Болты, гайки и резьба - история

Совсем простые и на первый взгляд непримечательные крепежные изделия, такие, как болты, тем не менее могут в значительной степени повлиять на качество произведенной с их помощью продукции. Основными параметрами, на основании которых происходит выбор такой продукции, как болты, являются их качество и надежность исполнения.

История появления болтов достаточно древняя и интересная. Однако точное место происхождения и дата появления болта остается невыясненной.

Хотя первые болты с резьбой появились в XV веке, болты без нарезки, имеющие весьма ограниченное применение, начали использоваться значительно раньше. Такие болты применялись еще в Древнем Риме в дверных устройствах в качестве осевых стержней и установочных болтов, представляющих собой стержень с прорезью, в которую вставлялся клин, препятствующий смещению болта. Не исключено, что римляне первыми стали использовать винты для дерева (шурупы), которые изготавливались из бронзы или даже из серебра. Резьба на винтах нарезалась вручную, или ее заменяла проволока, накрученная на стержень и припаянная к нему. Очевидно, это изобретение было утрачено с исчезновением Римской империи, поскольку первое упоминание о винтах встречается в книге, относящейся лишь к началу XV века.

В этом же столетии винты наряду с другими крепежными деталями были использованы И.Гутенбергом в сконструированном им печатном станке. Вскоре их стали применять часовых дел мастера и изготовители воинских доспехов.

В записных книжках Леонардо да Винчи, относящихся к концу XV - началу XVIв., есть наброски проектов нескольких винторезных станков. Однако первый такой станок, получивший практическое применение, был изобретен в 1568г. французским математиком Ж.Бессоном. К концу XVII в. винты стали широко использоваться в огнестрельном оружии.

К тому времени, когда болты без нарезки получили широкое распространение, а идея резьбы была уже известна, гайке суждено было только появиться, также как и идее нанесения резьбы на болт и соединения его с гайкой. Первые документированные сведения о гайках с резьбой относятся к концу XVI - началу XVIIв. Как и винты, первые гайки также изготавливались вручную и были плохо обработанными.

Гайки стали соединять с винтами, вероятно, в начале XVII в. Винты тогда были прямые с торцом без фаски и больше походили на современные болты, чем на конические шурупы. В одной из книг, изданных в Англии в 1611г., уже используется словосочетание "гайка для винта". Винтом стали называть болт, имеющий резьбу. Подобрать болт и соответствующую ему гайку было делом достаточно сложным, а когда все же удавалось найти такую пару, винт и гайку держали соединенными до их использования в каком-либо механизме или сооружении.

Несомненно то, что гайки и болты как крепежные детали получили широкое распространение с началом промышленной революции. Если и можно говорить о начале такой эпохи, то его следует относить к 1765г., когда Джеймс Уатт изобрел паровую машину. Производители первых машин и деталей для них поняли, что резьбовое соединение может принципиально улучшить конструкцию сложных механизмов; значительно облегчить сборку, а также повысить их надежность. Многие известные изобретения того времени основаны на применении резьбовых крепежных элементов. Среди них изобретенная Дж.Харгривсом прядильная машина периодического прядения и хлопкоочистительная машина Э.Уитни.

В 1801г. Уитни высказал еще одну важную идею - о взаимозаменяемости частей в машинках. Эту идею он показал в том же году в Вашингтоне. Перед всеми присутствующими, среди которых находились президент Адамс и вице-президент Джефферсон, Уитни разложил на столе несколько похожих кучек деталей мушкетов; в каждой из них находилось по 10 деталей. Взяв наугад по одной детали из каждой кучки, Уитни быстро собрал готовый мушкет. Мысль оказалась такой обычной и плодотворной, что скоро была взята на вооружение почти всеми изобретателями, а именно С.Кольтом, изобретателем капсюльного пистолета, Дж.Насмитом - парового молота, Ц.мак-Кормиком - жатки, Дж.Диром - железного плуга, Э.Терри - часов массового производства и Э.Хоу - швейных механизмов.

