Абразивные материалы и инструменты
Определение и классификация. Абразивные материалы (от лат. abrasio — соскабливаю) — вещества, обладающие высокой твердостью и используемые в свободном (материалы) или связанном (инструменты) состоянии для механической обработки поверхности различных изделий. В современном представлении абразивные материалы (абразивы) — это, как правило, сыпучие материалы, полученные путем дробления и рассева природных кристаллических минералов или искусственных (синтетических) материалов. Их называют еще шлифовальные материалы, шлифзерно, абразивное зерно и т. п. Принцип их действия заключается в удалении части обрабатываемой поверхности острыми выступами абразива. При этом от абразивных частиц, имеющих, как правило, кристаллическую структуру, откалываются микроскопические крупицы, образуя новые рабочие кромки.
Абразивные материалы и инструменты по способу применения подразделяются на три группы:
• свободные абразивы, используемые в свободном состоянии в виде зерен, порошков для пескоструйной или ручной обработки поверхности и в составе абразивных паст, суспензий и гелей;
• абразивы в связке, используемые в виде зерен, скрепленных связкой в различные по форме и назначению абразивные инструменты на жесткой основе (могут быть в виде дисков, кругов, брусков и т. п.);
• абразивные покрытия получают нанесением на гибкую основу (ткань, бумагу и др.) абразивных зерен, закрепленных на ее поверхности с помощью клеев и смол.
Связка должна исключать преждевременное выкрашивание отдельных зерен, их залипание и не должна захватывать частицы срезанного материала. Связки могут быть металлическими и неметаллическими.
Металлические связки применяют только для инструментов, в которых абразивом служит природный или синтетический алмаз. Рабочие элементы абразивного инструмента в этом случае получают методом порошковой металлургии или вплавляя зерна в поверхность металла.
Неметаллические связки могут быть органического (вулканическая или бакелитовая) или неорганического (керамическая) происхождения. Инструменты на основе органической связки имеют тепловые ограничения, что требует осторожного использования охлаждающих жидкостей, и подвержены воздействию щелочей. Но эластичность органики делает незаменимым такой инструмент для операций по снятию больших припусков (например, при обдирке). Бакелитовая связка обозначается на инструментах русской буквой Б или латинской В, вулканитовая связка — русской буквой В или латинской R.
Керамическую связку получают из глиняных масс, которые в процессе обжига превращаются в стекло или фарфор. Она обладает высокой огнеупорностью, химической стойкостью и водостойкостью. К недостаткам следует отнести хрупкость и, как следствие, непригодность для работ с высокой ударной нагрузкой. Однако керамическая связка хорошо «держит» форму, что важно при высокоточном шлифовании, имеет высокую износостойкость и выдерживает высокие температуры. На отечественном инструменте керамическая связка обозначается буквой К, а на импортном - буквой V.
Точность размеров и геометрической формы абразивного инструмента характеризуется тремя классами — АА, А и Б. Для менее ответственных операций абразивной обработки применяют абразивный инструмент класса Б. Более точным и качественным является абразивный инструмент класса А. Для работы в автоматических линиях, на высокопрецизионных и многокруговых станках применяют прецизионный абразивный инструмент класса АА, отличающийся наибольшей точностью геометрических параметров, однородностью зернового состава, уравновешенностью абразивной массы и изготавливающийся из лучших сортов шлифовальных материалов.
Абразивные материалы используются в процессах шлифования, полирования, хонингования, суперфиниширования, разрезания материалов и широко применяются в заготовительном производстве и окончательной обработке различных металлических и неметаллических материалов.
Разновидности абразивных материалов. Абразивные материалы могут быть природными и синтетическими. К природным абразивным материалам относятся:
• алмаз природный — кристаллическая модификация углерода, т. е. состоит из одного химического элемента. В природе встречается в виде небольших кристаллов различной формы от 0,005 до нескольких карат (карат равен 0,2 г). Алмаз обладает наибольшей твердостью из всех известных в природе материалов. Твердость по минералогической шкале Мооса — 10. На мировом рынке различают два вида алмазов — ювелирные и технические. Последние применяются в виде порошков, а также отдельных кристаллов, которым путем огранки придают нужную форму (резцы, фильеры);
• корунд — горная порода, состоящая из кристаллического безводного глинозема (оксида алюминия) с примесями других металлов. Он более вязкий и менее хрупкий, чем алмаз, и обладает меньшей твердостью. Твердость корунда по минералогической шкале Мооса — 9. Применяется для изготовления шлифовальных и полировальных порошков, резки металла, твердых камней и стекла;
• наждак — мелко- и тонкозернистая горная порода, в которой корунд находится в тесном срастании с другими минералами (магнетитом, сульфидами металлов). По абразивной способности незначительно уступает корунду. Твердость по шкале Мооса — 7...8. Наждак, содержащий до 60% корунда, используется в качестве природного абразивного материала. Легко измельчается и используется для изготовления абразивно-доводочных материалов, отделки лестничных ступеней, полов, тротуаров и самой дешевой наждачной бумаги;
• кварц - природный минерал (кристаллический диоксид кремния Si02) и один из наиболее доступных абразивных материалов. Твердость по минералогической шкале Мооса — 7. На основе кварца изготовляют так называемую стеклянную шкурку;
• пемза — тонкопористый и поэтому очень легкий (не тонет в воде) природный материал вулканического происхождения. Легко измельчается при сравнительно высокой твердости (по шкале Мооса — 6).
Синтетические абразивные материалы:
• алмазы синтетические получают синтезом из графита при высоких давлениях и высокой температуре. Варьирование условий синтеза позволяет получать кристаллы разных размеров (до 4 мм), степени совершенства, чистоты, а следовательно, и с заданными физико-механическими характеристиками. Практически они имеют те же физические и химические свойства, что и природные алмазы. Выпускаются обыкновенной, повышенной и высокой прочности. Используются для обработки твердых сплавов, камня, стекла и цветных металлов;
• нитрид бора (в США — боразон, в СНГ — эльбор и кубонит) получают путем синтеза при высоких значениях давления и температуры. Кристаллическая решетка нитрида бора является алмазоподобной, т. е. она имеет такое же строение, как и решетка алмаза, но содержит атомы бора (44,3%) и азота (56,4%) и имеет несколько большие параметры. Нитрид бора по сравнению с алмазом имеет меньшую твердость, но более высокую теплостойкость (до 1200 °С) и нейтрален к железу, т. е. не вступает с ним в химическое взаимодействие. Из нитрида бора получают шлифпорошки и микропорошки, из которых затем изготовляют абразивно-доводочные и полировальные пасты («Эльбора», «Кубонита» и др.);
• карбид бора представляет собой соединение бора с углеродом. Твердость и абразивная способность зерен карбида бора ниже, чем алмазов и зерен из нитрида бора, но выше, чем зерен из электрокорунда и карбида кремния. Карбид бора используется в порошках и пастах для доводки изделий из твердых материалов;
• карбид кремния (карборунд) представляет собой химическое соединение углерода с кремнием. Имеет исключительно высокую твердость, уступая только алмазу и карбиду бора. Устойчив в различных химических средах, в том числе при высоких температурах. Кристаллы карборунда бесцветные и имеют алмазный блеск. Но технический карборунд в зависимости от содержания примесей бывает двух марок: зеленый (содержащий не менее 97% карбида кремния) и черный (95-97% карбида кремния). Зеленый карбид кремния по сравнению с черным более хрупкий, однако абразивная способность его примерно на 20% выше. Как абразивный материал карбид кремния применяется при шлифовании, для резания твердых материалов и заточки инструментов. Из карбида кремния производятся шкурки на бумажной и тканевой основах, шлифовальные круги и бруски на керамической, синтетической и органической основах;
• электрокорунды (белый, нормальный, хромистый, титанистый, монокорунд и др.) представляют собой искусственно синтезированные корунды в результате термической обработки различного высокоглиноземистого сырья (бокситов). Используют для приготовления абразивно-доводочных материалов.
• нитрид углерода — соединение азота с углеродом. Считается высококачественным абразивным материалом.
Свойства. Основными качественными характеристиками абразивных материалов являются форма и крупность абразивных зерен, их прочность, твердость, вязкость, хрупкость, абразивная способность, минеральный и гранулометрический (зернистость) составы.
Абразивное зерно представляет собой кристаллический осколок (кристаллит), состоящий из множества мелких кристаллов, режущей кромкой у которого является ребро. Абразивное зерно может иметь как приблизительно равные размеры по высоте, ширине и толщине (изометрическая форма), так и обладать пластинчатой, мечевидной и другими формами. Рациональной является изометрическая или близкая к ней форма зерна, так как каждое зерно является резцом. Наименее выгодная форма — игольчатая.
Зернистость характеризует размер и однородность абразивных материалов основной (преобладающей) фракции и выражается в метрической и дюймовой системах. В зависимости от величины зерен абразивные материалы подразделяют на группы и номера зернистости. При этом в разных странах маркировка осуществляется по-разному. В метрической системе крупность зерен порошка абразива характеризуется его номером. За номер порошка принимают размер ячейки сита в десятках микрон, на котором задерживается порошок. Если порошок проходит через сито с ячейками со стороной 500 мкм и задерживается на сите с ячейками в 400 мкм, то зернистость считается равной 400 мкм, хотя на самом деле это частицы с размерами в диапазоне от 400 до 500 мкм.
Согласно ГОСТ 3647 и 9206 шлифовальные материалы в метрической системе делятся на четыре группы:
• шлифзерно от № 200 до № 16;
• шлифпорошки от № 12 до № 4;
• микрошлифпорошки от М63 до М14;
• тонкие микрошлифпорошки от М10 до М5.
Буква М в обозначении номера означает, что крупность зерен указывается в микронах (мкм), а отсутствие буквы — что крупность указывается в десятках микрон. Еще одно из отличий этих обозначений состоит в том, что номер с буквой М означает максимальный размер частиц порошка абразива, а для номеров без буквы — наоборот, наименьший размер зерна, в то время как максимальный соответствует предыдущему номеру. