Заклепочные гайки
Заклепочная гайка (рис. 1) представляет собой тонкостенную резьбовую втулку с головкой. Втулка устанавливается в отверстие листовой детали и в нее вкручивается хвостовик инструмента (рис. 2). После этого хвостовик инструмента перемещается вдоль оси резьбы. Под действием осевого усилия деформируется тело втулки и формируется замыкающая головка, лист притягивается к голове заклепочной гайки, а стенки втулки расплющиваются до выбора зазора и плотного прилегания втулки к стенкам отверстия. После этого инструмент выкручивается из заклепочной гайки. Процесс осаживания втулки аналогичен клепке. В результате получается приклепанная к листу резьбовая втулка.
Рис. 1 Заклепочная гайка
Рис. 2 Установка заклепочной гайки
Схожую с заклепочными гайками (рис. 1) функцию выполняют приварные, развальцовываемые и клепальные гайки (рис. 6). Сравним эти виды крепежа. Прежде всего, к достоинствам заклепочных гаек следует отнести возможность создания резьбового соединения при одностороннем подходе к месту крепления. Например, заклепочные гайки можно устанавливать в закрытых профилях: квадратных и прямоугольных трубах, приварных швеллерах и др. Глухие заклепочные гайки дают возможность создавать герметичные узлы. К недостаткам заклепочных гаек следует отнести выступание головки над поверхностью листов, большую стоимость и необходимость более точного изготовления отверстия.
По сравнению с приварными гайками при установке заклепочных гаек отсутствует термическое воздействие, а, следовательно, и поводки металла. Заклепочные гайки имеют антикоррозийное покрытие, а приварные гайки чаще всего не имеют покрытия. Это связано с тем, что при приварке гаек с покрытием выделяются вредные для здоровья вещества.
Головка заклепочных гаек может быть плоской (рис. 3, а), потайной (рис. 3, б) и уменьшенной потайной (рис. 3, в). Плоская форма головки наиболее простая и распространенная. Отверстие под заклепочную гайку с плоской головкой не требует зенковки. Однако, полный контакт между соединяемыми деталями (зазор V на рис. 3) возможен только при принятии конструктивных мер по обходу головки (например, подштамповке листа).
а) плоская
б) потайная
в) потайная уменьшенная
г) податливые листы
Рис. 3 Головки заклепочных гаек
Применение заклепочных гаек с потайной головкой (рис. 3, б) позволяет уменьшить величину зазора V между соединяемыми деталями, но требует зенковки отверстия. Однако, производители рекомендуют обеспечить контакт головки с накладываемой деталью (зазор V>0).
Применение гаек с потайной уменьшенной головкой (рис. 3, в) не требует зенковки отверстия при минимальном зазоре V. Для полного устранения зазора V необходима зенковка или подштамповка. При стяжке податливых листов выборка зазора произойдет при затяжке (рис. 3, г). Однако, эту форму головки нельзя применять при неточно (свыше поля допуска) выполненном отверстии; при установке в мягкие материалы; при действии опрокидывающего момента от крепежного винта.
Заклепочные гайки по форме стержня делятся на цилиндрические (рис. 4, а), цилиндрические с насечкой (рис. 4, б) и шестигранные (рис. 4, в). Цилиндрический стержень наиболее распространен, т.к. получить гладкое цилиндрическое отверстие легче всего. Производители рекомендуют использовать не гладкий стержень, а с насечкой (рис. 4, б). При осадке рифли врезаются в стенки посадочного отверстия и крутящий момент срыва увеличивается. Для мягких материалов (пластики, алюминий) применение гаек с насечкой обязательно.
а) гладкий цилиндрический
б) цилиндрический с насечкой
в) шестигранный
г) глухой
Рис. 4 Стержни заклепочных гаек
Для особо ответственных узлов рекомендуется применять заклепочные гайки с шестигранным стрежнем (рис. 4, в), устанавливаемые в шестигранные отверстия. Такие гайки наиболее устойчивы к провороту. Недостаток такого решения очевиден — получить шестигранное отверстие гораздо сложнее, чем цилиндрическое.
