Болты, винты: виды, применяемость

Широкое использование в машиностроении болтов и винтов обусловило многообразие их конструкций. Одним из характерных классификационных признаков болтов и винтов является головка. Используемые в машиностроении головки представлены на рис. 1.

Рис. 1. Головки болтов, винтов

По высоте и размеру под ключ шестигранные головки (рис. 6, а) изготавливают:

• нормального ряда;
• облегченные с уменьшенным размером под ключ;
• с уменьшенной высотой шестигранника;
• с уменьшенным размером под ключ и одновременным уменьшением высоты шестигранника.

При выборе головки необходимо учитывать прочность соединяемых деталей, характер и величину воспринимаемых нагрузок в эксплуатации: статические или знакопеременные, срезающие, растягивающие или комбинированные (срез + растяжение).

Использование уменьшенной высоты головки болта харак­терно для соединений, работающих на срез, уменьшенного размера под ключ — для соединения деталей из высокопрочных матери­алов, работающих при статическом растягивающем нагружении соединений. При изготовлении болтов методом холодной высадки с обрезкой шестигранника, шестигранные головки выполняются с опорной шайбой, имеющей диаметр несколько меньший размера под ключ. Это необходимо для исключения наволакивания ме­талла на опорную поверхность головки при обрезке шестигран­ника. Опорная шайба не выполняется при точении болтов из шестигранного прутка или при формовании головки в матрице (как правило, с нагревом).

В случае стопорения болтов и винтов проволокой за головку, выполнение двух-трех контровочных отверстий предусматривается через ребра или грани. При работе болта в условиях высоких осевых знакопеременных нагрузок, с целью увеличения его по­датливости и повышения усталостной прочности, используют головки болтов с направляющим подголовком (см. рис. 1, а). Диаметр гладкой части таких болтов, как правило, равен диа­метру заготовки под накатывание резьбы. По условиям монтажа используют шестигранные головки с прорезным шлицем под отвертку, а болты с облегчающей лункой на головке — для сни­жения массы машин без снижения прочности (судостроение, авиастроение).

Болты и винты с полукруглой и цилиндрической головками (рис. 1, б) используют в слабонагруженных соединениях, мало­габаритных, не требующих высокой затяжки (приборостроение, радиотехника). Высокая технологичность при изготовлении полу­круглой головки как с прорезным, так и крестообразным шлицем обеспечила массовое распространение этих болтов в машиностро­ении. Цилиндрическая головка имеет лучшие массовые характе­ристики и меньшие габаритные размеры при передаче аналогич­ного крутящего момента завинчивания полукруглой головке. Плосковыпуклую головку с прорезным шлицем применяют для соединения тонких листовых деталей в агрегатах с повышенным требованием по аэродинамике, где не представляется возможным выполнение зенковки под потайную головку без потери прочности соединения, а также в декоративных целях. Плоскоскругленную головку без шлица, так же как и потайные головки без шлица с углами 90 и 120°, используют в прессовых и специальных соеди­нениях, с гарантированным увеличенным радиальным натягом, исключающим возможность проворачивания болта в отверстии при навинчивании гайки.

Сложность демонтажа крепежных изделий в соединениях, работающих при высоких температурах, ввиду их пригорания в процессе эксплуатации по резьбе и опорным поверхностям с соединяемыми деталями, а также вследствие коррозии и экс­плуатационного загрязнения привела к созданию двенадцатигранных головок (рис. 1, в). Они способны передавать крутящие моменты на завинчивание-свинчивание в 1,3—1,6 раза больше, чем шестигранные головки. Этому способствовало и расширение применения высокопрочных болтов в условиях высоких знако­переменных нагрузок, когда усталостная прочность болта суще­ственно зависит от усилия предварительной затяжки соединения. Двенадцатигранные головки, как правило, выполняют с опорным буртиком. Аналогично шестигранным, болты с двенадцатигранной головкой могут иметь контровочные отверстия в головке и на­правляющий подголовок для увеличения податливости.

Дальнейшее увеличение мощности выступающих головок по передаче крутящего момента на завинчивание-отвинчивание до­стигнуто созданием головок болтов, винтов и гаек с пазовой конфигурацией под ключ. Головки с пазовой конфигурацией под ключ без деформации шлицев передают крутящий момент, способ­ный разрушить сварочный шов или металл в случае приварки головки к пакету. Головки с пазовой конфигурацией используют в двигателях и соединениях, которые работают в агрессивных средах.

