Самый старый и наиболее надежный способ соединения листового материала с помощью заклепок до сих пор используется в наиболее ответственных местах соединения металла. Правильно подобранная заклепка выдерживает нагрузку не хуже сварочного соединения. Для вибраций или знакопеременной нагрузки лучше заклепки еще ничего не придумали.
Виды заклепок
Разновидностей заклепок существует не так много, как может показаться на первый взгляд:
- Простая заклепка общего назначения по ГОСТ 10299 80. Их легко отличить по грибовидной форме, называемой еще системой с замыкающей головкой. Для такой заклепки характерна высокая прочность и стойкость при любых нагрузках;
- Заклепка вытяжная, используется для «сшивания» двух листов металла в случаях, когда доступ к соединяемым листам возможен только с одной стороны. Параметры и описание определяются ГОСТ 15973—2005;
- Наиболее технологичными принято считать резьбовые заклепки, они боле удобны в работе и позволяют создавать разборное соединение, DIN 7338 .
Важно ! Материалы для заклепочного соединения должны обладать определенной пластичностью и вязкостью, поэтому для их изготовления используют малоуглеродистую сталь, медь, алюминиевые деформируемые сплавы.
Применение заклепок
Выбор конкретных параметров и разновидности крепежа определяется тремя основными критериями:
- Обеспечения необходимой прочности соединения, с учетом дополнительных параметров и требований к шву;
- Технологическими возможностями оборудования для работы с конкретным видом заклепочного соединения;
- Экономической целесообразностью использования клепаного соединения;
Резьбовые гайки-заклепки
Способ соединения с помощью резьбовых заклепок сегодня можно назвать самым универсальным. Основная идея соединения заключается в остроумной идее фиксации тела заклепки в клепочном отверстии. Для этих целей используется заклепочник для резьбовых заклепок. Сама резьбовая конструкция представляет собой полую гильзу с внутренней резьбой.
При выполнении соединения эта гильза вставляется в просверленное отверстие и выравнивается таким образом, чтобы соединяемые части плотно прилегали друг к другу. После этого в резьбовое отверстие внутрь заготовки вкручивается стержень заклепочника. Передняя стенка гильзы фиксируется опорной поверхностью инструмента, не давая заклепке выйти из отверстия. Чтобы расклепать гильзу, стержень заклепочника перемещается с большим усилием в сторону опорной поверхности. Гильза при этом сминается и осаживается, тем самым образуя прочное неподвижное соединение.
Стержень заклепочника свободно выворачивается из тела втулки. Чаще всего применяются заклепки алюминиевые, латунные или медные. Использование последних ограничено высокой стоимостью, поэтому они устанавливаются в тех случаях, когда нужно обеспечить хороший электрический контакт между соединяемыми поверхностями.
К достоинствам резьбового заклепочного соединения относят ее «малотравматичность». При работе стержня заклепочника соединяемый металл не испытывает больших нагрузок или деформаций. Резьбовой втулкой легко соединять тонкостенный металл или профиль сложной конфигурации. Такой крепеж широко используется в сборке бытовой техники, в соединении отдельных узлов облицовки автомобилей, при изготовлении различного рода конструкций из профнастила.
Вытяжные заклепки
Недостатком резьбовых видов клепки является их высокая стоимость и относительно небольшая скорость выполнения соединений. Поэтому для случаев, когда соединяемые листы металла, профиля требуется соединить с использованием нескольких сотен или тысяч точек, применяют вытяжной вид заклепки.
Это могут быть стальные, латунные метизы, заклепки из алюминия, сплавов алюминия и кремния. В отличие от резьбовой, в вытяжной схеме деформация гильзы осуществляется с помощью стержня с утолщением на конце, запрессованного внутрь тела крепежной втулки. Как и в предыдущем случае, чтобы осадить тело заклепки, ее торец упирают в опорную поверхность заклепочника, после выравнивания центральный стержень с усилием вытягивают на несколько миллиметров. В результате стенки гильзы деформируются, образуя достаточно прочное неразъемное соединение. Хвостовик стержня чаще всего обламывается или обрезается по уровню среза гильзы.
К сведению ! Вытяжная схема обеспечивает очень хорошую скорость клепки металла.
Классическая конструкция заклепки
Основным метизом для клепки листов в машиностроении считаются заклепки стальные, нормированные требованиями еще советского ГОСТа 10299 80. Они чаще всего соединяют высоконагруженные стальные конструкции, используемые в строительном деле. Например, в каркасах и опорных сборках. Преимуществом классической формы является возможность соединения двух листовых поверхностей толщиной более 30 мм.
