Покупая в магазине килограмм шурупов или десяток болтов, мы даже не представляем, сколь долгим и сложным был путь к освоению их выпуска в сегодняшних количествах. И тем более не подозреваем, что первые прототипы болтов появились ещё во времена Римской империи. Как и во многих других случаях, человек уверен в собственном авторстве на резиновые соединения – основы любого крепежного элемента. Однако в 2011 году ученые выяснили, что в природе имеется точный аналог такого крепежа – сустав жука-долгоносика, так что на самом деле природа и тут опередила людей.
Первый прототип современных крепежных элементов, которые мы привыкли сегодня видеть (болтов, винтов, шпилек, шурупов, саморезов и пр.), был разработан в XV веке. Однако сами по себе крепежные соединения появились в истории человечества гораздо раньше: установочные болты и стержни, удерживавшие дверные конструкции, использовались еще в Древнем Риме. Кроме того, предполагается, что именно римляне впервые начали использовать шурупы (винты для дерева), изготавливавшиеся из благородных металлов – бронзы и даже серебра. Резьба на них либо вырезалась вручную, либо ее роль могла играть проволока, намотанная на стержень по винтовой линии. Видимо, резьбовые крепежные элементы на время канули в Лету вместе с исчезновением Римской империи, так как в следующий раз они «засветились» лишь в начале XV века, когда немецкий изобретатель Иоганн Гутенберг использовал их в конструкции первого печатного станка. С этого момента при изготовлении разнообразных изделий (часов, воинских доспехов, седел для лошадей) винтовые элементы стали применяться все чаще и чаще.
К началу XVI века появились первые схемы прототипа винторезного станка, нарисованные Леонардо да Винчи. Правда, в жизнь эта идея была воплощена несколько позже (точнее, в 1568 году) и не им, а французским математиком Жаком Бессоном.
Еще через 30–50 лет на свет родилась гайка, однако на протяжении долгого времени подбор правильной пары болт-гайка оставался сложным делом, поскольку обеспечить высокую точность изготовления элементов в те времена не получалось. Тем не менее эта инновационная по тем временам разработка дала толчок для развития промышленной революции. В результате крепежные резьбовые соединения стали использоваться во всех мало-мальски сложных конструкциях, так как обеспечивали простоту и быстроту сборки, технологичность, взаимозаменяемость деталей машин, универсальность и надежность.
Современный крепеж
Разумеется, со временем технологии изготовления крепежных элементов развивались, и сегодня их производят разнообразными способами, включая литье, обработку на винторезном станке, с применением вихревых головок, нарезание плашкой, холодную или горячую штамповку, накатывание роликами, горячую ковку, холодную высадку и шлифование. Выбор того или иного метода зависит от объемов и необходимой точности изготовления. На выходе получается множество вариантов крепежа, подходящего для всех областей применения.
Болты
Болт – цилиндрический или конический стержень с резьбой, в большинстве случаев нарезанной лишь частично, предназначенный для крепления деталей в машиностроении, мебельном производстве, строительстве, приборостроении и т. д. Обычно машиностроительный болт служит для стяжки двух деталей посредством накручивания на него гайки. Но не все так просто, поскольку даже у этого, казалось бы, элементарного предмета есть различные варианты: он выпускается с шестигранной, круглой (потайной) или полукруглой головкой, а еще бывает откидным, анкерным, фундаментным, коническим и специальным. Несколько особняком в данном списке стоят рым-болты.
Болты с шестигранной головкой применяются в конструкциях со свободным доступом инструмента для закручивания крепежа. В зависимости от диаметра резьбы и ограничений по габаритным размерам такие головки бывают нормальными или уменьшенными.
Болты с круглой или полукруглой головкой имеют шлицы под отвертку и используются в тех случаях, когда в конструкции недопустимо выступание крепежа за габариты узла. Круглая головка представляет собой конус с плоским наружным торцом, а полукруглая вместо плоскости имеет небольшой сферический выступ. При использовании таких болтов требуется специальная обработка отверстия в детали: здесь предусматривается наличие конического участка, по форме и размерам соответствующего посадочной части головки. У откидных болтов головка напоминает кольцо, в центре которого высверлено отверстие, причем геометрическая ось последнего перпендикулярна оси крепежа. Такие болты используются во фланцевых соединениях, чтобы прижать фланец к корпусу.
Анкерные болты применяются для закрепления конструкций (например, рекламных щитов) на стене. В комплект входят сам болт, цанговая втулка и гайка. При закручивании гайка разжимает втулку, которая и фиксируется в отверстии.
Фундаментные болты заливаются цементным раствором для дальнейшей установки на них технологического оборудования типа станков. Для надежной фиксации к фундаменту они делаются длинными и изогнутыми.
