные нагрузки, приводящие к отрыву головки.

Результатом расчета становится диаметр заклепки, ниже которого опускаться нельзя. Как правило, конструкторы несколько завышают полученный расчетный параметр, выбирая метизы из стандартного ряда. И тем самым обеспечивают дополнительный запас прочности.

Существуют общие усредненные данные по нагрузочной способности стальных резьбовых заклепок. Это будут:

• растяжение — от 400 кг для размера М3 и до 5,4 тонны для М12;
• срез — от 150 кг для М3 и до 1,1 тонны для М12.

Нагрузочная способность алюминиевых метизов будет приблизительно в 1,5–2 раза ниже.

Несмотря на широкое конструктивное разнообразие, все заклепки схожи между собой. Их конструкция условно разделена на закладную головку и установочный стержень. При монтаже и деформации металла образуется обратная (или замыкающая) головка. Это справедливо и для резьбовых заклепок.

При проектировании клепаных узлов рассматривают несколько схем в зависимости от суммарной нагрузки:

• размещение заклепок в один ряд;
• в два ряда;
• в несколько рядов.

Относительно двух последних вариантов выбирают всегда расположение соседних метизов в шахматном порядке. Причем расстояние между рядами, шаг отверстий и их отступ от края тоже заранее рассчитывают, а не принимают «на глаз».

Если в отношении резьбовых заклепок, попросту затягиваемых за резьбу до образования замыкающей головки, всё предельно понятно, то схема, при которой в готовое соединение дополнительно ставят еще и винт, вызывает куда больший интерес.

Отверстия под установку заклепок всегда делают чуть большими, чем наружный диаметр метизов. Это обеспечивает гарантированный минимальный зазор при монтаже. После клепки крепеж обеими головками «вжимается» в поверхности сопряженных деталей, и тем самым обеспечивает себе неподвижность.

Но последующее вкручивание винта может повлечь за собой некоторый проворот заклепки внутри гладкого отверстия, что затруднит сборку — ведь законтрить основную деталь мы не сможем. Чтобы избежать этого, на наружной поверхности резьбовых заклепок делают насечки. Они врезаются в стенки отверстия, минимизируя степень проворота.

Следующей ступенью развития становится применение граненых заклепок по таким же отверстиям — четырех или шестигранным. В этом случае сами отверстия нельзя получить простым сверлением, их приходится прошивать или протягивать на специальном оборудовании. Процесс подготовки к клепке существенно усложняется, но в массовом производстве это вполне допустимо. После установки заклепка никак не может провернуться внутри отверстия, и винт вкручивают уже безо всякого труда.

Классификация резьбовых заклепок

Общий спектр метизов этого типа делят на две большие категории — заклепки-гайки и заклепки-винты. Первые получили куда большее распространение, и за рубежом они более известны как «Q-Nut». Вторые практические не используются.

Пока отсутствует единый национальный или международный стандарт на выпуск резьбовых заклепок. Каждый производитель формирует собственный каталог, опираясь на свои уникальные разработки и отраслевой опыт. Исключением может стать только устаревший ОСТ 1 11346-73, посвященный винтовым заклепкам для крепления шильд и информационных табличек к алюминиевым корпусам.

Общепринятый номенклатурный ряд резьбовых заклепок включает размеры от М4 до М12, из которых самыми ходовыми в промышленности будут М6 и М8. В отдельных случаях выпускают продукцию уменьшенного типа — для сборки миниатюрных приборов и механизмов. Этим требованиям соответствуют резьбовые заклепки М3.

Изделия гаечного типа по конструкции делят на:

• сквозные — со сквозным центральным отверстием;
• глухие — с глухим отверстием;
• лепестковые — с радиальными пазами.

Последний вариант особенно интересен. По своей сути такие изделия повторяют идею гильзы дюбеля: тело гайки, лишившееся жесткости из-за наличия трех или четырех пазов, деформируется, раскрываясь наружу. Тем самым и получают необходимую замыкающую головку.