Весьма экономичным по весовой эффективности и монтажу для фланцевых соединений является использование болтов с двух­гранной головкой. Кроме прямого снижения массы крепежных соединений за счет более легкой головки, болты с двухгранной головкой позволяют уменьшить размеры фланцевого соединения по наружному диаметру. При этом снижается масса конструкции и не требуется дополнительных мероприятий по стопорению болта от проворачивания при затяжке соединения гайкой. Болты с двухгранной головкой широко используют в турбокомпрессоростроении, двигателестроении.

Наиболее распространенная потайная головка болтов и винтов имеет угол 90° с прорезным или крестообразным шлицем (рис. 1, г). Для крепления тонких обшивок используют головки полупотайные и потайные с углом 120°.

Для соединения деталей из дерева и других мягких материалов широкое применение находят болты (рис. 1, д) с полукруглой увеличенной, плосковыпуклой и потайной головками с усом, препятствующим проворачиванию головки болта при монтаже соединения. В этих же условиях используют болты и винты с пло­сковыпуклой и потайной головками с квадратным подголовком. Указанную группу болтов обычно используют в малонагруженных соединениях (при отсутствии требований по прочности и ре­сурсу соединений).

Расширяется объем применения болтов с шестигранной голов­кой и опорным буртиком, а в ряде отраслей — и с насечкой на опорной поверхности буртика для самостопорения болта от про­ворачивания в соединении (см. рис. 1, д). Однако нарушение насечкой сплошности и покрытия контактной поверхности соеди­няемых деталей, внесение в зону отверстия концентраторов напряжений, повышенная релаксация стяжке и необходимость защиты соединений от коррозии с помощью грунтов, лаков и кра­сок ограничивает область применения болтов с насечкой на опор­ной поверхности головки.

В высокопрочных срезных соединениях часто используют конический болты, а в местах, труднодоступных для монтажа, но требующих высокой затяжки соединений, используют болты и винты с цилиндрической головкой и шлицем в виде внутреннего шестигранника (рис. 1, е).

Для передачи более высоких крутящих моментов при завинчи­вании и особенно при вывинчивании болтов и винтов, улучшения условий монтажа и главным образом демонтажа соединений в за­рубежной практике используют усиленные по смятию рабочих поверхностей шлицы и отвертки (рис. 2), препятствующие вытал­киванию отвертки из шлица.

Рис. 2.  Усиленные шлицы потайных головок

Прорезной шлиц, в поперечном сечении напоминающий ласточкин хвост (рис. 2, а), исключает выталкивание отвертки такого же сечения из шлица, обеспечивая передачу крутящих моментов, равных прочности отвертки. Кре­стообразные трех-, четырехперые асимметричные шлицы (рис. 2, б, в) имеют увеличенную рабочую поверхность на смятие при вывинчивании болта и винта. Наличие вертикального ребра на рабочих поверхностях шлица (см. рис. 2, в) и горизонтальной насечки на рабочих поверхностях отвертки (рис. 2, г) препятствует выталкиванию отвертки из шлица. Такие крестообразные шлицы при вывинчивании болтов и винтов передают крутящие моменты в 2,0—2,5 раза большие, чем крестообразные шлицы по ГОСТ. Использование невыпадающих винтов (рис. 3) улучшает условия эксплуатации, снижает трудоемкость монтажа и демонтажа разъемных соединений (деталей тонколистовых, крышек люков и т.п.). Диаметр гладкой части винта выполнен несколько меньшим, чем внутренний диаметр резьбы, что обеспечивает проход насквозь резьбовой части винта через отверстие соединяемой детали и зависание его на резьбе при обратном осевом перемеще­нии без вращения. Область применения таких винтов — малонагруженные соединения. Головки невыпадающих винтов в основ­ном потайные, цилиндрические, цилиндрические с шестигранным углублением под ключ и цилиндрические с сетчатой накаткой.

Рис. 3.  Винты невыпадающие

Большую группу стандартизованных крепежных изделий со­ставляют винты установочные (рис. 4). Головная часть винта в большинстве случаев имеет прорезные шлицы, реже — шести­гранное углубление под ключ в цилиндрической, квадратной или шестигранной головке. Стопорный конец винта выполняют кони­ческим, плоским, цилиндрическим, засверленным и ступенчатым с конусом или сферой.