Проблема, которую не удавалось решить вплоть до начала XIX столетия - это отсутствие единообразия резьб, нарезаемых на болтах и гайках. До конца XVIII века резьбы больших размеров, как правило, наносились горячей ковкой: по горячей заготовке болта кузнецы ударяли специальным ковочным штампом или другим формообразующим инструментом. Нарезка более мелких резьб производилась на примитивных токарных станках; режущий инструмент при этом приходилось удерживать вручную, и поэтому получить резьбу постоянного профиля не удавалось.

Резьбонарезной станок был изобретен Ж.Бессоном в 1568г. Станок приводился в действие ножной педалью. На обрабатываемую заготовку (в данном случае для конического винта) нарезалась резьба при помощи резца, перемещающегося ходовым винтом. Координация поступательного движения резца и вращение заготовки достигались системой шкивов.

К 1800г. еще не было такой системы, которая бы задавала размер резьбы пропорционально диаметру заготовки. Насмит указывал: "Все болты и соответствующие им гайки нужно было специально маркировать, чтобы легко определялась их принадлежность друг другу. Всякое смешивание гаек и болтов... вызывало бесконечные хлопоты и дополнительные расходы, эффективность производства при этом падала, в работе появлялась путаница, особенно при ремонте сложных машин, когда их приходилось разбирать на части".

Ситуация изменилась в 1800г., когда английский изобретатель Г.Модсли построил 1-й токарно-винторезный станок, на котором можно было изготавливать винты любого диаметра с любым шагом резьбы.

Шаг резьбы - это расстояние вдоль оси винта между вершинами 2-х соседних витков. Внешний диаметр резьбы равен диаметру цилиндра, описанного относительно вершин, а внутренний - диаметру цилиндра, описанного относительно впадин резьбы.

Его современник Ч.Хольтзапффель в своем пятитомном труде "Токарная и слесарная обработка" писал, что меж 1800 и 1810гг. Модсли "сделал практически полный поворот от старенького, неидеального и полного неожиданных случайностей метода производства винтов.... к современному, научно обоснованному и отличающемуся высочайшей точностью способу, на который в собственных разработках опираются инженеры".

Винторезный станок в течение почти всех лет оставался главным средством нанесения резьбы на крепежные изделия. Сейчас самым распространенным методом является накатка резьбы на заготовке вращающимися плашками. В отличие от винторезного станка, который при вырезке снимает стружку, накатка резьбы плашками делается лишь за счет конфигурации формы поверхности заготовки без утраты материала - в этом и состоит ее принципиальная особенность.

Современные способы получения резьбы основаны на пластическом деформировании поверхности заготовки. Обычным является способ, при котором заготовка зажимается и прокатывается между 2-мя плашками, одна из которых подвижная. 

В середине XIX в. У.Уорд из Порт-Честера /штат Нью-Йорк/ создал станок для производства гаек и болтов горячей ковкой. При всем этом методе заготовка в форме прутка нагревается до температуры 870 ⁰С и проходит через накатанные плашки для выдавливания резьбы. Позднее Уорд разработал аналогичный станок для получения резьбы способом пластической деформации в прохладном состоянии. Технологический процесс различался лишь тем, что прутковая заготовка не нагревалась. Используемые в этом случае плашки должны иметь повышенную прочность, а удерживающий их станок должен быть довольно массивным. По сопоставлению с горячей ковкой прохладный метод позволяет получать более крепкую резьбу и с наименьшими отклонениями от заданных размеров. Прохданая накатка в настоящее время является главным способом при массовом производстве гаек, болтов и винтов.

В конце XIX в. общее создание крепежных деталей от станочной обработки прутковых заготовок в основном перешло на прохладный метод непрерывного формообразования из проволоки либо прукта. Проволока с катушки подается, скажем, в болторезный станок, который отрезает стержень подходящей длины, пропускает его через ряд формообразующих штампов; на полученную заготовку болта потом накатывается резьба. Конкретно таковым методом осуществляется сейчас общее создание болтов и гаек.

