Выбираем крепеж для пластика и композитов
Несколько наивно полагать, что область применения крепежа оканчивается на металле, дереве и камне. Фиксация узлов и конструкций при помощи разнообразных метизов затрагивает практически любую сферу: специфические болты, штифты и заклепки можно встретить на изделиях из неметаллического сырья и даже внутри живых организмов.
Наше время стало временем пластика — он окружает человека со всех сторон, как в быту, так и в промышленности. В команду к пластикам позже пришли уникальные композиты, сочетающие в себе качества двух совершенно разнородных по своей природе основ. И, используя что-то новое в своей деятельности, применяются те же подходы относительно крепежа, что и при работе с металлом и деревом.
Чтобы фиксировать и затягивать узлы из пластика и композита, вам понадобятся метизы с уникальными чертами — специально адаптированные под установку на детали низкой прочности и высокой хрупкости. Слесарям-сборщикам, много лет отработавшим на монтаже металлических конструкций или возведении деревянных построек, понадобится время, чтобы привыкнуть к работе с подобными материалами, но в итоге всё сводится к тому, что изучение крепежных секретов не заканчивается никогда, и даже самый примитивный болт может удивить.
Типы пластиков и композитных материалов
Неметаллические материалы обладают меньшей прочностью, нежели любой металл. Они уступают в нагрузочных характеристиках и самой распространенной в промышленности углеродистой стали, и водостойкой латуни, и даже легким алюминиевым сплавам. Но взамен неметаллы демонстрируют некоторые уникальные преимущества. Это может быть немагнитность или радиопроницаемость, стойкость к кислотам и щелочам, огнестойкость и негорючесть, низкий коэффициент трения и др.
В список наиболее ходовых неметаллических материалов попадают: текстолит, стекло, резина, асбест, паронит, фторопласт, фанера и ДСП. Изделия из них можно встретить в составе редуктора, насоса, компрессора и иных, на первый взгляд совершенно «железных» агрегатов и машин.
Огромную группу неметаллов представляют пластики. Их правильное название — пластмассы и полимеры, а ключевые термины и определения такой продукции в СССР и России регламентировал ГОСТ 24888-81.
В качестве конструкционных материалов используют:
- термопласты — пластики, размягчающиеся при нагреве и отвердевающие при охлаждении;
- реактопласты — после технологического отверждения уже не плавятся под нагревом, удерживая достигнутую форму;
- газонаполненные пластмассы — вспененные за счет специальных средств, в микрополостях которых содержатся пузырьки воздуха;
- эластомеры — с повышенной гибкостью, используемые при производстве изоляции для кабельных проводников.
В список самых распространенных видов полимеров попадают:
- полиуретан;
- полиэтилен;
- полипропилен;
- полиамид;
- поливинилхлорид (ПВХ).
Подобные материалы за счет своих специфических свойств (коррозионная стойкость, легкость) находят применение:
- в химическом и пищевом производстве — в качестве емкостей под различные технологические среды и продукты питания;
- в гальванике — при изготовлении гальванических ванн;
- в машиностроении — для выпуска лопаток и крыльчаток насосного оборудования.
На какие характеристики пластиков обращают внимание при подборе разновидности и марки материала;
- величина предела прочности при сжатии и растяжении;
- степень ударопрочности;
- термическая стойкость;
- коррозионная стойкость (в том числе к воде, кислотам, щелочам, солевым растворам);
- химическая инертность;
- пожаробезопасность;
- технологичность в обработке (простота формообразования);
- возможность сваривания и склеивания.
При работе с пластмассами промышленники используют литье, экструзию, прессование, механическую лезвийную обработку. В последнем случае приходится быть аккуратным, применять специальный инструмент и корректировать режимы резания, хотя общий подход в воздействиях наследуется из обработки металлов — то же самое точение, сверление, фрезерование.
Композиты — это материалы следующего поколения. Их слоистая структура подразумевает неразделимую сумму двух разнородных тел, которые вместе способны реализовать умножение своих исходных свойств. Название указывает на составление некоторой «композиции» из двух и более основ.