Простой и понятный пример конического болта – крепежный элемент, использующийся для установки велосипедной педали. Фактически это разновидность болта с потайной головкой, с той лишь разницей, что при накручивании гайки на цилиндрический конец с резьбой конический участок приспособления стягивает детали.
Специальные болты изготавливаются для установки какого-то конкретного узла, предъявляющего особые требования к крепежу по тому или иному параметру – форме головки, длине или шагу резьбы и т. п. Рым-болт – это металлическое кольцо, жестко соединенное с цилиндрическим стержнем, на котором нарезана резьба. Именно за рым-болт цепляется крюк погрузочного крана при транспортировке различных конструкций, в т. ч. электродвигателей, редукторов и станков.
Винты
Так же, как и болт, винт является цилиндрическим или коническим стержнем с резьбой, однако он вкручивается прямо в корпус конструкции и не предполагает использования гайки. Кстати, по разнообразию вторые ничуть не уступают первым и выпускаются с круглой, полукруглой, цилиндрической или накатной головкой, с внешним или внутренним шестигранником, а также бывают невыпадающими, установочными, специальными…
Невыпадающие винты предназначены для размещения в тех местах конструкций, где вставить крепеж в резьбовое отверстие при сборке агрегата будет затруднительно, а также в откидных деталях, водонепроницаемых и взрывобезопасных крышках и т. д. Между головкой и резьбовым концом такого винта имеется цилиндрический участок, диаметр которого составляет примерно 70% от диаметра резьбы.
Установочные винты предназначены для фиксации детали в пространстве, например, для регулирования осевого положения зубчатого колеса на валу. Установочный винт чаще всего имеет резьбу на всей цилиндрической части. При этом один конец предназначен для кручения и имеет прорезь для отвертки или внутренний шестигранник для ключа, а другой обладает конической формой.
Область применения винтов с внешним либо внутренним шестигранником весьма разнообразна, поскольку такая конструкция в принципе универсальна.
Винты с накатной головкой используются при незначительном усилии зажима. Чтобы увеличить крутящий момент, который может развить рука человека, накатная головка, как правило, имеет большой диаметр, а на ее внешней части по всей окружности выполнены ромбовидные насечки, уменьшающие скольжение при закручивании. Такие винты используются в мерительном инструменте и в штативах, где требуется частая смена положения элементов.
Специальные винты могут иметь различную форму, размеры и параметры резьбы. Эти крепежные элементы изготавливаются в соответствии с требованиями конкретной конструкции или условиями ее эксплуатации.
Шпильки
Шпилька – цилиндрический стержень, с обеих сторон (либо по всей длине) которого нарезана резьба. Различают две основные группы шпилек: для деталей с гладкими отверстиями и ввинчиваемые.
Шпильки первого типа применяются в тех случаях, когда имеется возможность вставить этот крепежный элемент в сквозное отверстие, проделанное в соединяемых деталях, и прикрутить к нему гайки с обеих сторон. Длина резьбы на концах шпильки бывает одинаковой или разной, а безрезьбовой цилиндрический участок может иметь как больший диаметр, чем у резьбы, так и меньший. Шпильки с ввинчиваемым концом используются в тех случаях, когда нужно скрепить детали, одна из которых не имеет сквозного отверстия. Одним концом крепежный элемент вкручивается в эту часть конструкции, после чего вторая часть прижимается к первой с помощью гайки, накручиваемой на другой конец шпильки. Такой вариант крепежа широко используется в автомобильных двигателях внутреннего сгорания и т. д.
Шурупы
Шуруп – крепежное изделие цилиндрической формы с головкой и специальной наружной резьбой, которая при вкручивании формирует в отверстии внутреннюю резьбу с такими же параметрами. Шурупы предназначены для закручивания в изделия, прежде всего из материалов с невысокой твердостью, например, мягкой древесины или пластмассы. А вот при работе с твердыми породами дерева в детали необходимо предварительно просверлить отверстие, диаметр которого составляет 60–70% от диаметра резьбы.
Шурупы различаются размерами и формой головки. В большинстве случаев между резьбовым участком и головкой имеется безрезьбовой промежуток большего, чем резьба, диаметра. Такой крепеж используется тогда, когда шуруп испытывает нагрузки на срезание или изгиб.
Головки шурупов бывают потайными и полупотайными, шестигранными и квадратными. Наибольшее распространение получили шурупы с потайной головкой и шлицем под крестообразную отвертку. Зато их аналоги с шестигранной головкой очень часто используются при установке сантехники либо сборке силовых элементов мебели.