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 1841г., когда Дж.Витворт представил Институту гражданских инженеров свой доклад под названием "Система унифицирования винтовых резьб".

Витворт предлагал установить для болтов и винтов конкретного размера единообразие таких параметров резьбы, как профиль, шаг и высота профиля. Он рекомендовал, чтобы угол профиля (угол между сторонами соседних витков) был равен 55⁰, 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 1881г. система Витворта была принята в качестве британского стандарта.

В США стандартизация начала проводиться с 1864г. 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 55⁰ трудно измерить, и поэтому предлагал заменить его на 60⁰. 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 60⁰, 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.

Стандартная система метрической резьбы, разработанная Международной организацией по стандартизации (ISO), была принята в 1964г. Она получила распространение в странах, использующих метрическую систему мер. Наиболее оптимальная метрическая система крепежных изделий, предложенная Институтом промышленных крепежных изделий в 1971г. как усовершенствованный вариант стандарта ISO, легла в основу системы Американского национального института стандартов (ANSI/ISO) и стала международным стандартом метрической резьбы.

Несопоставимость 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 1948г. обе страны делали попытки привести две системы в соответствие. На конференции, состоявшейся в 1948г. 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 1964г. эта работа была завершена, международная конференция в Нью-Дели приняла две системы: систему дюймовой резьбы ISO (такую же, как 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 1970г. разработать более совершенную метрическую систему. В 1971г. 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).

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 тысяч 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.

При таком большом выборе фабричным организациям следует избегать количественного роста крепежных изделий. Если не быть предусмотрительным на стадии проектирования какого-нибудь оборудования, то увеличение числа крепежных деталей разных типов и размеров в проекте потом может обернуться большими материальными потерями.

Предположим, что разрабатывается конструкция какого-нибудь механизма, на определенной стадии сборки которого, будет нужна установка самонарезающего винта. Допустим также, что винт этот должен иметь полностью определенные диамерт и длину. В данном случае конструктор имеет последующий выбор самонарезающих винтов в согласовании с действующими эталонами: девять форм профилей резьбы, 6 типов головок, три типа прорезей на головке и четыре разновидности обработки поверхности. В итоге конструктору придется выбирать один винт из 648 вероятных. Из приведенного примера видно, с чем может столнуться компания с огромным штатом конструкторов при увеличении числа крепежных деталей, любая из которых нумеруется по принадлежности и поставляется в партии.

Та же неувязка характерна и для более обычных случаев. Пусть требуется подобрать соответствующие друг другу болт, гайку и шайбу. Обращаясь к обычным изделям, инженер обнаруживает, что болт нужных диаметра и длины он может выбрать из 3-х с разной формой головки, из 4, рассчитанных на разные перегрузки, из 2-х с неодинаковым шагом резьбы и из 3-х, различающихся методом обрабокт поверхности. Подходящую ему гайку он может выбрать по наименьшей мере из 2-х типов, и из 2-х типов - шайбу. В целом число вероятных композиций равно 288.

Подсчитано, что цена хранения запасов деталей 1-го наименования обходится более чем в 2 тыс.долл. в год. Каждое из этих наименований нужно записать в банк данных вычислительной техники, откуда в подходящий момент можно извлечь требуемую информацию. Нужно также поддерживать определенные условия, при которых имеющиеся в наличии детали данного типа сохраняли бы свою пригодность: для хранения запасов требуется особое помещение и, не считая того, нужно располагать техническими и людскими средствами для доставки подходящего оборудования со склада. Все это относится к каждой гайке, болту, шайбе и иным крепежным элементам, используемым при сборке машин и узлов.