В отдельных случаях ГОСТ 10299 80 допускает соединение сборки до 35 мм. В отличие от предыдущих видов заклепок, классическую заклепку устанавливают только при наличии опорной поверхности с обратной стороны плоскости соединения. Это необходимо для компенсации ударной нагрузки по заклепочному хвостовику.
Технология клепки выполняется в следующем порядке:
- Линию, по которой будет осуществляться установка заклепочного соединения, размечают точками под сверловку отверстий в соединяемом металле.
- Листы металла фиксируют с помощью механических приспособлений типа струбцин или даже точечной сваркой. Выполняют сверление крайних точек установки крепежа, в которые вставляют центрирующие металлические штифты. При этом диаметр отверстий выбирают в соответствии с рекомендациями ГОСТ 10299 80 примерно на 10% больше диаметра тела хвостовика.
- В просверленное отверстие вставляется метиз таким образом, чтобы головка находилась с обратной стороны соединяемой поверхности. Длина крепежа также выбирается в соответствии с ГОСТ 10299 80. Это обеспечит формирование второй головки из хвостовика нормальных размеров после его расклепывания молотком или электрическим ударником.
К сведению! Размеры, выбранные в соответствии с ГОСТ 10299 80, обеспечивают максимальную прочность соединения.
При выборе более тонкого по диаметру стержня его прочности может не хватить для жесткого соединения. В этом случае перерезающее усилие в радиальном направлении способно оборвать по очереди большую часть соединений. После расклепывания металл крепежа должен полностью заполнить отверстия с небольшим натягом.
Не следует пренебрегать рекомендациями ГОСТа 10299 80 при выборе длины хвостовика крепежа. Слишком длинный хвостовик помешает правильной деформации и осаживанию металла. Слишком короткий не обеспечит образование второй головки необходимых размеров и прочности.
Для увеличения пластичности заклепки из определенных марок стали могут перед установкой разогреваться до высокой температуры с проковкой головок и закалкой крепежа. Заклепки алюминиевые, медные, латунные перед установкой могут проходить обработку специальными жидкостями, предупреждающими развитие электрохимической коррозии.
Заключение
Несмотря на значительную трудоемкость установки и некоторую архаичность заклепочного крепежа, клепаное соединение до сих пор широко применяется в конструкциях самолетов, судов, железнодорожных мостов. Поэтому в ближайшие 20-30 лет характер и способ использования заклепочного соединения, скорее всего, не изменится.
Горячую клепку применяют в силовых и прочноплотных соединениях при диаметре заклепок более 8—10 мм. Заклепки меньшего диаметра устанавливают по большей части вхолодную.
Заклепку с предварительно отформованной головкой (закладная головка ) нагревают до пластического состояния (900—1000°С), вводят в отверстия, совместно пробитые или просверленные в соединяемых деталях, после чего, поддерживая головку, осаживают противоположный конец заклепки клепальным инструментом ударного или прессового действия (рис. 21, а), формируя замыкающую (высадную ) головку (рис. 21, б). При остывании заклепка усаживается, плотно сжимая соединяемые детали.
Прочность соединения почти целиком определяется силами трения, возникающими на поверхности стыка деталей в результате усадки заклепок.
В начальной стадии остывания, когда металл заклепки находится в пластичном состоянии, стержень заклепки вытягивается, в результате чего уменьшается его диаметр. Заклепка в это время не развивает сколько-нибудь значительного давления на соединяемые детали. С понижением температуры материал заклепки постепенно упрочняется и начинает оказывать сопротивление усадке. Окончательная стягивающая сила определяется сжатием заклепки за период остывания с температуры, при которой пластические деформации материала заклепки сменяются упругими деформациями, до температуры полного остывания. Это же сжатие определяет растягивающие напряжения в стержне заклепки.
В процессе остывания диаметр стержня уменьшается вследствие пластической вытяжки в первый период остывания, упругой вытяжки и сокращения поперечных размеров при окончательном остывании. Объем заклепки изменяется также в результате происходящего при остывании γ—α-превращения.
В результате совместного действия этих факторов между стержнем и стенками отверстия (даже если заклепку вводят в отверстие первоначально без зазора, например, из-под молотка) образуется зазор, достигающий десятых долей миллиметра. Принятая в настоящее время схема расчета заклепочных соединений на срез стержней заклепок, смятие стенок отверстия и поверхности стержней действием поперечной силы Р (рис. 22, а) не согласуется с действительными условиями работы заклепочных соединений.
Заклепки начинают работать на срез только после того, как произойдет сдвиг соединяемых деталей на зазор между стержнем заклепки и стенками отверстия, т. е. когда уже нарушена работоспособность заклепочного соединения.