Саморезы
По конструкции саморез очень похож на шуруп, однако здесь имеется сверловой наконечник, что позволяет предварительно обрабатывать отверстие, в которое закручивается резьбовая часть. Саморезы, как и шурупы, выпускаются с головками разного типа – потайными, полупотайными, полукруглыми, с пресс-шайбой, шестигранными либо цилиндрическими. Кроме того, эти крепежные элементы различаются по назначению: в зависимости от шага резьбы и конструкции сверлового наконечника, они бывают универсальными, для гипсокартона, древесины, листового металла и металлического профиля.
Саморезы универсальные по дереву и гипсокартону имеют крупную резьбу, наносящую минимальные повреждения соединяемым деталям.
Используемые материалы
Для обеспечения надежной фиксации деталей крепежные изделия должны обладать достаточной прочностью, зависящей от материала, из которого они изготовлены. Для болтов, винтов и шпилек с классом прочности от 3,6 используется конструкционная сталь 10, 20 и 30. Для изготовления прочных (класс 10,9 и 12,9) болтов, шпилек и винтов применяются легированные сорта стали, например, 35ХГСА, 16ХСН и 20Г2Р. Для еще большего улучшения физических характеристик рассматриваемого сплава выполняется его упрочнение – термическая, химико-термическая и термомеханическая обработка, а также нанесение защитных покрытий. При эксплуатации в коррозионной среде крепеж делается из бронзы или нержавеющей стали.
Шурупы и саморезы в зависимости от области применения производятся из углеродистых (08кп, 10кп) и коррозийностойких (17Х19Н9, 03Х18Н11) сортов стали, а также из латуни.
Взаимозаменяемость и типоразмеры
Основными критериями взаимозаменяемости крепежных элементов являются наружный, внутренний и средний диаметры резьбы, а также ее шаг, угол профиля и точность изготовления (поле допуска). Если все эти параметры у двух болтов будут одинаковыми, то крепеж полностью взаимозаменяем.
Наиболее популярными разновидностями крепежной резьбы являются:
- метрическая цилиндрическая (MJ) с углом профиля 60°. Это наиболее распространенный в нашей стране тип резьбы, основная задача которой – обеспечить неподвижность двух деталей конструкции друг относительно друга;
- дюймовая цилиндрическая (UTS) с углом профиля 60°. Она аналогична метрической и чаще всего используется в США и Канаде. По шагу разделяется на UNC (Unified Coarse, стандартная с крупным шагом), UNF (Unified Fine, стандартная с мелким шагом), UNEF (Unified Extra Fine, стандартная со сверхмелким шагом) и UNS (Unified Special, стандартная специальная). При этом резьба типа UNC полностью соответствует метрической с основным шагом;
- дюймовая (BSW) с углом профиля 55°, используется в Великобритании;
- метрическая коническая (МК) с конусностью 1:16 и углом профиля 60°. Применяется в тех случаях, когда необходимо обеспечить герметичность соединения и возможность стопорения крепежного элемента без использования дополнительных средств;
- дюймовая коническая (NPT) с конусностью 1:16 и углом профиля 60°. Аналогична метрической конической, однако размеры здесь указываются в дюймах.
Основные параметры метрической и дюймовой резьбы совпадают, но говорить об их полной взаимозаменяемости нельзя. Конечно, если требуется сменить всю пару «болт- гайка», то проблем не возникнет, однако закрутить винт типа MJ в отверстие с дюймовой резьбой BSW не получится. Варианты подбора болта (или винта) под уже существующую гайку (либо отверстие) приведены в таблице 1.
Условные обозначения
Для правильного выбора крепежа в строительном магазине нужно ориентироваться в условных обозначениях. Типовая маркировка болтов, винтов и шпилек дает пользователям следующую информацию (слева направо, от 1-й к 13-й позиции):
1. Наименование изделия (болт, винт, шпилька).
2. Класс точности: С – грубый, В – нормальный, А – повышенный. Крепежные изделия класса С используются в нерасчетных монтажных соединениях, В и А – в соединениях, которые воспринимают расчетные нагрузки при работе конструкции. Наиболее распространенным классом точности является В, причем в маркировке он может не указываться.
3. Исполнение, т. е. конструктивные особенности болта, шпильки или винта, которые определяются конкретным стандартом.
К примеру, ГОСТ 7798 предусматривает четыре варианта исполнения болтов: в первом случае это обычный болт, во втором здесь имеется отверстие для стопорения резьбы шплинтованием на резьбовом участке, в третьем предусматривается отверстие для стопорения в головке болта, а в четвертом с той же целью делается специальное углубление в шляпке болта. Чаще всего в продаже можно найти изделия 1-го типа, хотя данный параметр (по аналогии с классом точности) тоже может не указываться в маркировке.
4. Номинальный диаметр резьбы в миллиметрах или дюймах. Для метрической резьбы указывается с добавлением буквы «М».