Наибольшее распространение имеют гайки с открытым концом (рис. 4, а-в). На рис. 4, г представлена заклепочная гайка с глухим концом. Такая гайка позволяет крепиться к стенкам герметичных сосудов (баки, ресиверы и т.д.) При применении таких гаек следует обращать внимание на отсутствие упирания конца винта в дно гайки.
Производители предлагают заклепочные гайки из стали, нержавеющей стали, алюминия и латуни. Размеры гаек — от М4 до М14. Как правило, гайки поставляются с антикоррозионным покрытием (цинковое хроматированное). Поле допуска резьбы — 6H. Толщина листа 0,5…11 мм.
Важным параметром для крепежных изделий является допускаемый момент затяжки. Для заклепочных гаек из стали и нержавеющей стали момент затяжки соответствует моментам затяжки болтов класса прочности 8.8. Алюминиевые и латунные заклепочные гайки имеют меньший допустимый момент затяжки. При действии осевой силы на гайку необходимо проверить допускаемое усилие отрыва гайки. Примерные значения допускаемых нагрузок приведены в таблице 1.
Таблица 1 Допускаемые нагрузки на заклепочные гайки
В каталогах производителей приведены необходимые диаметры и размеры отверстий под заклепочные гайки. Чаще всего допуск отверстия ограничивается 0…+0,1 мм. Это соответствует 11 – 12 квалитету точности. При больших допусках необходимо проконсультироваться с производителем. Увеличение диаметра отверстия может быть скомпенсировано большей осадкой стержня. Величина осадки регулируется инструментом, который предлагают большинство производителей этого вида крепежа.
Принцип крепления, аналогичный заклепочным гайкам, имеют и заклепочные шпильки (рис. 5). Существуют заклепочные шпильки с крупной резьбой для пластмасс (рис. 5, а); цилиндрические с потайной головкой и насечкой (рис. 5, б); цилиндрические с увеличенной головкой (рис. 5, в); с шестигранной головкой (рис. 5, г).
а) для пластмасс
б) цилиндрический с потайной головкой и насечкой
в) с увеличенной головкой
г) с шестигранной головкой
Рис. 5 Заклепочные шпильки
Клепальные гайки
Клепальная гайка (рис. 6, а) представляет собой резьбовую втулку, имеющую головку и клепальный стержень. На торце головки выполнена зубчатая насечка, а наружная поверхность стержня имеет форму обратного конуса. Гайка свободно устанавливается в отверстие листового металла (рис. 6, б), затем к головке гайки прикладывают осевое усилие от плоского пуансона. Лист при этом лежит на плоской наковальне. При приложении усилия зубчатая насечка головки врезается в металл, а металл листа в холодном состоянии затекает под обратный конус стержня. Образуется неразъемное соединение расклепываемой гайки и листа.
а) конструкция гайки
б) исходная установка
в) расклепывание
Рис. 6 Клепальная гайка
Клепальные гайки по сравнению с заклепочными гайками не имеют выступающей над поверхностью листа головки, что упрощает конструкцию места крепления. Производительность установки клепальных гаек выше, чем у заклепочных и приварных. К недостаткам следует отнести меньшее допускаемое усилие отрыва, высокие требования к точности посадочного отверстия и необходимость применения прессового оборудования. Естественно, необходим двухсторонний подход к месту установки. При установке клепальных гаек существует ограничение по минимальной толщине листа для каждого размера резьбы.
Клепальные гайки имеют различные варианты исполнения (рис. 7). Наиболее распространены цилиндрические гайки (рис. 7, а). Существует вариант уменьшенного размера с функцией стопорения деформированными витками и без них (рис. 7, б). Для установки в герметичные конструкции предлагаются глухие клепальные гайки (рис. 7, в). При групповой установке рекомендуется применять плавающие гайки (рис. 7, г). Их применение снижает требования к позиционным допускам крепежных отверстий (смещение до 0,8 мм). Гайки с нейлоновой вставкой (рис. 7, д) являются самоконтрящимися.
