Специализированный крепеж станкового оборудования

Традиционно машиностроительная отрасль выступает «законодателем мод» для всей технической индустрии. Идеи, рожденные здесь, распространяются и в иные области: строительство, энергетику, добычу и переработку полезных ископаемых, химическое и пищевое производство, легкую промышленность.

Станкостроение и выпуск специального механического оборудования — это весьма специфическая сфера. Здесь используют как универсальный и хорошо знакомый крепеж, так и что-то совершенно особенное, что не встречается больше нигде.

Не останавливаясь на простых болтах, винтах и шпильках, знакомство с метизной отраслью в контексте станкостроения следует начать с обзора условий, в которых будет работать крепеж, и завершить рассмотрением частных уникальных случаев.

Основные отличия станочного крепежа

В большинстве конструкций крепежные изделия выполняют роль точечных связующих элементов — с их помощью стягивают и фиксируют какой-либо узел в едином пространственном положении. При этом наблюдается некоторая минимальная деформация самого крепежа: стержень растягивается, гайка сжимается, и возникающие упругие напряжения обеспечивают необходимое усилие затяжки.

Базовая функция таких соединений заключается в том, чтобы метизы выдержали эксплуатационные нагрузки так долго, как это заложено по проекту. Причем в это понятие включают как силовую составляющую, так и коррозионное воздействие — в сумме они определяют условия эксплуатации узла.

При сборке станков и промышленного оборудования руководствуются тем же принципом: крепеж должен обеспечить надежность соединения на определенный заложенный ресурс. Но вместе с тем появляется и ряд принципиально новых задач:

• сопротивление ударным нагрузкам (которые могут быть превышать проектные в несколько раз, а шанс их возникновения достаточно высок);
• сопротивление вибрациям;
• необходимость размещения в стесненных условиях (что не дает решить вопрос прочности простым увеличением размеров);
• возможность быстрой сборки и разборки (в том числе — вручную, без специального инструмента);
• сохранение точности посадки.

За основной пример можно взять станки металлообрабатывающей группы. Отдельные органы этой техники могут испытывать колоссальные нагрузки, работать на сверхскоростных режимах (свыше 10 000 оборотов в минуту) и с постоянной угрозой удара. Но вместе с тем они должны сохранить в нужной мере точность и жесткость, поскольку погрешность станка наследуется в дефектах изделия, которое на нем изготавливают.

Деформация или смещение крепежа может привести к «дребезжанию» какого-то узла, который передаст это хаотичное движение дальше. А уж если в процессе работы что-то резко сломается, то последствия могут быть самыми трагическими: от травм и гибели персонала до остановки работы целого цеха на неопределенное время. Поэтому к крепежной фурнитуре станков выдвигают куда более серьезные требования, чем к метизам любого иного назначения.

Общее правило проектирования станочной оснастки гласит: при конструировании деталей и узлов закладывают запас прочности не менее 2,7. Это значит, что деталь должна успешно выдержать нагрузку, в 2,7 раза превышающую максимально допустимую условиями эксплуатации.

Но при этом габариты узлов и рабочего пространства зачастую строго ограничены. Поэтому инженеры ведут поиск шаткого баланса между надежностью и удобством сборки, и это касается в равной степени как тяжелого станкостроения, так и производства легких «любительских» станков настольного типа.

Чтобы обеспечить требуемую прочность, для производства станочного крепежа используют серьезные стали, хорошо реагирующие на закалку и сохраняющие свои свойства даже при некотором нагреве (до +300°С).

Это марки:

• конструкционные среднеуглеродистые (35, 45);
• конструкционные легированные (40Х, 38ХА, 40ХН2МА, 30ХГСА);
• инструментальные углеродистые (У8А, 9ХС);
• жаропрочные (40Х9С2, 25Х1МФ);
• нержавеющие (08Х21Н6М2Т, 10Х17Н13М2Т, 12Х18Н9Т).