По характеристикам наружной поверхности резьбовые заклепки бывают:

• цилиндрические — гладкие или с двумя ступеньками по основной части;
• четырехгранные;
• шестигранные;
• полушестигранные — с граненой и нижней цилиндрической ступенькой.

Разные формы возможны и для исполнения закладной головки. Различают заклепки:

• с цилиндрической головкой, которая при монтаже будет лежать на опорной поверхности;
• с потайной головкой, которая при монтаже уходит ниже уровня опорной поверхности, но для этого вместе со сверлением каждого посадочного отверстия в нем дополнительно зенкуют еще и коническую полость;
• с уменьшенной головкой, которая настолько низкая, что даже при непосредственном упоре в поверхность расположена практически заподлицо с ней.

Помимо обычных резьбовых заклепок-гаек разные производители концентрируют своё внимание также на выпуске изделий специального назначения. В этот список попадают метизы:

• с увеличенной головкой, которая обеспечивает более щадящее распространение осевой нагрузки по поверхности деталей в узле (актуально при сборке хрупких неметаллических материалов);
• с увеличенным сопротивлением прокручиванию;
• с метками для визуальной идентификации;
• с увеличенным ресурсом на сопротивление растяжению;
• с увеличенным усилием деформации;
• с контролируемой степенью деформации при клепке;
• для герметичных соединений;
• с дюймовой резьбой вместо метрической;
• с выраженными электропроводящими свойствами;
• с виброизоляцией.

При изготовлении заклепок неизменно отдают предпочтение исключительно металлам и сплавам. Никакой известный пластик или композит не обеспечит нужного баланса между податливостью при клепке и повышенной нагрузочной способностью при эксплуатации.

Резьбовые заклепки делают из:

• стали — марок Ст2, Ст3, 10, 10кп, 15, 15кп, 09Г2С;
• нержавейки — марок 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т;
• алюминиевых сплавов — марок АМг5П, АД1, Д18;
• меди — марок М3, МТ;
• латуни — марки Л63 (в том числе антимагнитной).

В авиастроении, где заклепки традиционно лидируют над всеми остальными видами крепежа, список используемых материалов будет еще шире. Здесь применяют метизы из легированных сталей 20Г2, 30ХГСА и 30ХМА, дюралюминия Д16П и титанового сплава ВТ16.

Для защиты метизов традиционно применяют специальные защитные покрытия. Требования к ним приведены в ГОСТ 9.301-86. Выбор конкретного вида покрытия напрямую связан с исходным материалом и условиями работы узла. Чаще всего можно встретить заклепки, прошедшие:

• цинкование;
• кадмирование;
• анодирование (для алюминия);
• пассивацию;
• химическое оксидирование и фосфатирование.

Помимо этого, в отдельных отраслях применяют:

• меднение;
• никелирование;
• хромирование;
• оловянирование;
• серебрение;
• покрытие сплавом «олово-висмут».

В зависимости от характера защитного покрытия заклепки могут быть:

• серыми;
• темно-серыми;
• светло-серыми с голубоватым отливом;
• светло-серыми с желтизной;
• серебристыми;
• желтыми;
• золотистыми;
• красными;
• коричневыми;
• светло-розовыми;
• зеленовато-желтыми;
• черными с синим или коричневым отливом.

Современные технологии нанесения защитных покрытий позволяют использовать в том числе многослойные композиции, оптимально подходящие для конкретных условий работы. В этот список попадают воздействие кислот, солей и щелочей в определенной дозировке, экстремальные высокие и низкие температуры, контакт с пищевыми продуктами или реагентами, для которых следует полностью исключить химическое взаимодействие.

Осаждение различных покрытий на поверхности метизов позволяет сократить перечень конструкционных материалов при суммарном увеличении надежности и расширении перечня специализаций.

Область применения

Наиболее часто вытяжные резьбовые заклепки можно встретить в таких отраслях, как:

• транспортное машиностроение;
• изготовление мебели;
• самолето- и вертолетостроение;
• автомобилестроение;
• судостроение;
• изготовление электротехники, электроники, радиотехники и контрольно-измерительных приборов;
• изготовление медицинской техники и аппаратуры.