Сегодня наиболее распространенными композитными материалами нужно назвать:
- стеклопластик, представляющий собой стеклянное или кварцевое волокно, скрепленное полимером. Он значительно легче стали (в 3,5...5 раз), пропускает свет и радиосигналы. Из недостатков — подвержен влагонасыщению, а также фрикционному и абразивному изнашиванию. Применяется в производстве танковой брони, строительной арматуры, в корпусах ракетных двигателей, радиопрозрачных куполах и обтекателей для антенн. Известно также о выпуске труб из стеклопластика — для специальных трубопроводов;
- углепластик, полученный укладкой углеродного волокна на полимерную матрицу. Иногда этот материал называют «карбоном». Он обладает значительной удельной прочностью, но плохо переносит ударную нагрузку. Способен сопротивляться агрессивным коррозионным средам и демонстрирует низкий коэффициент трения. Углепластик всё чаще можно встретить в машиностроении при изготовления механических передач, в автомобилестроении и судостроении, на сборке нагревательных элементов и промышленной электроники;
- органопластик, состоящий из органических волокон на полимерной матрице. Сегодня известны уже два поколения таких материалов, и ученые продолжают вести работу над следующими, заявляя о высокой перспективе. Органопластик — это эффективный диэлектрик, обладающий свойствами теплоизолятора и радиопрозрачностью. Он способен эффективно демпфировать вибрацию и сопротивляться фрикционному износу. Этот материал применяют в авиации для производства корпусов вентиляторов, а также для сборки звукопоглощающих конструкций, выпуска электронных плат и тихоходных подшипников скольжения.
Оценивая пластики и композиты с позиции проектирования узлов и выбора типов соединений, конструктора в первую очередь обращают внимание на механические характеристики: предел прочности и предел текучести при растяжении, ударную вязкость, относительное удлинение перед разрывом. Эти показатели помогают инженеру понять, выдержит ли деталь затяжку на болтах и гайках, получится ли выполнить резьбовое отверстие в теле изделия под установку винта, будет ли успешным монтаж на саморезах или эта операция попросту расколет основание.
Особенности крепежа для пластика
При сборке пластмассовых деталей часто используют:
- болты с гайками;
- цилиндрические штифты;
- винты;
- шурупы.
Очень часто крепеж в этих случаях тоже делают из пластика. Тем самым исключают риск, что более прочный металл разрежет основание или окажет деформирующее воздействие, превышающее предел прочности полимера. На рынке можно найти преимущественно метизы из капрона или нейлона, реже — полипропилена и поликарбоната. Шурупы же делают исключительно стальными — и этот пример часто можно видеть на корпусных частях бытовой техники.
При работе с пластиковыми изделиями резьбу в резьбовых гнездах нарезают с увеличенным шагом витков. Такая мера призвана обеспечить минимальную концентрацию напряжений и, как следствие, избежать раскрашивания материала. Головки же метизов стараются спрятать впотай, убирая ниже уровня поверхности детали в заранее выполненные углубления. При этом обязательно учитывают толщину стенки до отверстия — иначе можно получить обламывание полимера при стяжке.
Следует понимать, что из-за сравнительно низкой стартовой прочности резьбовые витки на пластиковых болтах быстро изнашиваются. Поэтому для узлов, часто подверженных сборке-разборке, такой крепеж стараются не применять. Оптимальная альтернатива — соединение «болт-гайка» или винт по запрессованной в пластике резьбовой втулке. В обоих случаях можно уже смело использовать металлические элементы. Подобный подход часто реализуют в отношении автомобильного крепежа внутри салона.
Важной особенностью проектирования узлов из пластмассовых деталей становится учет интенсивного теплового расширения под нагревом. Традиционно в стальных изделиях зазор между болтом и отверстием составляет 1...2 мм. Для пластиковых компонентов то же самое соединение потребует уже 3...4 мм.
Неразъемные узлы собирают с применением клеев, сварки и пайки, причем первый метод приобрел лидерство на рынке. Чтобы склеить пластик не нужен предварительный или сопутствующий нагрев, а также деформация стягиванием — только нанесение клея. При этом используют составы, максимально близкие по своему химическому составу к материалу соединяемых деталей.
Склеивание пластика подразумевает ряд последовательных этапов:
- очистка поверхности;
- нанесение клея и выдержка до активации;
- зажим под нагрузкой;
- термическая обработка или технологическая выдержка;
- контроль качества шва.
Иногда возникает ситуация, при которой какой-то узел следует крепить относительно несущего пластикового основания. В этом случае используют схемы с применением дюбельных или анкерных посадок. Но особенности полимерных материалов требуют и особенного подхода к подбору крепежа. Задействуют:
- дюбели с гильзами и шпильками из пластика;
- самоустанавливающиеся анкеры (складные пружинные, с раскрытием опор в две и более стороны и щадящим переносом нагрузки на основание);
- анкеры-молли (с упругим раскрытием гайки в радиальном направлении, чем увеличивается торцевой контакт по опорной поверхности и снижается суммарное давление).