Стоит отметить, что высоколегированным сталям (жаропрочным и коррозионностойким) отдают предпочтение в станкостроении в тех случаях, когда крепеж оборудования будет находиться в зоне воздействия экстремальных температур (свыше +500°С) или в соприкосновении с агрессивной средой. Это актуально для перерабатывающей промышленности и металлургии.

Станочный крепеж подлежит обязательной термической обработке — закалке, которая повышает временное сопротивление разрыву в 1,3...1,8 раза. В общем случае опираются на требования ГОСТ 1759.4 относительно классов 8.8, 10.9 и 12.9: предел прочности болтов и винтов должен быть однозначно выше 800 МПа. Когда принимают решение заказать специализированный крепеж для сборки станков, требования по прочности, технологии и режимам термообработки указывают отдельно. В ряде случаев оговаривают также процедуру испытания механических характеристик.

Если ориентироваться на советские ГОСТы, то весь спектр продукции подлежал финальному химическому оксидированию — получению стойких защитных пленок на поверхности металла. Они придавали сталям темный оттенок, из-за чего технология получила второе название — «воронение». В зависимости от режимов и метода оксидирования цвет колебался от грязно-бурого до «воронова крыла» с синеватым отливом.

Абсолютным лидером в станочном крепеже была и остается продукция с метрической резьбой. В оборудовании американского производства можно встретить изделия в дюймовой системе. Ее же применяют и в случаях, когда узел контактирует с жидкостной или газовой средой: профиль дюймовой резьбы обеспечивает герметичность при затяжке, и по виткам между болтом и гайкой не пройдет даже капля.

Особое внимание уделяют крепежу с трапецеидальной резьбой. Ее применяют, если соединение испытывает увеличенные силовые нагрузки, в том числе — с динамическим их изменением (нарастание, реверс), вибрацией и ударом. Витки трапецеидальной резьбы вместо треугольников имеют форму жесткой трапеции. Этим и объясняется их повышенная нагрузочная прочность.

Резьба формата «Tr» особенно актуальна для станочных приспособлений, где при зажатии заготовки нужна возможность гибкой регулировки усилия, а самим механизмом управляют вручную. Такую нарезку можно встретить на нажимных винтах, ходовых валах и осях.

Разновидности станочного крепежа

Болты для стола

Столы станков оснащены комплектом из Т-образных пазов. Они могут быть расположены как параллельно (в одном направлении), так и с пересечением (в двух направлениях). Такие пазы необходимы для закрепления на станке стола заготовки под обработку или какого-то приспособления.

Т-образная форма паза обеспечивает скрытое расположение болта с мощной головкой — резьбовой стержень при этом устремлен вверх, а после установки и фиксации заготовки на нем затягивают гайку. Изъятие болта со стола происходит двумя путями:

• выемка сдвижением до края стола;
• выемка поворотом, когда в одном из положений головка болта может свободно пройти через меньшее сечение Т-образного паза.

Такие изделия выпускают, опираясь на три стандарта:

• ГОСТ 12201 — цилиндрическая головка срезана двумя плоскими лысками и дополнена двумя скосами под 30 градусов;
• ГОСТ 13152 — болты с квадратной или прямоугольной головкой, меньший габарит которой совпадает с диаметром резьбовой части;
• ГОСТ 12459 — усиленные метизы с квадратной головкой.

Нужный типоразмер подбирают по ширине пазов на столе. Эта величина приходится на диапазон от 10 до 54 мм. Величина резьбы на крепеже обычно на 1..2 мм меньше ширины паза — этого достаточно, чтобы стержень свободно прошел вдоль стола, но не болтался при затяжке.

Болты изготавливают преимущественно из сталей 35 или 45. Их подвергают объемной закалке, и поверхностная твердость достигает параметров в 35..40 HRC. После термической обработки готовое изделие обязательно защищают от коррозии с помощью воронения.

