Штампованные гайки из пружинной стали

Томас Доппке, USA

Свыше 45 лет доктор Томас Доппке посвятил деятельности в сфере производства крепежных деталей в Соединенных Штатах. Его трудовая деятельность началась с работы в одной из крупнейшей фирмы-изготовителей автомобилей. Впоследствии он создал свою собственную компанию, консультирующую по различным вопросам, связанным с этой отраслью производства. Его имя хорошо известно в сфере оказания консалтинговых услуг и проведения профессиональной подготовки. В 2001 году его вклад в развитие крепежной промышленности был отмечен занесением его имени в почетный список зала славы «Fastener Hall of Fame».

В этой статье рассмотрены виды стальных пружинных штампованных гаек, приведены указания по их применению, изложены принципы проектирования правильной конструкции штифта, а также перечислены некоторые отличительные особенности, характерные для этих изделий.

Стальные пружинные штампованные гайки - это простой и недорогой метод крепления соеди¬нений с малой нагрузкой. Они представлены большим разнообразием конструкций практически со всеми видами покрытий. Их установка производится с применением минимального набора инструментов и не требует высокой квалификации персонала. Они подходят для применения в сочетании с крепежными элементами и штифтами, без нарезки изготовленными из стали, латуни, пластика и других материалов. Некоторые виды гаек пригодны к использованию с деревянными и керамическими изделиями.

Пружинная гайка представляет собой отштампованную деталь, изготовленную из высокоуглеродистой стали с последующей термообработкой для приобретения твердости не менее HRC 40.

По внешнему виду это или шестигранная корончатая гайка, или плоская прямоугольная, или другой конструктивной формы.

Функциональное использование пружинных гаек в значительной степени зависит от толщины стали. Как правило, основной причиной повреждения является срыв резьбы, поскольку пружинная гайка обладает более высокой прочностью по сравнению, сопряженным элементом с наружной резьбой.

Первоначально штампованные гайки предназначались для установки на нерезьбовые штифты. Штифты могут быть из сплошного или полого материала, из металла или пластмассы, отлиты под давлением или даже изготовлены из дерева.

Применение пружинных штампованных гаек началось в автомобильной промышленности для крепления эмблем и металлических отделок через отверстия в листовом металле кузова с помощью выступающих штифтов.

Быстрая установка и невысокая цена способствовали их более широкому применению в крепежных элементах различных изделиях, где не требуется большая нагрузка. Во многих случаях они использовались в сочетании с резьбовыми элементами, обеспечивая крепежному узлу высокую надежность.

Существует три основных вида штампованных гаек: самонарезающая, нажимная и поворотная, которые завинчивают или фиксируются нажимом. Системы классификации этих деталей многочисленны, и многие компании присвоили этим изделиям свои собственные названия. В этой статье будет использоваться система обозначений, применяемая одним из изготовителей комплектного оборудования для автомобильной промышленности.

Первый вид - самонарезающие гайки, которые изготавливают в виде тарелки типа SD для обычного применения и SH для использования в тяжелых режимах работы, например, с хромированными штифтами для ответственных соединений, многогранные гайки (SF и SK для тяжелых режимов работы) для обеспечения оптимального контакта поверхностей, желудевый тип KL, для закрытия концов штифта, а также обычные и инверсивные (SR/SP). Добавление буквы «W» к обозначению (SKW) означает, что для уплотнения добавлена мастика или иной резьбовой герметик. К другим разновидностям относятся гайки с зубчатыми гранями (SG), использующиеся в заземляющих контактах силовых электрических кабелей, а также другие модификации неклассифицированные по форме.

Проблема коррозии открытых металлических участков (причиной которой является нарезание резьбы) привела к использованию деталей крепежа типа SK вместо гаек SG.

Эксплуатационные характеристики этих деталей зависят от конструкции штифта, на который надевается гайка, толщины металла гайки и шага резьбы штампованной гайки.

Общеизвестно, что чем больше толщина листовой стали используемой для изготовления гайки, тем труднее ее деформировать и тем выше будет ее упругость. Слишком тугая резьба приведет к повреждению штифта (срыв резьбы, соскакивание или разрыв), особенно если штифт выполнен из более мягкого материала. Жесткий материал штифта может привести к срыву резьбы пружинной гайки. Тонкая пружинная гайка будет слишком прогибаться, ослабляя крепежное соединение.

Другие проблемы, такие как соскакивание гайки, излишняя затяжка, деформация гайки или слишком глубокая нарезка резьбы на пластмассовых штифтах также нежелательны.

Для более глубокого понимания преимуществ и недостатков различных видов и разновидностей штампованных гаек необходимо понять, как они работают.

Штампованные гайки используются в двух вариантах, они накручиваются на сопряженный элемент, если он с резьбой или надеваются, если нет резьбы.