Рис. 4.  Винты установочные

Общая длина болтов и винтов устанавливается ГОСТом. Как правило, она определяется возможностью изготовления бол­тов и винтов холодной высадкой как наиболее экономичным и прогрессивным технологическим процессом и находится в пре­делах (0,8 ... 10) d, где d — диаметр резьбы болта, винта. Однако в зависимости от свойств используемого материала, конфигурации и массы (объема) головки максимальная длина может изменяться.

В зависимости от условий эксплуатации, характера и вели­чины воспринимаемых нагрузок болты изготавливают с различ­ными точностью диаметра гладкой части, длиной резьбовой части болта и точностью резьбы. ГОСТы предусматривают изготовление болтов трех классов точности: А, В, С. Класс точности А имеет точность исполнения гладкой части по h13, точность резьбы 6g. Класс точности В — точность исполнения гладкой части по h14, точность резьбы 8g. Класс точности С имеет точность исполнения гладкой части по h15. Длина резьбовой части болтов всех классов точности примерно равна 3d (d — диаметр резьбы), что обусловли­вает, как правило, западание резьбовой части болта в отверстие соединяемых деталей. Основными крепежными резьбами являются метрические резьбы по ГОСТ 24705—81 и ГОСТ 16093—81.

Однако увеличение нагруженности соединений, необходимость повышения их надежности и ресурса обусловили создание в ряде отраслей промышленности более точных болтов, отвечающих этим требованиям. По уровню и характеру воспринимаемых нагрузок в отечественном машиностроении и за рубежом болты разделены на следующие группы:

• работающие преимущественно на статическое растяжение и воспринимающие высокие знакопеременные растягивающие на­грузки;
• работающие преимущественно на срез, в том числе в соедине­ниях повышенного ресурса;
• воспринимающие высокие комбинированные нагрузки (срез  + растяжение).

В соответствии с этой классификацией используют и стан­дартизованные три ряда длин резьбовой части болтов:

• нормальная длина резьбовой части болта, равная 2d;
• короткая резьбовая часть, равная 1,5d;
• укороченная резьбовая часть, равная 1,0d.

Гладкую часть болтов, работающих преимущественно на рас­тяжение, изготавливают с точностью h12, h8, f9 и f7. Головки болтов и длину резьбовой части используют нормального ряда.

Для болтов, работающих преимущественно на срез, характерно исполнение гладкой части болта с точностью f9, f7, Р6, m8, U8 и со специальной посадкой, обеспечивающей гарантированный натяг в соединении, равный (0,8 ... 1,2)% от d. Увеличение ра­диального натяга следует использовать в целях увеличения тех­нического ресурса соединений. Для этой группы болтов пред­почтительно использование уменьшенной головки, короткой или укороченной резьбовой части болта в зависимости от толщины соединяемых деталей и создание необходимого усилия затяжки соединения.

Болты, работающие в условиях высоких комбинированных нагрузок, имеют нормального ряда головки, нормальную или ко­роткую резьбовую часть, точность гладкой части болта от f9 до точности, обеспечивающей посадку с гарантированным ради­альным натягом, определяемые требуемыми характеристиками соединения по надежности и ресурсу.

Прогрессивные, более точные по сравнению с ГОСТ болты и винты имеют резьбу точностью 6е. Однако для обеспечения надежности стопорения резьбового соединения самоконтрящимися гайками с деформированным контрящим элементом (учитывая зарубежный опыт и отечественные исследования) целесообразно использование на болтах и винтах резьбы точностью 4g6g с метал­лическим покрытием и 4h6h для болтов без покрытия или с не­металлическим гальваническим покрытием, не приводящим к уве­личению размеров готовой резьбы.

Болты из коррозионностойких (нержавеющих) и жаропрочных сталей, работающие в условиях высоких температур, рекомен­дуется использовать с удлиненной резьбовой частью, примерно равной 2,5d. Увеличение длины свинчивания болта с гайкой в условиях высоких температур позволяет исключить разрушение соединения по срезу резьбы, т.е. полностью использовать несу­щую способность болта при высоких температурах.

Нанесение покрытий и испытания крепежных изделий осу­ществляют по ГОСТ 1759.0—87. Для любых климатических условий эксплуатации дополнительно используют кадмиевое фосфатирование в растворе азотно-кислого бария и кадмиевое покрытие с подслоем никеля.

Для высокопрочного, высокоресурсного крепежного изделия, работающего в тяжелонагруженных соединениях, обязательными являются испытания выборки от каждой партии на циклическую долговечность.