а) цилиндрическая
б) уменьшенная самоконтрящаяся
в) глухая
г) плавающая
д) самоконтрящаяся
Рис. 7 Виды клепальных гаек
На рынке предлагаются клепальные гайки из стали, нержавеющей стали и алюминия. Диаметр резьбы гаек — от М4 до М10. Чаще всего, гайки имеют защитное покрытие (цинковое хроматированное). Поле допуска резьбы — 6H.
Допускаемые моменты затяжек у клепальных гаек из стали близки (меньше для отдельных размеров!) к соответствующим моментам затяжки болтов класса прочности 8.8. Примерные значения допускаемых нагрузок приведены в таблице 2. После выбора производителя необходимо проверить вашу конструкцию на прочность.
Таблица 2 Допускаемые нагрузки на клепальные гайки
Требования к точности изготовления посадочного отверстия у клепальных гаек выше, чем для заклепочных гаек. Так, рекомендуемый допуск отверстия 0…+0,08 мм. Это приблизительно соответствует 11 квалитету точности.
Принцип крепления к листу клепальных гаек положен в основу целой гаммы крепежных элементов. На рис. 8 представлены: клепальные шпильки (рис. 8, а); резьбовые дистанционные втулки (рис. 8, б); угловые резьбовые кронштейны (рис. 8, в); скобы для нейлоновых хомутов (рис. 8, г); цанговые втулки (рис. 8, д); штифты (рис. 8, е).
а) шпилька
б) дистанционная втулка
в) угловой кронштейн
г) скобы для хомутов
д) цанговые втулки
е) штифты
Рис. 8 Виды клепального крепежа
Стержневые заклепки
Заклепочные соединения имеют широкое распространение. Одним из видов заклепок являются стержневые заклепки для односторонней клепки, изображенные на рис. 9. Заклепка представляет собой полую втулку с закладной головкой, внутри которой установлен вытяжной стержень с грибовидной шляпкой. На теле стрежня вблизи шляпки сформирован концентратор напряжений.
Рис. 9 Стержневая заклепка
Заклепку устанавливают в отверстие (рис. 10, а), а хвостовик стержня захватывается инструментом. Шток инструмента перемещается в осевом направлении, вытягивая стержень. При этом деформируется стенки втулки, и она осаживается в отверстии (рис. 10, б). Шляпка стержня формирует замыкающую головку заклепки и самозамыкается в ней (рис. 10, в). После образования замыкающей головки сопротивление вытяжке резко возрастает, и стрежень разрывается по тонкому месту. Шляпка стрежня остается в головке.
а) исходное состояние
б) осадка стержня
в) формирование головки
Рис. 10 Установка стержневой заклепки
Для установки обычной заклепки необходимо подвести клепальный инструмент с двух сторон. Стержневая заклепка устанавливается и замыкается с одной стороны. Это позволяет устанавливать их в замкнутых полостях, а также может упростить конструкцию узла в целом. Стержневые заклепки позволяют склепать одним типоразмером разные толщины листов. Производительность клепки стержневых заклепок выше, чем обычных. К недостаткам следует необходимость применения специального инструмента, большую стоимость и образование отходов (оборванные стержни).
Стержневые заклепки стандартизованы. До 2000 г. действовал единый стандарт на вытяжные заклепки — DIN 7337. Некоторые производители и сейчас дают ссылку на него. В настоящее время действует комплекс стандартов EN ISO: 14588, 14589, 15975, 15976, 15977, 15978, 15979, 15980, 15981, 15982, 15983, 15984, 16582, 16583.
Стержневые заклепки различаются формой закладной головки (рис. 11). Изготавливают заклепки с плоской круглой головкой (рис. 11, а); увеличенной плоской круглой головкой (рис. 11, б); плоской круглой большой головкой; потайной головкой (рис. 11, г). Согласно стандарту плоская круглая головка — форма A, а потайная головка — форма B.
а) плоская
б) плоская увеличенная
в) плоская большая
г) потайная
Рис. 11 Головки стержневых заклепок
Различают стержневые заклепки с открытым (рис. 11) и закрытым (рис. 12, а) концами. Заклепки с закрытым концом устанавливаются в герметичные сосуды. На рис. 12, б представлена стержневая заклепка с рифленым телом. Такая заклепка предназначена для установки в глухие отверстия, выполненных в мягких материалах (дерево, пластик и т.д.) При вытяжке стрежня формирующаяся замыкающая головка врезается в стенки отверстия.