В процессе штамповки на гайке формируется одноходовая резьба. В одном случае шаг резьбы должен соответствовать шагу резьбы сопряженного элемента, для которого гайка предназначена, а в случае применения гайки с безрезьбовым штифтом шаг резьбы может быть произвольным.

Для начала рассмотрим пример применения пружинной штампованной гайки с резьбовыми штифтами. Кромки резьбы штампованной пружинной гайки подгоняются к резьбе сопряженного элемента, как показано на рис. 1. По мере увеличения усилия затяжки резьбового соединения происходят два действия. По мере нагружения соединения в результате затяжки гайки происходит ослабление напряжения штампованной полости. На гайке полной высоты верхняя часть постепенно перемещается по направлению внутрь, а нижняя часть перемещается наружу. Штампованная гайка с одноходовой резьбой сжимается по направлению к базовой поверхности. По мере ее перемещения вниз рабочие кромки резьбовой поверхности заходят в соответствующую впадину профиля резьбы штифта, «сдавливая» таким образом резьбу. По мере увеличения толщины стержня штифта для надежной фиксации резьбового соединения требуется и большее усилие затяжки, а следовательно, возрастает изгибающее усилие. Чем больше крутящий момент, тем больше прижимная нагрузка.

Повреждение в резьбовом соединении возникает вследствие критичного изгибания металла гайки по направлению к внешней части резьбы штифта, и дальнейшее усилие затяжки приводит либо к срыву резьбы пружинной гайки, либо к срыву внешней резьбы штифта, в зависимости от их относительной жесткости.

При использовании безрезьбовых штифтов шаг резьбы пружинной гайки может варьироваться в процессе штамповки. Крупная резьба создает слабое прижимное усилие, требуя высокий момент затяжки. Такие гайки применяются с сопряженными элементами с небольшими диаметрами, где слишком высокий момент затяжки приводит к повреждению крепежного элемента. Небольшой шаг требует небольшого крутящего момента, создавая при этом высокое прижимное усилие

Небольшой шаг резьбы подходит для соединений, в которых необходимо высокое прижимное усилие, но при этом нарезаются кольцеобразные канавки кромками резьбы гайки на боковой поверхности резьбы штифта, которые в дальнейшем затрудняют использование соединения.

Большинство крепежных элементов выполняются со средним шагом, который обеспечивает баланс между моментом затяжки и прижимной нагрузкой.

Как происходит завинчивание гайки на штифт?

Прежде всего, материал штифта должен быть мягче, чем материал гайки. В противном случае гайка может пружинить перед нарезанием резьбы (толстый слой хрома на штифтах усложняет задачу правильной фиксации самонарезающей пружинной гайки из-за высокой прочности покрытия и невозможности сформировать правильный профиль резьбы на штифте). Приложенная торцевая нагрузка к гайке обеспечивает, выдавливает материал штифта, формируя заходную часть резьбы. При этом на концевой части штифта должна быть коническая фаска, обеспечивающая правильное формирование заходной части резьбы.

По мере продвижения гайки вниз кромки ее резьбы вдавливаются в материал штифта, нареза¬ют на нем резьбовой профиль.

Если резьба нарезана слишком глубоко, прочность штифта снижается до опасного уровня. Если слишком мелко - резьба не будет держать.

Таким образом, определяющим фактором является правильная конструкция штифта. В промышленности в основном используются самонарезающие штампованные гайки.

Второй вид - нажимные стальные штампованные гайки используются в основном в потребительских товарах и игрушках. Например, всем известны нажимные стопорные колпачковые гайки, которые используются в детских велосипедах для удерживания колес на осях. Существует так же большое количество конструкций стопоров для болтовых соединений, выполненных в виде штампованной нажимной гайки, которые используются для фиксации болтов до выполнения какой-либо вторичной операции.

Существует множество разновидностей дугообразных гаек (тип нажимной гайки), которые насаживаются в нужное положение на соответствующем стержне.

Этот вид гайки обеспечивает некоторое натяжение, предотвращая ослабление крепления в собранном изделии.

В оптимальном случае дугообразная гайка должна прижиматься как можно сильнее, вплоть до распрямления. Для этого опорная поверхность, на которой она устанавливается, должна быть достаточно жесткой, чтобы не допустить врезание кромки гайки в опорную поверхность, а стержень должен быть достаточно прочным, чтобы не сломаться.

Колпачковые гайки (тип нажимной гайки) достаточно хорошо известны, чтобы о них нужно было много говорить. Хотя колпочковая гайка, как правило, и не допускает многоразового использования, существуют конструкции, которые можно использовать несколько раз, если не произошло деформирования при предыдущих установках.