При расчете горячих заклепочных соединений правильнее исходить из величины осевой силы N, развиваемой заклепкой при усадке, и силы трения Р = Nf на стыке (вид б). Осевая сила
где F — площадь поперечного сечения заклепки; σ — растягивающее напряжение, возникающее в заклепке в конце усадки:
Здесь Е и α — соответственно модуль нормальной упругости и коэффициент линейного расширения материала заклепки; t 0 — конечная температура охлаждения; t 1 — температура, при которой прекращается пластическое течение материала заклепки и начинается упругая вытяжка стержня заклепки.
Трудность расчета по этой схеме состоит в том, что входящие в уравнение величины переменны. Величины Е и α зависят от температуры, а температура t 1 неопределенна вследствие растянутости периода перехода пластических деформаций в упругие. Расчет осложняется из-за неодинакового нагрева заклепок перед клепанием, а также неравномерного температурного поля по оси заклепок. Например, часто нагревают только свободный конец заклепки, из которого формируется замыкающая головка, оставляя закладную головку холодной. При этом стягивающая сила значительно уменьшается.
Схема чистого сдвига (виды а, б) на практике встречается редко. В большинстве случаев заклепочные соединения подвергаются дополнительным напряжениям, например, изгибу или растяжению (виды в, г), возникающим в результате деформации узла под действием внешних сил.
Существующий расчет не учитывает решающий для прочности фактор — растяжение заклепки в результате усадки при остывании. Если даже за основу принимать схему работы заклепок на срез, то расчет следовало бы вести по сложному напряженному состоянию сдвиг — растяжение.
Практически при выборе параметров заклепочных соединений главным образом опираются на исполненные конструкции, учитывая вместе с тем специфические условия работы проектируемого соединения (требования к герметичности, рабочие температуры, воздействие агрессивных сред и т, д.). Почти в каждой области, где применяют горячие заклепочные соединения, существуют свои нормативы, проверенные в эксплуатации (хотя, может быть, и не самые рациональные).
На сегодняшний день самый надежный вариант крепежных соединений – неразъемный, и, имея на руках специальные инструменты, можно не задумываться над вопросом, как заклепать заклепку. Далее мы расскажем, как именно выполняются подобные крепежи.
1
Что собой представляет этот крепеж? Изначально, исторически, это металлический стержень, реже – пластинка. Всегда с закладной головкой с одной стороны (шляпкой, ограничивающей движение элемента в отверстии) и замыкающей – на другом конце. Впервые использовался для изготовления доспехов, таких как латы и кольчуги, а также для соединения некоторых элементов холодного и раннего огнестрельного оружия. Если закладная головка имеется изначально, то замыкающая возникает вследствие процесса осадки (расклепывания) или же при помощи специального инструмента за счет деформации вытяжным стержнем. Логично, что осадка применяется к литым или штампованным, цельнометаллическим элементам, а деформация стержнем возможна только при использовании пустотелых (трубчатых) вытяжных заклепок. Также существуют взрывные и разрезные варианты.
Разнообразные виды заклепок
Итак, мы знаем, что рассматриваемые нами крепежные элементы являются неразъемными, что обеспечивает зачастую высокую надежность. Но прочность соединения зависит в первую очередь от материала, поэтому мы сначала рассмотрим разновидности клепок именно по этой характеристике. Наиболее распространенные – алюминиевые крепежи, во многих производственных процессах, а также в ряде ремесел используются медные и латунные стержни. Все эти материалы не имеют высокую степень надежности и годятся лишь там, где нет больших нагрузок, для крепежа декоративных деталей. Помимо прочего, существуют стальные клепки, в том числе и из нержавейки, они обеспечивают достаточно прочное соединение и пригодны даже для сборки несущих конструкций и машиностроения.
Очень важно при монтаже металлических деталей использовать клепки из того же материала, что и соединяемые элементы.
2
Прежде, чем использовать заклепки, нужно знать, как правильно клепать те или иные детали. Существует немало способов соединения, но делятся они, как правило, на 3 вида. Прочные крепежи используются исключительно там, где присутствуют определенные нагрузки. Герметичные, как это понятно из названия, нужны для того, чтобы обеспечить герметичность в местах соединения листов или каких-либо деталей. И, наконец, прочно герметичные выполняют обе функции. Следует отметить, что для второго типа, то есть для герметичных заклепок, закладные головки делают усиленными.