Любой пластик очень плохо переносит ударные нагрузки. Простая забивка дюбеля «в стену» по аналогии со строительной сферой плохо закончится для пластмассовой основы. Поэтому приходится изобретать иные варианты.
Особенности крепежа для композитных материалов
Едва ли не главное ограничение повсеместного распространения композитов — это ограниченность технологических возможностей по их обработке. Материалы со сложной слоисто-волокнистой структурой тяжело обрабатывать лезвийным инструментом, что в значительной мере затрудняет их сверление, точение, фрезерование и иное формообразование. В том числе усложняется и подготовка посадочных мест под классический резьбовой крепеж.
При попытке просверлить отверстие и нарезать в нем резьбу в процессе монтажа композиты скалываются, расслаиваются, выкрашиваются. Поэтому делают только максимально простые гладкие сквозные отверстия и пазы. При этом учитывают, что инструмент очень быстро тупится, меняется распределение нагрузок в зоне резания и теряется точность размеров. Для болтовых соединений это не столь существенно, тогда как посадка винта или самореза теряет свой смысл.
Оптимальным выходом в отношении крепления композитных панелей на самолетной и ракетно-космической технике стало применение заклепочных соединений. Именно заклепки позволяют реализовать прочную посадку при минимальном разрушающем воздействии на композит. Позже эта технология ушла в фасадные системы в строительстве.
Одним из альтернативных решений крепежа будет внедрение в тело композита металлических вставок. Это относительно новая разработка, при которой на процессе формирования композитной детали в нее замоноличивают выступающий резьбовой стержень, головка которого остается своеобразным якорем.
Чаще всего композитные конструкции проектируют для эксплуатации в условиях активных термических и коррозионных нагрузок. Соответственно, крепеж, заложенный в узлах, должен быть способен справиться с такими воздействиями, не теряя своей прочности и надежности. Поэтому наиболее популярны метизы из нержавейки, латуни или легированной стали с защитным покрытием (никель, хром, многослойные и керамические составы). В ряде случаев применяют соединительные профили, клипсы и прихваты из алюминия с анодирование поверхностей.
Для посадки в композитное основание также используют специальный крепеж:
- стальные резьбовые заклепки с упором в торцы и щадящим переносом стягивающей нагрузки;
- самонарезающие резьбовые втулки, устанавливаемые в тело единожды и подходящие для деталей с массивной конструкцией (чтобы избежать раскалывания и расслоения);
- резьбовые вставки с продольными наружными шипами, которые садят в гладкое отверстие запрессовкой.
Развитие композитных материалов для промышленности и бытовой сферы продолжается. А значит — продолжается и исследование их свойств, и поиск новых решений для скрепления деталей из них.
Критерии выбора крепежа
- Надежность стяжки соединения и картина восприятия эксплуатационных нагрузок. Это стартовые понятия, от которых следует отталкиваться при выборе крепежа. Помимо основного сдвигового или растягивающего усилия учитывают вибрационные воздействия, возможный крутящий момент, смену циклов нагрева и охлаждения, а также влияние иных активных факторов.
- Прочность материалов деталей узла и возможности их технологической подготовки. Стянув узел, важно не разрушить сами компоненты сборки. От свойств материалов, из которых они изготовлены, также будет зависеть возможность выполнения сквозных или глухих отверстий под посадку крепежа, гладких или резьбовых гнезд, пазов под утопление головок метизов впотай.
- Технологичность монтажа. Помимо идеальной схемы фиксации в процессе работы, узел должен быть удобен для самой сборки и возможной последующей разборки. Это значит, что предпочтение отдают крепежу, для установки и затяжки которого не понадобятся специальные приспособления и зависание слесаря буквально «на голове», достаточно обычного инструмента.
- Устойчивость к коррозии. Текущие рекомендации таковы, что абсолютно во всех случаях нужно использовать метизы, устойчивые к агрессивным средам. Это значит, что либо коррозионностойкий крепеж будет сам по себе изготовлен из материала, не реагирующего на контакт с внешней средой (пластик, латунь, нержавейка), либо на его поверхности будет присутствовать специальное защитное покрытие (оксидная или фосфатная пленка, цинк, хром, никель, кадмий, керамика).