Штифты и стержни, используемые в крепежных элементах совместно с пружинной прижимной штампованной гайкой, должны быть достаточно прочными во избежание искривления при продвижении гайки вниз по штифту или стержню. Соединения, выполненные с использованием пружинной прижимной гайки, удерживаются за счет силы натяжения при очень малых нагрузках. Исключение составляют дугообразные гайки. Детали этого типа соединения обычно не снимаются без разрушения и не подлежат многократному использованию. Из всех трех видов гаек они обладают наименьшим прижимным усилием.

Третий вид - поворотная гайка обладает свойствами нажимной и затяжной гайки. Эта гайка имеет несколько разновидностей. Они могут быть тарельчатыми (BD), фланцевыми (BF) или некорончатыми (BR). Прикладывать к ним значительные усилия не рекомендуется, поскольку можно сорвать резьбу штифта, нарезать кольцеобразные пазы на боковой поверхности резьбы, что приведет к потере прижимного усилия в соединении. Гайка плотно сажается на штифт и закручивается приблизительно на 1/4 оборота. При этом она ведет себя так же, как дугообразная гайка, оборотом обеспечивается плотная посадка гайки. Такие гайки можно снимать и многократно использовать без какого-либо ущерба как для самой гайки, так и для штифта.

Этот вид гайки используется со штифтом, выполненным из хрупкого материала, когда штифты изготовлены из мягкой или хрупкой пластмассы или когда штифт или стержень приварен к опорной поверхности и не обладает достаточной прочностью, чтобы выдержать момент затяжки самонарезной гайки. Прижимное усилие поворотной штампованной гайки больше, чем у нажимной гайки, но значительно меньше, чем у самонарезающей. Такие гайки не могут служить для стяжки деформированных или покоробленных листов пластмассы или металла и могут использоваться только для стягивания мягких прокладок.

Надежность соединения обеспечивается конструкцией всех его элементов. Наилучшая технология и хорошо подобранные инструменты не гарантируют надежного соединения при неправильной конструкции штифта или стержня. Материал штифта должен быть мягче материала гайки, если она сама нарезает ответную резьбу. Штифт или стержень должен быть круглым в сечении, хотя при определенных условиях допустимо квадратное сечение и сечение переменного радиуса. Штифты должны подвергаться испытаниям в реальных производственных условиях для определения необходимого момента затяжки. Использовать хромированное и никелевое покрытия нужно с осторожностью, так как эти виды покрытий по твердости часто превышают твердость штампованной гайки. Для правильного накручивания штампованной гайки рекомендуется на заборной части штифта иметь конус от 40 до 60. Особое внимание следует уделить при использовании штифтов отлитых под давлением или отформованных в специальных штампах, где требуется угол штамповочного уклона для снятия детали со штампа около 10. При этом основание штифта длиной 12 мм будет на 0,40 мм больше, чем на его конце, что может повлечь ненадежность будущего крепежного соединения.

Соответствие допуска резьбы гайки допуску резьбы штифта являются важным фактором. При проектировании крепежных соединений с использованием пружинных гаек этот показатель следует учитывать. Для металлических штифтов (включая покрытие) допуск равен +0,05...-0.08 мм. У пластмассовых штифтов допуск составляет +0.13...-0.00. По возможности рекомендуется использовать стальные штифты из низкоуглеродистой стали, твердость которых не превышает по Роквеллу HRB 80 для самонарезных гаек, SOT 78 для нажимных гаек.

Диаметр алюминиевых штифтов и стержней должен быть не менее 3,5 мм.

Крепежные стержневые изделия меньших диаметров из мягких материалов не обеспечивают достаточной прочности, необходимой для предотвращения срывания резьбы даже при небольших усилиях закручивания.

Нержавеющая сталь, как правило, не используется, так как она обладает избыточной жесткостью, что не пригодно для большинства гаек. Для штифтов из нержавеющей стали хорошо подходят нажимные гайки.

Меньше проблем создают штифты, отлитые под давлением и не покрытые хромом или никелем. Алюминий, отлитый под давлением, слишком мягкий, что осложняет использование таких штифтов, если их диаметр менее 3,5 мм. Диметр пластмассовых штифтов должен быть не менее 5 м м, при использовании мягких материалов и не менее 4 мм при использовании материалов с более высоким пределом прочности на растяжение.

Для крепления хрупких пластмасс (акрила, стирола и т.д.) самонарезные гайки не применяются. Нажимные гайки подходят для насадки на штифты диаметром не менее 4 мм.

Штампованные пружинные гайки различаются по виду, толщине металла, из которого они изготовлены, покрытий, конструктивных особенностей и по многим другим характеристикам. Результаты применения зависят от этих характеристик.

Данные, указанные в таблицах к данной статье, приведены только для справки.