Гайки под затяжку ключом

В конструкциях станков, станочных приспособлений и различной промышленной техники гайки, чья затяжка подразумевает использование специального слесарного инструмента, ставят в тех местах, которые затягивают единоразово, и они должны выдержать значительную нагрузку.

В этот список попадают изделия:

• ГОСТ 12203 — круглые шлицевые, глухого исполнения (от М8 до М48);
• ГОСТ 12461 — шестигранные высокие, с трапецеидальной резьбой (Tr 10...40);
• ГОСТ 12462 — шестигранные высокие, с опорной юбкой и трапецеидальной резьбой (Tr 10...40);
• ГОСТ 12460 — круглые, с деформирующей прорезью и отверстием под контрящий винт (от М12 до М100);
• ГОСТ 8918 — шестигранные с опорной юбкой (от М6 до М48).

Для затяжки таких гаек используют рожковые и накидные ключи, а также специальные приспособления. Крупногабаритные изделия допустимо затягивать с помощью одностороннего упорного воротка, который вставляют в отверстие на цилиндрической части гайки и сдвиговым усилием проворачивают крепеж на некоторый угол.

Подобные метизы стоят на ходовых и упорных узлах станков, в качестве фиксаторов и ограничителей перемещения. Их можно встретить в конструкции зажимных приспособлений переналаживаемого типа и в приспособлениях-спутниках (которые проходят весь цикл технологического процесса совместно с заготовкой).

Гайки производят из сталей 45 или 40Х, а также близких по механическим характеристикам. После горячей штамповки, высадки и нарезки резьбы изделия калят до уровня 32..40 HRC, а затем — воронят или оцинковывают.

Гайки под ручную затяжку

Метизы, которые можно затянуть вручную, нужны на тех местах, с которыми приходится постоянно контактировать человеку в процессе ежедневной работы или регулярного обслуживания станка. Чтобы постоянно не хвататься за слесарный инструмент, такие гайки оснащаются дополнительными поверхностями под рукоятку, вороток или маховик.

Это продукция по стандартам:

• ГОСТ 14728 — штурвальные (от М12 до М30);
• ГОСТ 13426 — со сквозной установкой воротка (от М6 до М30);
• ГОСТ 3385 — крыльчатые (от М5 до М12);
• ГОСТ 8921 — с откидной рукоятью на шарнире (от М6 до М20).

Гайки малых габаритов удобно поворачивать пальцами. Для крупных изделий закладывают рукоятки с большим вылетом — чтобы за счет увеличенного крутящего момента компенсировать высокие усилия на затяжке резьбы.

Зачастую специализированный крепеж такого рода имеет сборное исполнение:

• непосредственно саму гайку — втулку с резьбовым отверстием — штампуют и калят до 30...35 HRC. Именно эта деталь воспринимает рабочую нагрузку, поэтому к ней относятся наиболее ответственно;
• шарнирная рукоять предусматривает ручку на оси, вставленной в поперечное отверстие на вершине гайки. А для удержания ручки в нужном положении в узел закладывают тарельчатую пружину;
• штурвальная рукоять состоит из четырех или шести цилиндрических ручек, установленных радиально относительно базовой гайки. Их закручивают по резьбе и дополнительно заливают клеем;
• гладкий вороток скользит по отверстию в гайке, чтобы его положение можно было скорректировать относительно угла поворота. От выпадения эту деталь страхуют увеличенными концами (чаще всего расплющенными или с какой-либо насадкой).

Гайки под ручную затяжку в особенности нуждаются в специальной защите от коррозии и отдельной доработке поверхностей — ведь их будут постоянно касаться люди. Чаще всего это воронение или оцинкование с последующей полировкой.

Нажимные винты

В определенных случаях резьбовой стержень превращается в силовой орган, за счет затяжки и сопутствующего осевого перемещения упираясь в иную деталь и перенося на нее часть нагрузки. Подобная схема актуальна для зажимных узлов, где фиксируют от взаимного сдвига две плоские части.