Вытяжные заклепки
Наиболее распространенный способ соединения – внахлест, при этом применяется он не только к , но и к деталям сложной формы. Этот вариант также называют односрезным. Под воздействием разнонаправленных нагрузок, например, при растягивании, такой шов может легко деформироваться. Более прочным является соединение встык, с использованием одной или двух (по обе стороны от шва) накладок, но такой вариант, называемый также многосрезным, сильно утяжеляет конструкцию и приводит к большему расходу материала. Установка заклепок при крепеже может быть цепной или шахматной, вторая более надежная, но очень трудоемкая.
Закладные головки бывают самых разных форм. Наиболее часто используемые – полукруглые и потайные. Первые полностью перекрывают собой отверстие, как шляпка винта, а для вторых канал развальцовывается с тем, чтобы имеющая форму перевернутого срезанного конуса головка полностью поместилась в лунке. Во втором случае поверхность детали остается гладкой, поскольку клепание происходит заподлицо, и разрушение таких заклепок становится затруднительным. Также существуют полупотайные форм-факторы (с небольшой округлой выпуклостью), плоские, плоскоконические, конические и овальные.
3
Наиболее часто сегодня используются вытяжные клепальные элементы, которые особенно удобны, если необходимо прикрепить деталь к поверхности, противоположная сторона которой недоступна. Они представляют собой трубку с развальцовкой на одном из торцов (аналог закладной головки), в канале которой проходит стержень со шляпкой на ровном конце клепки. С развальцованной стороны выдвинута большая часть стержня, с которой и происходит сцепление зажима инструмента, для последующего протягивания сквозь трубку. Ровный ее конец сминается шляпкой стержня и образует замыкающую головку.
Заклепки для металла
Однако следует учитывать, что при соединении двух деталей расширяется и ее канал, поэтому края отверстий должны быть прочными, не подвергающимися деформации. Поэтому для крепежа пластин из достаточно мягкого материала, будь то пластик или алюминий, должны применяться закладные втулки из стали или же шайбы с обеих сторон соединяющихся деталей. То же касается и соединений, которые должны быть подвижными, шарнирными, к ним также применимы в комплексе с шайбами втулки, причем длина их должна превышать суммарную толщину скрепляемых пластин.
4
В отличие от вытяжных, обычные литые или штампованные клепальные элементы нужно устанавливать с применением определенных прилагаемых к замыкающему концу усилий. Это может быть прессование или же целенаправленные удары для расплющивания выходящего из отверстия конца стержня. Второй вариант больше всего напоминает ковку, тем более что выполняется он холодным или горячим способом. Если толщина клепки не превышает 1 сантиметр, можно использовать холодную оковку замыкающей головки. Если же диаметр больше 10 миллиметров, то необходимо накаливание крепежного элемента для облегчения расплющивания его конца.
Инструмент для заклепки
Как правило, перед тем, как расклепать горячим способом заклепку, ее нагревают в горне, после чего устанавливают в отверстие и несколькими сильными ударами делают плоскую замыкающую шляпку. При этом снизу должна располагаться наковаленка с лункой под закладную головку. Для холодного способа применяется специальный инструмент – боек с лункой полукруглой формы, при помощи которого формируется ровная полусфера путем деформации выходящего из отверстия конца в пределах выемки. Оковка обычным молотом дает такой же результат, если бить по торцу, направляя удары слегка вскользь, от центра к краям, но такая головка будет менее аккуратная.
5
Как мы уже говорили, рассматриваемый тип соединения является неразъемным, однако, если все-таки необходимо разобрать конструкцию, детали которой склепаны между собой, можно использовать несколько разных методов. Самый распространенный, который обычно применяется к вытяжным, взрывным и разрезным типам крепежей, а также там, где имеют место потайные головки – высверливание. Для этого сверло, соответствующее предположительному или точно известному диаметру отверстия, устанавливается точно в центр закладной или замыкающей головки, после чего делается лунка на необходимую глубину или же сквозной канал. После этого несколькими точными ударами можно легко выбить клепку.
Инструмент для удаления заклепок
Второй способ несколько трудоемкий, однако, вполне эффективный для головок, которые хорошо видны над поверхностью, то есть для полукруглых и конических. Вам понадобится специальное зубило, напоминающее формой стамеску, с помощью которого необходимо срубить шляпку, нанося резкие и сильные удары по тыльному концу рукоятки. Также может подойти и остро заточенная стамеска, однако этот инструмент рекомендуется использовать только для заклепок небольших диаметров. Крепежные элементы со стержнем около 1 сантиметра и более таким способом срезать очень сложно.