5. Шаг резьбы, т. е. расстояние между двумя соседними витками. Может измеряться в миллиметрах, дюймах или количестве витков на дюйм длины резьбы. Как правило, каждый типоразмер болта, винта или шпильки имеет до пяти рядов резьбы, определяющихся шагом. Например, резьба номинальным диаметром 10 мм может иметь шаг 1,75; 1,5; 1,25; 1,0 или 0,75 мм. Основным значением является 1,5 мм (в наносимой маркировке оно не указывается). Если конструкция не предъявляет каких-либо специальных требований к крепежным элементам, лучше отдать предпочтение именно основному шагу.
6. Направление резьбы, которая бывает правой и левой. Основная масса крепежных изделий имеет правую резьбу: в этом случае данный параметр при маркировке не указывается. Зато левая резьба обозначается буквами Lh.
7. Поле допуска резьбы, определяющее точность ее изготовления. Чем меньше цифра, тем точнее резьба, т. е. реальный размер более близок к номинальному. Так, болт с полем допуска 6g изготовлен точнее аналога с полем допуска 7g.
8. Длина изделия – расстояние от посадочного конца крепежного элемента до основания головки болта или винта либо до противоположного конца шпильки.
9. Класс прочности, который указывает на механические свойства крепежного изделия и варьируется от 3,6 до 12,9. Чем выше это значение, тем прочнее деталь.
10. Тип используемого материала (например, С – спокойная сталь, А – автоматная сталь и т. д.). Если он не указан, значит, изделие выполнено из обычной конструкционной или низкоуглеродистой стали общего применения.
11. Марка материала для крепежных изделий класса прочности 8,8 и выше.
12. Разновидность и толщина покрытия в микрометрах. Первый параметр обозначается двухзначным числом от 01 до 13 (от цинкового хроматированного до никелевого), а второй указывается одной цифрой.
13. Размер под ключ.
Чтобы было понятнее, рассмотрим несколько примеров.
Болт М12-6gх60.58 (S18) ГОСТ 7798. Класс точности В, исполнение 1, резьба правая номинальным диаметром 12 мм с основным шагом (1,75 мм), поле допуска 6g, длина 60 мм, класс прочности 5,8, изготовлен из конструкционной или низкоуглеродистой стали без покрытия, размер под ключ S18.
Винт А.М12-1,25-6gх50.58 ГОСТ 1491. Класс точности А, исполнение 1, резьба правая номинальным диаметром 12 мм с мелким шагом (1,25 мм), поле допуска 6g, длина 50 мм, класс прочности 5,8, сделан из конструкционной или низкоуглеродистой стали без покрытия.
Шпилька М16-1-Lh-6gх120.58 ГОСТ 22034. Класс точности В, исполнение 1, резьба левая номинальным диаметром 16 мм и сверх- мелким шагом (1 мм), поле допуска 6g, длина 120 мм, класс прочности 5,8, изготовлена из конструкционной или низкоуглеродистой стали без покрытия.
Типовая маркировка шурупов и саморезов выглядит несколько иначе (слева направо):
1. Наименование изделия – шуруп или саморез. При этом тип и форма головки, а также назначение шурупа указываются в наименовании стандарта (оно приводится в самом конце). Например, ГОСТ 1144 – шурупы с полукруглой головкой, ГОСТ 1145 – с потайной, а ГОСТ 1146 – с полупотайной.
2. Исполнение – конструктивные особенности шурупа, определяемые стандартом. Например, ГОСТ 1144 предусматривает четыре варианта:
- шурупы с резьбой не на всю длину и прорезью под плоскую (SL) отвертку;
- шурупы длиной до 22 мм с резьбой на всю длину с прорезью под плоскую отвертку;
- шурупы с резьбой не на всю длину и прорезью под крестовую (PH или PZ) отвертку;
- шурупы длиной до 22 мм с резьбой на всю длину и прорезью под крестовую отвертку.
3. Номинальный диаметр.
4. Длина – расстояние в миллиметрах от посадочного конца шурупа или самореза до основания шляпки.
5. Материал изделия. Если не указано, то это обычная низкоуглеродистая сталь.
6. Покрытие, которое обозначается двумя цифрами (например, 01 – цинк). Если информация не указана, значит, покрытие отсутствует.
7. Толщина покрытия в микрометрах.
На всякий случай приведем пример:
Шуруп 1-3х20.2.016 ГОСТ 1144. Шуруп с полукруглой головкой, исполнение 1, номинальный диаметр 3 мм, длина 20 мм, материал изготовления – коррозионностойкая сталь с цинковым покрытием толщиной 6 мкм.
Конечно, привести здесь все существующие варианты маркировки невозможно, однако приведенная выше информация, несомненно, поможет разобраться в ассортименте крепежных изделий и без проблем подобрать оптимальный вариант.
Текст: Евгений Ракель