Среди частных случаев применения резьбовых заклепок нужно упомянуть:

• крепление лицевых панелей техники (в том числе бытовой);
• крепление ножек металлической мебели;
• крепление приборных досок в транспорте (автомобильном, железнодорожном, речном и морском);
• сборка и крепление автомобильных сидений;
• сборка кузова изотермического фургона;
• установка фурнитуры для спецтранспорта;
• сборка металлических заборов;
• сборка холодильного оборудования;
• сборка авиатренажеров;
• сборка насосов различного типа, от бытовых до промышленных;
• сборка оконных блоков;
• сборка стиральных машин;
• сборка и монтаж солнечных батарей;
• сборка дверных панелей;
• сборка гидравлических тележек;
• сборка виброплатформ;
• сборка систем вентиляции;
• установка внутреннего оборудования силовых шкафов;
• установка водопроводной арматуры.

Комплексную надежность и высокую нагрузочную способность резьбовых заклепок хорошо характеризует тот факт, что эти соединения используют в том числе для сборки детских аттракционов и отдельных узлов подвижного железнодорожного состава. В отношении механизмов такого рода действуют самые жесткие критерии качества.

Установка резьбовых заклепок происходит по единому алгоритму:

1. Готовят отверстие под размещение крепежа.
2. Накручивают изделие на шток инструмента-заклепочника, причем здесь заранее подбирают насадку, полностью соответствующую размеру резьбовой заклепки.
3. Вставляют крепеж в отверстие до упора в закладную головку.
4. Контрят инструмент так, чтобы исключить осевое смещение детали при осадке металла.
5. Вытягивают шток за резьбу вверх, заставляя тело заклепки деформироваться, образуя замыкающую головку.
6. Выкручивают и вынимают шток из заклепки.
7. При необходимости — ставят и затягивают винт.

При монтаже используют рычажный, пневматический, гидравлический или аккумуляторный инструмент. Полностью ручная сборка на резьбовых заклепках без специального заклепочника (скажем, при помощи молотка) невозможна — так вы не добьетесь равномерной осадки металла в аккуратную головку, и соединение изначально будет уязвимым. Также не рекомендуют использовать для высадки резьбовых заклепок шуруповерт — эта техника не рассчитана на растягивающую осевую нагрузку. Вы просто сломаете инструмент.

Схема быстрой сборки на резьбовых заклепках успешно поддается частичной или даже полной автоматизации. Участие человека в этих работах можно свести исключительно к проверке уже готовых узлов. Чтобы воплотить такие идеи в жизнь, используют конвейерные и роторно-конвейерные автоматические линии, а также роботизированные технологические комплексы. Здесь клепальник для резьбовых заклепок — непосредственный целевой узел робота или машины-автомата, а не отдельный инструмент.

Как выбрать резьбовые заклепки

Клёпаные соединения — хорошо изученный и распространенный метод сборки. Такие узлы можно встретить повсеместно, начиная от самолетов и заканчивая конструкциями мостов и железнодорожных переездов. Но в каждом конкретном случае выбору определенного типа крепежа предшествовала весьма долгая и кропотливая техническая подготовка.

Если вы пришли к выводу, что именно резьбовые заклепки — лучший вариант решения поставленной перед вами задачи, то их детальному изучению придется посвятить немало времени. Это не те метизы, которые можно купить горстью в ближайшем строительном супермаркете и бездумно заколотить, если не молотком, так перфоратором. Заклепки требуют к себе куда более ответственного отношения.

