Широко применяемые в машиностроении неподвижные соединения делят на два вида: разъемные (выполняемые в основном с помощью резьбовых крепежных изделий - болтов, винтов, шпилек и гаек) и неразъемные (выполняемые различными видами заклепок, сваркой, пайкой, склеиванием). Крепежные изделия позволяют создавать высокоэффективные, прочные, надежные и долговечные соединения, а во многих случаях являются единственно возможным способом выполнения соединений. Поэтому резьбовые и клепаные соединения широко применяются во всех отраслях машиностроения и на них приходится до 35% общей трудоемкости сборочных работ.
Совершенствование и разработка новых крепежных изделий связаны главным образом со снижением трудоемкости монтажно-сборочных работ и с повышением эксплуатационной надежности соединений.
Создание самосверлящих, самонарезающих и самонакатывающих винтов, гаек с завальцованными плавающими подкладными шайбами облегчает реализацию автоматизации сборки соединений. Повышению надежности стопорения резьбовых соединений способствуют новые конструкции болтов с опорными буртиками и стопорящей насечкой, а также стопорных шайб и самоконтрящих гаек.
Широкое применение высокопрочных крепежных изделий, в том числе работающих в условиях высоких осевых знакопеременных нагрузок, обеспечивает снижение металлоемкости изделий, энергетических затрат на их производство, а также себестоимости. Это особенно актуально для резьбовых соединений, составляющих около 70% всех механических соединений в важнейших отраслях промышленности, таких как автомобилестроение, сельскохозяйственное машиностроение, авиастроение, приборостроение и др. Поэтому использование высокопрочных крепежных изделий класса прочности 8.8 и выше в конструкциях машин и механизмов непрерывно увеличивается и, например, в автомобилестроении США, Германии, Японии составляет около 98%.
Создавать достаточно прочные соединения в труднодоступных местах позволяют новые оригинальные крепежные изделия для односторонней постановки и безударной клепки. При этом появилась возможность создавать малогабаритные прочные конструкции, обладающие рядом технологических достоинств, а также повышать производительность труда, механизировать процесс клепки и исключить профессиональные заболевания рабочих - глухоту и виброболезнь.
Эти изделия значительно сложнее обычных стандартных крепежных изделий. Они состоят из двух или трех взаимосвязанных деталей, каждая из которых требует высокой точности и стабильности геометрических размеров. Отдельные технологические операции при изготовлении деталей являются необходимыми для крепежного изделия. Наконец, процесс клепки осуществляется специальным постановочным инструментом, обеспечивающим высокое и стабильное качество соединения.
Болты, работающие на срез в условиях упругопластического натяга 0,7-1,2%, позволяют повысить выносливость в 2—4 раза и обеспечить герметичность соединений. Этому способствовали создание и отработка конструктивно-технологических параметров новых крепежных изделий; правильный выбор технологических покрытий; создание оборудования, инструмента и разработка технологических процессов выполнения болтовых соединений с упругопластическим натягом.
Специальная форма головок заклепок с компенсатором и новые технологические процессы образования заклепочных соединений позволяют создать в соединении близкий к равномерному по толщине пакета натяг. Это позволяет повысить выносливость и обеспечить герметичность заклепочных соединений.
Создание и широкое применение высокопрочных полимерных композиционных материалов (ПКМ) в качестве конструкционного материала определили новое направление в проектировании соединений, потребовали разработки новых крепежных изделий и технологических процессов сборки надежных соединений. При разработке крепежных изделий и технологических процессов необходимо учитывать некоторые особенности ПКМ. Механические свойства ПКМ существенно зависят от укладки слоев армирующего материала. Они чувствительны к сжимающим нагрузкам.
Крепежные изделия для ПКМ — усовершенствованные конструкции болтов, заклепок, болтозаклепок, изделий для односторонней постановки и безударной клепки. Они имеют, как правило, увеличенные по диаметру плосковыпуклые и потайные с углом 120° головки. При сборке соединений используют шайбы, тонкостенные втулки и кольца, защищающие от повреждения соединяемый пакет из ПКМ. Это обусловлено ограниченной прочностью ПКМ на смятие поперек волокон. В качестве материалов используют титановые сплавы и коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали. Ведутся исследования по созданию крепежных изделий непосредственно из полимерных материалов.
Номенклатура применяемых крепежных изделий велика и имеет тенденцию к росту. Это обусловлено тем, что создание новых прогрессивных изделий, как правило, более дорогостоящих, не исключает возможности использования в простых малонагруженных узлах традиционных дешевых крепежных изделий (болтов, винтов, гаек, заклепок, шайб), гарантирующих требуемые потребительские качества машин. Например, промышленность США производит более двух миллионов типов крепежных изделий, в том числе стандартных (по терминологии США) более 50 тыс., на общую сумму в несколько миллиардов долларов в год.
Классификатор государственных стандартов России крепежные изделия общемашиностроительного применения относит к группе ГЗ, которая включает в себя следующие классы: Г31 - болты, Г32 - винты, шпильки; ГЗЗ - гайки; Г34 - заклепки; Г36 - шайбы, шплинты; Г37 - штифты; Г38 - прочие промышленные метизы.
В настоящее время разработаны и освоены в различных отраслях машиностроительного комплекса многие виды прогрессивных крепежных изделий, которые отсутствуют в Классификаторе государственных стандартов. Разнообразие крепежных изделий по конструктивным, технологическим, функциональным и другим признакам затрудняет исчерпывающую классификацию и описание их.
Основой классификации является один наиболее характерный признак, определивший название каждой группы, а именно:
Условность предложенной классификации заключается в том, что в каждой группе имеется определенная номенклатура крепежных изделий, которые можно отнести к другой группе. Например, в группе крепежных изделий для односторонней постановки и безударной клепки некоторые конструкции болтозаклепок предназначены для высокоресурсных соединений или для соединения композиционных материалов. В то же время каждая из групп включает крепежные изделия нескольких классов по Классификатору государственных стандартов. Например, в группу высокопрочных крепежных изделий входят классы болтов, винтов, гаек, в группу высокоресурсных - классы болтов, заклепок и т. д.
Однако предложенная классификация позволяет конструкторам и технологам сравнительно легко разобраться в большом разнообразии крепежных изделий и учесть специфические особенности их при проектировании и разработке технологических процессов сборки разъемных и неразъемных соединений, а также окажет помощь специалистам, занимающимся проектированием и организацией специализированного производства крепежных изделий. Эффективное и качественное изготовление прогрессивных крепежных изделий возможно на специальном автоматическом оборудовании в условиях специализированного производства.