Самый простой метод для удаления заклепок с выступающими головками – применить угловую шлифовальную машину, в просторечии именуемую болгаркой. На нее лучше всего установить для этой цели отрезной диск, и, подведя сбоку к головке, аккуратно срезать ее. Если при этом есть вероятность повредить поверхность детали, с которой удаляется соединение, рекомендуется использовать грубый шлифовальный диск, при помощи которого головка просто аккуратно стачивается до основания. Далее, установив любой достаточно острый инструмент, например, пробойник, можно сильным ударом молотка легко выбить стержень заклепки из отверстия.
Клепка металла – это процесс получения неразъемного соединения сравнительно тонких деталей: металлических листов или полосок, или листа железа с полосой ил металла.
Клепка производится при помощи заклепок, которые изготавливаются из мягкой стали и представляют собой цилиндрические стержни с двумя головками. Одна из этих головок называется закладной, а другая, расклепываемая на другом конце стержня, - замыкающей. Именно замыкающая головка обеспечивает скрепление деталей.
В зависимости от требований к поверхности, замыкающие головки заклепок могут быть полукруглыми, потайными, полупотайными или плоскими. Если обе головки заклепки располагаются над поверхностями склепанных деталей, клепка называется обыкновенной. Если же головки заклепки помещаются заподлицо с поверхностями склепанных деталей, клепку называют потайной.
Заклепочные соединения подразделяются на:
Прочные (рассчитаны только на восприятие силовых нагрузок);
- плотные (обеспечивают герметичность соединения в резервуарах с невысоким давлением);
- прочноплотные.
Для обеспечения герметичность соединения на поверхность стыка наносятся различные герметики или под стык подкладываются разные пластичные материалы. Для выполнения герметичных соединений используют заклепки с усиленными головками.
В зависимости от конструкции выделяют однорядные, двухрядные и многорядные заклепочные соединения с расположением заклепок параллельными рядами или шахматном порядке. В однорядных соединениях расстояние между центрами заклепок (шаг заклепочного шва) должно быть равно трем диаметрам заклепки, а в двухрядных соединениях – четырем диаметрам заклепки.
По количеству плоскостей среза такие соединения подразделяются на одно- и многосрезные. В качестве еще одного критерия для классификации выступает характер воздействия нагрузки на заклепочное соединение. Нагрузка может воздействовать на заклепочное соединение в продольном направлении, параллельном оси заклепок, и в поперечном, перпендикулярном оси заклепок.
По конструкции заклепочные соединения во многом схожи с паянными, клеевыми и сварными соединениями. Детали и листы, соединяемые заклепочным швом, могут располагаться внахлестку или встык с накладками.
Заклепки изготавливаются для разных способов установки. Односторонняя клепка выполняется с использованием множества видов заклепок, включая отрывные и взрывные. При обычной клепке наковаленка-поддержка может находиться с лицевой либо с тыльной стороны. Преимуществом последнего способа является возможность использования более легкой по весу наковаленки-поддержки.
Клепка бывает холодной, горячей и смешанной. При холодной клепке замыкающая головка заклепки высаживается в холодном состоянии. Холодную клепку используют, когда толщина стержня заклепки не превышает 8 мм.
Горячая клепка предусматривает предварительный разогрев стержня заклепки до температуры красного каления. Данный способ применяют при толщине стержня заклепки 8 мм и более.
Технология клепки
При ручной клепке для осаживания стержня заклепки используется кувалда или ручной клепальный пневматический молоток. Ручная клепка выполняется следующим образом. Клепальщик вставляет в буксу молотка наковаьню-поддержку, затем в правую руку берет рукоятку молотка, одновременно левой рукой поддерживая его ствол, направляемый на расклепываемую заклепку. Прижав молоток к заклепке, клепальщик пускает его в работу.
Как правило, в процессе клепки участвуют два человека – клепальщик и его подручный. Подручный молотком меньшей мощности клепает с внутренней стороны, подбивая заклепку, а клепальщик в это время клепает с наружной стороны, заклепку осаживая. Таким образом достигается уплотнение листов и, как результат, высокое качество клепки.
В последнее время для выполнения клепки вместо клепального молотка и наковальни-поддержки все чаще применяются клепальные прессы с ЧПУ, которые позволяют увеличить производительность и автоматизировать процесс клепки.
Преимущества и недостатки заклепочных соединений
В число недостатков заклепочных соединений входят трудоемкость процесса, повышенная материалоемкость соединения, необходимость специальных мер для обеспечения герметичности, а также шум и вибрация, сопровождающие процесс.
При этом заклепочные соединения препятствуют распространению усталостных трещин, повышая надежность всего изделия. Еще одно преимущество – возможность соединения не поддающихся сварке материалов.