Стандартные нажимные винты выпускают в нескольких типах:

• ГОСТ 13429 — со сферическим наконечником и шлицем под отвертку (от М3 до М36);
• ГОСТ 14731 — с рифленой головкой под ручное закручивание и плоской пяткой (от М3 до М12);
• ГОСТ 13433 — со сферическим наконечником и отверстием под вороток в головке (от М6 до М48, Tr 16...50);
• ГОСТ 13432 — с отверстием под вороток и плоской пяткой (от М6 до М48, Tr 16...50);
• ГОСТ 12463 — с ручкой-звездочкой из металла или пластика (от М6 до М12);
• ГОСТ 13431 — со сферическим наконечником и ручкой-воротком (от М6 до М48, Tr 16...50);
• ГОСТ 13428 — с плоской пяткой и шлицем под отвертку (от М5 до М36);
• ГОСТ 13434 — с шестигранной головкой и плоской пяткой (от М6 до М48, Tr 16...50);
• ГОСТ 13435 — с шестигранной головкой и утолщенной пяткой (от М6 до М48, Tr 16...50);
• ГОСТ 9051 — с внутренним шестигранником (от М6 до М30).

Поскольку такие винты напрямую испытывают сжимающие нагрузки при соприкосновении и силовом воздействии на поверхность детали, их изготавливают из конструкционных и легированных сталей и калят до уровня 33..40 HRC.

При этом очень внимательно относятся к точности исполнения резьбовой части: если в процессе задавливания винт будет клинить в резьбовом гнезде, весь узел быстро выйдет из строя.

Винты для пружин

Очень интересный тип специализированного крепежа, который можно часто встретить в конструкции различного механического оборудования — это винты, необходимые для фиксации пружин.

В эту категорию входят:

• ГОСТ 12199 — для установки пружин растяжения. На стержне выполнена специальная канавка, за которую зацепляют крайний виток пружины, а сам винт вкручивают по резьбе, удерживая за лыски на головке;
• ГОСТ 12200 — то же самое, но со шлицем под отвертку;
• ГОСТ 9052 — ступенчатое изделие, где промежуточная гладкая часть между головкой и резьбовым хвостовиком служит осью-опорой для установки пружины сжатия (витой спиральной или пакета тарельчатых).

Непосредственно особой нагрузки такой крепеж не испытывает. Винт под пружину растяжения воспринимает сдвиговые напряжения, когда сама пружина «тянет» его в сторону, перпендикулярную оси. Винт-опора под пружину сжатия ощущает лишь минимальный сдвиг, если узел перекашивает.

Для производства таких винтов закладывают среднеуглеродистые стали — марки 35 и 45, в редких случаях 40Х или 40Г2. Их объемно калят, добиваясь поверхностной твердости около 32..37 HRC, а ступень под пружину шлифуют с чистотой Ra 1,6 мкм.

Комплекты для валов

Сборка ступеней механических передач подразумевает монтаж на несущий вал какого-то набора деталей.

Главное место занимают отдельные шестерни или целые блоки зубчатых колес, шкивы под ремень или звездочка под цепь, фрикционные ролики. Для достижения ими нужной осевой позиции задействуют промежуточные и дистанционные втулки. Сам вал устанавливают на двух или одной подшипниковой опоре (консольное закрепление) и закрывают глухими или сквозными крышками.

Для фиксации нижних колец подшипников на ступенях вала часто используют схему, при которой в кольцо с наружной стороны упирается гайка, посаженная на следующую резьбовую ступень, меньшую по размеру. В этом случае применяют комплект из двух крепежных элементов:

• шлицевая круглая гайка по ГОСТ 11871, с фаской под 30 градусов с одной стороны;
• многолапчатая плоская шайба по ГОСТ 11872.

Шайбу размещают под гайкой и отгибают ее лапы-усики на фаску последней. В случае самопроизвольного проворота гайки по резьбе острые кромки усиков врезаются в поверхность и стопорят соединение. Также один из усов отжимают таким образом, чтобы он оказался внутри шлицевого паза на гайке.