а) с закрытым концом
б) для глухих отверстий
Рис. 12 Стержневые заклепки специальных конструкций
В таблице 3 представлены геометрические размеры стрежневых заклепок, предусмотренные стандартами. Отдельные производители расширяют геометрический ряд и производят нестандартные заклепки, например, с другими длинами.
Таблица 3 Геометрические размеры стержневых заклепок
Стандарты предусматривают изготовление стержневых заклепок из различных материалов: алюминиевые сплавы различной прочности, углеродистая сталь с цинковым покрытием, нержавеющая сталь, медь, бронза, медно-никелевый сплав. Тело заклепки и стержень могут изготавливаться как из одного материала, так и из различных. Комбинации материалов (тело заклепки/сердечник): алюминий/углеродистая сталь; алюминий/алюминий; алюминий/нержавеющая сталь; углеродистая сталь/углеродистая сталь; нержавеющая сталь/нержавеющая сталь; медь/углеродистая сталь; медь/бронза; медно-никелевый сплав/сталь.
Выбор материала стержневых заклепок обусловлен требованиями к прочности конструкции и коррозионной стойкости. Для заклепок из алюминиевых сплавов со стальным сердечником предусмотрено две степени прочности — класс L (низкая прочность) и класс Н (высокая прочность). Чаще всего классу L соответствует сплав Al/Mg 2,5%, а классу H — сплав Al/Mg 3,5%. В таблице 4 приведены сравнительные характеристики заклепок из различных материалов. Прочностные характеристики заклепок приведены в каталогах производителей и стандартах. Необходимо обращать внимание на эти данные, поскольку выбранный вами изготовитель может отклоняться от требований нормативных документов. Например, короткие заклепки могут соответствовать стандарту, а длинные нет.
Таблица 4 Прочностные свойства стержневых заклепок
метр заклеп-ки d, мм
Сталь
сталь/ Нерж. сталь
Сталь
Сталь
Для защиты от коррозии стальные заклепки и сердечники имеют гальваническое покрытие, чаше всего цинковое. Толщина покрытия по требованиям стандартов не менее 5 мкм. При воздействии агрессивной внешней среды применяют заклепки из меди, алюминия или нержавеющей стали.
Инструменты и установка
Все производители рассмотренного нами клепального крепежа поставляют инструмент для его установки. В зависимости от объема и места проведения работ по сборке, потребитель может приобрести ручной инструмент (рис. 13, а), механизированный (рис. 13, б) или стационарную установку (рис. 13, в).
а) ручной
б) механизированных
в) стационарная установка
Рис. 13 Клепальный инструмент
Заключение
В прошлом клепание было основным способом соединения деталей из листового материала. Сварка почти полностью вытеснила клепание, поскольку отличается большей производительностью и прочностью. Новые виды крепежа — заклепочные и клепальные гайки, стрежневые заклепки — возвращают процессу клепания былое распространение. Создать такой крепеж позволил рост точных технологий. И сразу вспоминаются слова Джузеппе Томази ди Лампедуза: «Все должно измениться, чтобы все осталось по-старому».
Михаил Гранкин
инженер – конструктор
grankin@mail.ru
Использованная литература
- Каталог фирмы B?llhoff (Германия). Blind Rivet Nuts and Studs, № 2307/05.02. — 2005, 48 с.
- Каталог фирмы B?llhoff (Германия). Blind Rivets and Blind Rivets Tools, № 0720/08.02. — 2008, 20 с.
- Каталог фирмы Bralo (Испания). — 2008, 44 с.
- Каталог фирмы Northern Precision (США). Specialist Fasteners for Sheet Metal, Rev 13 2008 — 2008, 36 с.
- Каталог фирмы Tecfast (Германия). Catalogue. — 2008, 112 с.
- Орлов И.В. Вентилируемые фасады: применение заклепок. — 2005, http://www.alucomposite.ru.
"