- Эстетика. Немаловажным моментом при проектировании самых разных конструкций и машин становятся вопросы некоторой декоративности метизов. Метизы не должны портить общий дизайн, что особенно актуально для бытовой техники, которая собрана как раз таки на пластиковых корпусах. Поэтому зачастую предпочтение отдают скрытым крепежным элементам с установкой впотай и полупотай.
Ошибки при выборе крепежа
- Бездумно переносить технические решения из сборки металлических конструкций. В отношении пластика и композитов на его основе нужно наследовать ключевые принципы расстановки крепежа, но в обязательном порядке — корректировать их, добиваясь соответствия новым материалам, более мягким и хрупким. Чаще всего это означает снижение моментов затяжки и более щадящее распределение рабочей нагрузки относительно опорных поверхностей деталей.
- Не учитывать особенности соединяемых деталей. В сферах, где используют композиты и пластмассы, подавляющее большинство форм получены литьем или прессованием. В этом их ключевое отличие от металлических изделий, где отверстие под болт элементарно сверлится. Вольная замена крепежа по типу или размерам в уже имеющемся узле из неметаллических материалов может закончиться раскалыванием основы или ее выкрашиванием по кромкам. Здесь лучшим вариантом будет скрупулезно увязывать подбор метизов либо с уже имеющимися посадочными местами под них, либо на стадии проектирования эти места заранее закладывать.
- Вести затяжку на глаз. Неответственные узлы в машиностроении затягивают от руки, редко используя динамометрические ключи. В отношении пластиков и особенно композитов это уже сложнее, поскольку даже небольшое превышение рекомендуемого значения затяжки может привести к деформации и разрушению материала. Поэтому промышленную сборку конструкций либо ведут строго с динамометрическими ключами, либо с какими-либо механическими ограничителями и демпферами нагрузки. При ручном монтаже советуют быть максимально осторожными — не передавить, но и не оставить соединение «болтаться».
- Не учитывать тепловое расширение. Важный момент, зависящий от характерных особенностей полимерных материалов. Пластик и композиты реагируют на тепло куда более активно, чем металлы, поэтому под установку крепежа с зазорами оставляют куда больше пространства для свободного хода. Пренебречь этим — значит заведомо поставить узел в куда более уязвимое положение при эксплуатации.
Инструменты для установки крепежа
Для установки болтов, винтов и гаек на неметаллических деталях, монтажа навесных конструкций (например, вентилируемых и светопрозрачных фасадов), крепления композитных панелей и сэндвич-панелей относительно каркаса используют тот же набор инструмента для затяжки крепежа, что и в традиционном машиностроении. Условно его можно разделить на три больших категории:
- ручной слесарный — ключи (торцовые, рожковые, разводные, накидные), отвертки, заклепочники, молотки;
- механизированный — шуруповерты, гайковерты, пневматические заклепочники, пневмомолотки, миниатюрные гидравлические пресса;
- автоматизированные устройства — головки на сборочных линиях (когда сборка происходит на конвейере или роторе без присутствия человека).
Если речь идет о работе с крепежом из пластика, то часто применяют инструмент с накладными губками — их выполняют из более мягкого материала, чем основное тело, и с увеличенной поверхностью контакта. Это позволяет распределить рабочее усилие на большую площадь и, соответственно, снизить давление, а тем самым — уменьшить риск деформации головки при затяжке. Тот же принцип в отношении металлических метизов дает возможность уберечь верхние слои защитного покрытия от разрушения при контакте с инструментом.
Заключение
На первый взгляд работа с пластиком может показаться куда менее «серьезной», чем область, где применяют исключительно металл. Но это ложное впечатление, ведь в отношении пластмасс и полимеров придется учесть немало нюансов, в значительной степени усложняющих как процесс изготовления деталей, так и финальную сборку узлов.
В этот список попадают и вопросы крепежа. Для пластика и композита применяют те же решения, что и для изделий из стали или алюминия, но вносят определенного рода коррективы, связанные с особенностями материала. В первую очередь это щадящее приложение нагрузки и корректировка силовых параметров затяжки.
Если вам придется столкнуться с расстановкой болтов или резьбовых шпилек по пластиковым и композитным деталям, понадобится глубоко вникнуть в механику работы таких неметаллических материалов. Но, заручившись новыми знаниями, вы сможете решать такие сложные задачи с легкостью.