Если отдельные элементы сборки расположены на гладкой ступени вала по посадке с зазором и не сжаты в осевом направлении иными деталями-фиксаторами, то для ограничения хода используют в том числе пружинные кольца.

Их делят на две категории:

• концентрические — наружные (ГОСТ 13940) и внутренние (ГОСТ 13941), без «ушек»;
• эксцентрические — наружные (ГОСТ 13942) и внутренние (ГОСТ 13943), с «ушками».

В зависимости от метода установки, крепеж размещают либо в корпусе (крышке, стакане), либо на валу. В обоих случаях заранее готовят специальную канавку, в которой пружинное кольцо не будет перекашиваться или шататься.

Особенно актуальна подобная схема для узлов малых габаритов, где каждая лишняя гайка — непозволительная роскошь. Плоские разжимные шайбы усаживают в канавку, тем самым исключая возможность продольного перемещения деталей, посаженных на валу или оси.

Фиксирующий крепеж

Часто, если две собранные детали обладают некоторой подвижностью относительно друг друга, и это взаимное движение следует ограничить полностью, в конструкцию узла закладывают гужон или установочный винт.

Крепеж такого типа подразумевает, что в двух совмещенных деталях сверлят одно общее отверстие с резьбой и в него вкручивают стержень. Причем конструкция последнего предполагает полное погружение в тело узла, без выступающих частей.

В станках и промышленном оборудовании это реализуют двумя путями:

• с помощью гужонов — для неразборных соединений (если понадобится разборка, гужон придется высверливать);
• с помощью установочных винтов — для разборных соединений (при необходимости винт легко можно изъять наружу).

Гужоны для машиностроения и станкостроительной отрасли выпускают по ГОСТ 21249. Общий ассортимент продукции включает изделия с размером резьбы от М8 до М42, различной длины. Предусмотрено два конструктивных исполнения:

• с потайной головкой (одноконусная опорная часть);
• с полупотайной головкой (двухконусная опорная часть).

Под затяжку на гужоне заложена мощная квадратная головка. Как только крепеж установят по месту расположения — ее срезают болгаркой по линии опорной части. После этого изъять гужон из отверстия уже нельзя.

Иначе обстоят дела с установочными винтами. Они представляют собой короткий стержень, по всей наружной поверхности которого идет метрическая резьба.

Общий спектр установочных винтов можно разделить по конструктивным особенностям поверхности под ключ:

• с шестигранным углублением;
• с прямым шлицем;
• с шестигранной головкой;
• с квадратной головкой.

При этом конец, которым винт уходит вовнутрь резьбового отверстия и может упираться в одну из деталей, также бывает разным:

• плоский;
• заостренный конус;
• цилиндрическая короткая пятка;
• засверленный.

Гужоны и установочные винты редко делают калеными, поскольку они не рассчитаны на высокие нагрузки. Для их производства используют стали марок 20, 25, 35. После холодной высадки продукцию обязательно воронят, фосфатируют или наносят гальваническое покрытие — цинк или никель.

Заключение

Станкостроительную отрасль можно полушутя назвать сердцем машиностроения и истоком жизненных сил всей современной промышленности. Без механического оборудования и специализированных станков невозможно представить себе ни одну отрасль хозяйства — будь то хоть сборка микрочипов, хоть пошивка зимних пуховиков, хоть возделывание полей.

Крепеж, который конструктора закладывают для сборки таких машин, отличается широким разнообразием конструкций, размеров и функций. В зависимости от назначения, для него нужно предусмотреть возможность как сборки с помощью инструмента, так и ручную затяжку. И при этом — не забыть о действующих эксплуатационных нагрузках, держа в памяти риск возникновения вибраций и ударов.

Станочный крепеж — это квинтэссенция всего метизного мира. Область, где на каждый крошечный элемент воздействуют десятки внешних сил и условий, а от прочности одного-единственного винта может зависеть судьба целого цеха.