Почти все компании склонны уделять существенно меньше внимания крепежным деталям, чем хоть каким иным, из которых собирается тот либо другой узел. Традиционно гайки и болты представляют как стандартизированные дешевые детали, которые постоянно под руками, и при необходимости рабочему достаточно достать до ящика, взять необходимое и установить. В итоге за несколькими исключениями, в том числе в автоиндустрии и в производстве сельскохозяйственной техникии много средств расходуется на увеличение запасов крепежных деталей, также на необоснованное внедрение болтов и гаек с завышенными прочностными чертами, из улучшенных материалов, с особым видом резьбы и особым покрытием. На основании существующего опыта можно сказать, что не каждая промышленная компания, расходующая 1 млн.долл. в год на крепежные детали, может сэкономить 15% от данной суммы лишь за счет более оптимального использования этих деталей.

Так как затяжка делается вручную, большие болты и гайки (диаметром 5/8 д и больше), обычно недозатягиваются, и напротив, более маленькие крепежные детали традиционно затягиваются очень сильно.

Для обеспечения обычной затяжки болтов и гаек употребляются особые гаечные ключи и приспособления. В тех же вариантах, когда к соединению крепежных деталей предъявляются особо твердые требования (с точки зрения обеспечения высочайшей надежности и сохранности), их затяжка осуществляется с внедрением электронных устройств автоматического управления, которые получают все более обширное практическое использование. Используемый в этих системах микропроцессор заведует операцией затяжки (в настоящее время ее может делать и бот). В базе приципа 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 частенько позволяет применить более маленькие или относящиеся к более низкому квалификационному классу крепежные детали, что может обеспечить экономию в размере 10% на каждую деталь. Для компании, которая производит сборку, скажем, 1 млн. машин в год, такая замена крепежных деталей может понизить издержки на 100 тыс.долл. в год. А если учитывать, что после установки более надежного болтового соединения снизится возврат плохой продукции для ремонта, то экономия будет еще больше.

Почти все крепежные детали работают в брутальных средах, вызывающих коррозию, либо в условиях больших температур, а время от времени и при одновременном действии обоих причин. Эталонами предусматривается покрытие деталей, рассчитанных на работу в указанных условиях, особыми составами из фосфата и жидкой смазки либо из темного окисла. для обеспечения повышенной стойкости к коррозии на поверхность крепежных деталей гальваническим методом наносят цинк или кадмий. Однако все эти способы не лишены недочетов. Покрытие цинком и кадмием, например, может повысить хрупкость сплава.

В последнее время разработана технология покрытия крепежных изделий алюминием, которая удачно применяется в авиационно-космической индустрии для деталей, расчитанных для работы в экстремальных условиях, к примеру, в газовых турбинах. Алюминий рассеивается на фосфате либо хромате. Алюминиевые покрытия повышают способность крепежных изделий выдерживать высочайшие температуры и противостоять действию почти всех жидких химических и органических веществ.

Определенные успехи достигнуты и в технологии покрытия инструментов, применяемых при прохладных методах производства крепежных изделий. Эти инструменты, хотя и изготовляются из высокопрочных и жестких материалов, все-таки быстро изнашиваются. Самые огромные издержки в производстве крепежных изделий соединены с заменой используемых для их производства инструментов. Меры, обеспечивающие продление срока службы инструментов для производства крепежных изделий, включают разные виды обработки их поверхностей, такие как цементация, азотирование и гальванопокрытие. Используется также и установка вкладышей карбида титана либо нитрида титана в места, подверженные большему износу.

В настоящее время разработана технология нанесения узкого слоя карбида титана либо нитрида титана химическим методом или способом осаждения. Покрытия не только придают инструментам высшую твердость, но, и исполняют роль смазки, которая понижает трение между инвентарем и обрабатываемой деталью. Указанные технологические приемы в большинстве случаев повышают срок службы инструментов в три-пять раз.

Области применения болтов и гаек

Болты и гайки применяются в различных сферах народного хозяйства и в зависимости от области применения имеют несколько разновидностей. Например, в агропромышленном комплексе большое распространение получили лемешные болты. В изготовлении и ремонте мебели - мебельные. также есть особо прочные болты, изготовленные из высококачественной стали, способные выдерживать нагрузки агрессивных сред.

