Виды болтов и гаек. История создания. Технология производства. Стандарты
Возможность унифицирования резьб еще не означала их общую унификацию, поскольку каждый производитель был заинтересован иметь собственные стандарты. Со временем появилась настоятельная потребность создания ряда государственных или международных стандартов. Первый важный шаг в этом направлении был сделан в Великобритании в 1841 г., когда Дж. Витворт представил Институту гражданских инженеров свой доклад под названием "Система унифицирования винтовых резьб".
Витворт предлагал установить для болтов и винтов данного размера единообразие таких параметров резьбы, как профиль, шаг и высота профиля. Он рекомендовал, чтобы угол профиля (угол между сторонами соседних витков) был равен 55°, а число витков на один дюйм должно определяться диаметром болта или винта. Вершины витков резьбы и основания впадин должны быть закруглены на 1/6 высоты исходного профиля. К 1881 г. система Витворта была принята в качестве британского стандарта.
В США стандартизация начала проводиться в 1864 г. У. Селлерс, производитель металлорежущих инструментов в Филадельфии, убедил Институт Франклина учредить комиссию, ответственную за разработку государственных стандартов. У Селлерса было несколько поправок к системе Витворта. Он считал, что угол профиля 55° трудно измерить, и поэтому предлагал заменить его на 60°. К тому же он полагал, что при таком угле резьба будет прочнее. Селлерс также предложил резьбу с уплощенными вершинами витков и основаниями впадин, поскольку, по его мнению, предусматриваемое в стандарте Витворта закругление этих участков профиля приводило к неопределенности соответствия между болтом и гайкой и снижало прочность резьбы.
Институт Франклина принял систему Селлерса и рекомендовал ее в качестве государственного стандарта, гласящего: "Профиль винтовых резьб должен иметь прямые края, образующие угол 60°, поверхность вершин и впадин должна быть плоской и составлять 1/8 шага". К концу XIX столетия система Селлерса уже обрела статус стандарта не только в США, но и во многих европейских странах.
Резьбы на болтах стандартизованы.
- В Великобритании принят стандарт на резьбы, предложенный в 1841 г. Дж. Витвортом,
- В США - стандарт, предложенный в 1864 г. У. Селлерсом.
- Унифицированная система резьб, которая включает элементы обоих указанных стандартов, была введена в 1948 г. и получила распространение в США, Канаде и Великобритании.
- Стандартная система метрической резьбы, разработанная Международной организацией по стандартизации (ISO), была принята в 1964 г. Она получила распространение в странах, использующих метрическую систему мер.
- Оптимальная метрическая система крепежных изделий, предложенная Институтом промышленных крепежных изделий в 1971 г. как усовершенствованный вариант стандарта ISO, легла в основу системы Американского национального института стандартов (ANSI/ISO) и стала международным стандартом метрической резьбы.
Несовместимость систем Витворта и Селлерса стала причиной многих технических осложнений в годы первой и второй мировых войн, когда американская и английская армии сталкивались с необходимостью иметь взаимозаменяемые части вооружения. Начиная с 1918 и вплоть до 1948 г. обе страны делали попытки привести две системы в соответствие. На конференции, состоявшейся в 1948 г. в Вашингтоне, США, Канада и Великобритания приняли Унифицированную систему резьбы, которая включала элементы как системы Витворта, так и системы Селлерса. Существенную роль в стандартизации дюймовой винтовой резьбы сыграл Институт промышленных крепежных изделий, созданный ведущими североамериканскими фирмами, специализирующимися на производстве крепежных деталей.
В том же году Международная организация по стандартизации ИСО (ISO) приступила к разработке системы стандартизации винтовых резьб, единой для многих стран мира. Когда в 1964 г. эта работа была завершена, международная конференция в Нью-Дели приняла две системы: систему дюймовой резьбы ISO (такую же, как и вышеуказанная Унифицированная система) и систему метрической резьбы ISO, которая должна была заменить множество различных национальных систем.
На том основании, что крепежные детали, изготовленные в соответствии с новой метрической системой, оказались хуже по сравнению с теми, которые изготовлялись по дюймовой системе ISO, Институт промышленных крепежных изделий рекомендовал в 1970 г. разработать более совершенную метрическую систему. В 1971 г. группа специалистов этого института представила проект Оптимальной метрической системы крепежных деталей. Среди прочих предложений проект предусматривал такой профиль резьбы, который бы стал стандартным для крепежных изделий, применяемых в авиационно-космической технике, а также для изделий из металла с повышенной усталостной прочностью. Это предложение было учтено в той системе, которая сейчас является международным метрическим стандартом: системе ANSI/ISO (ANSI - сокращенное название Американского национального института стандартов).
В России метрическая система мер была допущена к применению (в необязательном порядке) законом от 4 июня 1899, проект которого был разработан Д. И. Менделеевым, и введена в качестве обязательной декретом Временного правительства от 30 апреля 1917 года, а для СССР — постановлением СНК СССР от 21 июля 1925.
НОРМАЛИЗОВАННАЯ ГАЙКА
Подходи, рабочий,
обсудим, дай-ка,
что это за вещь такая — гайка?
Что гайка?!
Ерунда! Малость!
А попробуй-ка
езжай, ежели сломалась.
Без этой вещи,
без гайки той -
ни взад, ни вперед.
Становись и стой!
Наконец отыскали гайку эту...
Прилаживают...
Никакой возможности нету!..
Эта мала,
та велика, —
словом,
не приладишь ее никак.
И пошли пешком,
как гуляки праздные.
Отчего?
Оттого, что гайки разные.
А если гайки одинаковые ввесть,
сломалась —
новая сейчас же есть.
И нечего долго разыскивать тут:
бери любую —
хоть эту, хоть ту!
И не только в гайке наше счастье.
Надо
всем машинам
одинаковые части,
а не то, как теперь —
паровоз и паровоз, —
один паровозом,
а другой, как воз.
Если это
поймет
рабочего разум, —
к коммуне
на паровозах
ринемся разом.
(1920, июль) Окна РOCTA №172 Владимир Маяковский
На основе метрической системы была разработана и принята в 1960 году XI Генеральной конференцией по мерам и весам Международная система единиц (СИ). В советские времена все ГОСТ являлись обязательными для применения в тех областях, которые определялись преамбулой самого стандарта. В настоящее время в России ГОСТы находятся в ведении организации Федеральное агентство по метрологии и техническому регулированию (Ростехрегулирование).
Стандартизацией крепежных изделий в США занимаются и многие другие организации. Их деятельность связана с введением в существующие стандарты дополнительных параметров с учетом тех специфических требований, которые диктуются условиями применения крепежных деталей в отдельных отраслях промышленности. К числу таких организаций относятся Американское общество по испытанию материалов, Американский национальный институт стандартов, Общество автомобильных инженеров и другие. Этими организациями разработано в общей сложности около 8 тыс. стандартов на крепежные изделия, они охватывают такие параметры, как материал, геометрия профиля резьбы и крепежных деталей, размеры, допуски и механические свойства. Если учесть крепежные детали специального назначения или детали с ограниченным правом производства, с различными видами обработки поверхности и покрытиями, а также все комбинации диаметра и длины, то общее число разновидностей этих изделий составит более двух миллионов.
Помимо того что многие компании не уделяют должного внимания проблеме крепежных элементов, можно отметить и другое немаловажное обстоятельство, а именно - недостаточность знаний о правильных способах затяжки болтовых соединений. Чтобы затяжка была наиболее надежной, завинчивание гаек должно производиться до момента, непосредственно предшествующего появлению в металле остаточной деформации. При этом достигается наиболее высокое давление в месте затяжки.
Напряжения, возникающие в болтовом соединении, условно показаны для случая, когда болт с навинченной на него гайкой стягивает две детали. В идеальном случае болт должен быть затянут до такого состояния, при котором возникающие в нем напряжения максимальны, но не вызывают его остаточную деформацию.
Для обеспечения нормальной затяжки болтов и гаек используются специальные гаечные ключи и приспособления. В тех же случаях, когда к соединению крепежных деталей предъявляются особо жесткие требования (с точки зрения обеспечения высокой надежности и безопасности), их затяжка осуществляется с использованием электронных устройств автоматического управления, которые получают все более широкое практическое применение. Используемый в этих системах микропроцессор управляет операцией затяжки (в настоящее время ее может выполнять и робот). В основе принципа управления лежит измерение и преобразование величины момента и угла в электрические сигналы. По достижению определенной величины сигналов завертывающее устройство с электрическим приводом выключается.
Контролирование степени затяжки часто позволяет применить более мелкие или относящиеся к более низкому классификационному классу крепежные детали, что может обеспечить экономию в размере 10% на каждую деталь. Для предприятия, которое производит сборку, скажем, 1 млн. машин в год, такая замена крепежных деталей может снизить издержки на 100 тыс. долл. в год. Кроме того, если учесть, что после установки более надежного болтового соединения снизится возврат некачественной продукции для ремонта, то экономия будет еще больше.
Многие крепежные детали работают в агрессивных средах, вызывающих коррозию, или в условиях высоких температур, а иногда при одновременном воздействии обоих факторов. Стандартами предусматривается покрытие деталей, рассчитанных на работу в указанных условиях, специальными составами из фосфата и жидкой смазки или из черного окисла. Для обеспечения повышенной устойчивости к коррозии на поверхность крепежных деталей гальваническим способом наносят цинк или кадмий. Но все эти методы не лишены недостатков. Покрытие цинком и кадмием, например, может повысить хрупкость металла. Максимальную стойкость к коррозии проявляют болты и гайки изготовленные полностью из нержавеющей стали. Однако при использование крепежа из нержавейки необходимо использовать ряд условий во избежание проявления элетрохимической и гальванической коррозии.