На что обратить внимание при выборе такого крепежа:

1. Проектный расчет. Это стартовые данные для любого проекта, его база и костяк. Здесь вы должны получить информацию о требуемой высоте заклепки и минимально допустимом диаметре, при котором узел выдержит заданные эксплуатационные нагрузки.
2. Конструкция узла. Оцените общую сборку, для которой вы приобретаете крепеж. Как он будет стоять — в один или несколько рядов, насколько далеко от краев? Будет ли удобно подлезть вместе с инструментом к какому-то конкретному отверстию? Сможете ли вы установить резьбовую заклепку и успешно ее затянуть без дополнительных манипуляций? Часто бывает так, что в погоне за симметричностью и правильностью расстановки метизов упускается из виду очевидное неудобство при монтаже. Эти проблемы можно нивелировать, в том числе, более «тонким» подбором крепежа — например, отказом от круглых изделий в пользу шестигранных.
3. Материал заклепок. Это ключевой параметр, напрямую влияющий как на прочность соединения, так и на какие-то уникальные характеристики всего узла в целом. Например, самыми прочными следует признать стальные заклепки из легированной стали, но высокую электропроводимость обеспечат только изделия из меди. Алюминиевая же продукция пригодится там, где каждый грамм общей конструкции на счету.
4. Наличие защитного покрытия. Коррозия — медленная смерть любой техники. Неспроста в промышленности так много сил и средств тратят на изоляцию металла. Нужно помнить, что даже эксплуатация в полностью сухом и теплом помещении не гарантирует отсутствия коррозии на стали. Лучше заранее озаботиться применением крепежа со специальным защитным покрытием — простым для простых условий работы и более сложным для узкой специализации. «Голые» заклепки допустимы для продукции из хромоникелевой нержавейки, латуни, меди и алюминия.
5. Характеристики имеющегося в распоряжении инструмента. Если вы впервые беретесь за клёпку и собираетесь приобрести новенький аппарат под свои нужды — вы ничем не стеснены. Другое дело, когда на руках уже есть заклепочник для резьбовых заклепок. Тогда покупка метизов осложняется тем, что их конструкция должна быть согласована с возможностями техники. Также не следует забывать, что под каждую заклепку нужно подготовить отверстие. И если круглые вы легко просверлите дрелью, то получить квадратные или шестигранные в «домашних» условиях почти нереально.



6. Размер резьбы. Вы не сможете проверить его линейкой — понадобится калибр-пробка (можно заменить болтом или винтом — для резьбовой заклепки на М5 и М10 понадобятся соответствующие стержни). Будьте внимательны и обязательно проконтролируйте этот параметр, не полагаясь полностью на надпись на упаковке. Никто не застрахован от ошибок, даже завод-изготовитель. Кроме того, элементарным вкручиванием и выкручиванием калибра вы легко проверите, не деформирована ли резьба. Достаточно взять для эксперимента наугад несколько штук из партии.

Последняя и самая неочевидная рекомендация — доверяйте общему впечатлению. Качественная продукция всегда выглядит аккуратно и в какой-то мере привлекательно. Нет трещин, ржавчины, потертостей, сколов, вмятин или обнажения металла под неравномерно осажденным защитным покрытием. Поверхности радуют глаз мягким блеском и однородным цветом по всему объему. Доверяйте своему вкусу не меньше, чем предъявленным сертификатам качества.

Заключение

Резьбовые заклепки причисляют к гибридным типам крепежа — в них удивительным образом совмещены базовые преимущества как заклепочных, так и винтовых соединений. И, помимо надежности в эксплуатации, такие изделия также следует назвать весьма технологичными — с ними попросту удобно работать.

Достаточно широкий ассортимент готовых решений на рынке позволяет легко подобрать метизы для своих нужд, какими бы специфическими они не были. Резьбовые заклепки традиционно используют в таких сложных и ответственных сферах, как сборка: самолетов, кузовов спецтранспорта, приборных досок и холодильного оборудования.

Гибридный тип крепежа определенно заслуживает интереса. Достаточно простая схема установки позволяет ему конкурировать с остальными типами заклепок на равных. При этом — резьбовые метизы готовы предложить немного больше, чем просто классическое неразъемное соединение. Чем и следует воспользоваться, если вы пришли к выводу, что обычной заклепки вам сегодня недостаточно.