Болты дорожные и машиностроительные используются в автомобильной отрасли, и смежной с ней отраслях. Для придания особой прочности крепежной конструкции паре болт-гайка, между ними иногда прокладывают шайбу. они изготавливаются из различных видов материалов, для особой прочности также могут быть покрыты цинком. Кроме того, шайбы существенно различаются между собой по форме.

Форма шайбы может быть самой разнообразной: круглой, плоской, волнообразной. Надежность конструкции при использовании шайбы существенно увеличивается, предотвращая возможность самопроизвольного скручивания гайки или вывинчивания болта. Использование пары "гайка-болт" в особых климатических условиях, например, в районах Крайнего Севера, требует надежного закрепления конструкции, и в этом случае, шайба будет просто незаменима.

Одной из разновидностей болтов, гаек и шайб является метрический крепеж. Эта деталь для качественного скрепления всевозможных поверхностей имеет особый вид резьбы. Она так и называется - метрическая. Она имеет такие преимущества, как легкость в установке с возможностью замены этой детали без разрушения самой конструкции. Метрический крепеж нашел свое широкое применение во многих отраслях экономики и бытового производства.

Важно помнить, что крепеж любого вида (болты, гаки, шайбы), включая метрический, изготавливается на основании имеющихся стандартов этой продукции. Изготовленные не по стандарту, эти необходимые элементы теряют такое важное качество, как универсальность, таким образом, резко увеличивая затраты пользователей на приобретение и хранение крепежа. Поэтому, обязательно обращайте внимание на страну изготовления и техническую документацию, на основании которой и были произведены столь необходимые нам детали крепежа.

Болт - это крепежная деталь, представляющая собой цилиндрический стержень с головкой и наружной резьбой. Если нарезка не по всей длине болта, то диаметр в той его части, где нет нарезки, примерно такой же, как и диаметр резьбы, измеренный на вершинах ее витков. Головка болта по форме может быть квадратной, шестигранной, цилиндрической, конической, эллиптической или овальной.

Гайка - металлическая деталь, имеющая обычно квадратную или шестигранную форму, с отверстием в центре. Внутри отверстия имеется резьба, соответствующая резьбе стандартного болта. Гайки бывают различные - стопорные, с продольными шлицами, корончатые, крыльчатые и т.д. Большинство их разновидностей рассчитано на предотвращение ослабления затяжки соединения в условиях вибрации. Стопорные гайки имеют вкладыш из нейлона или другого пластического материала для увеличения сопротивления трения при кручении. С той же целью в них может использоваться резьба с нестандартным профилем нарезки. Гайки с продольными шлицами и корончатые имеют отверстие для шплинта или контровочной проволоки, с помощью которых они прочно удерживаются в заданном положении. И все же, несмотря на эти меры, вибрация или качание часто становятся причиной ослабления соединения.

Чтобы представить, какую важную роль в технике играют разного рода крепежные детали, отметим, что в телефонном аппарате их используется 73, посудомоечной машине - 115, холодильнике - 275, автопогрузчике с вилочным захватом  - 940, крытом грузовом железнодорожном вагоне - 1200, токарно-револьверном станке - 1650, автомобиле - 3500, реактивном самолете - 1,5 млн.

О роли крепежных деталей с точки зрения экономики, можно судить по результатам сделанной в 70-х годах ХХ столетия в Великобритании оценки, показавшей, что на соединение конструктивных элементов различных систем приходится от 20 до 40% общих расходов, связанных с изготовлением этих систем. Примерно то же самое наблюдается и в США. Значительная доля расходов приходится на оплату рабочей силы, занятой на сборочных операциях. Хотя стоимость крепежных деталей механического узла в среднем не превышает 5%, затраты рабочего времени на операции по соединению деталей составляют немногим более половины общих временных затрат на производство готовой продукции. В результате стоимость крепежных деталей, установленных в собранном изделии, увеличивается в 3-10 раз по сравнению с их номинальной стоимостью.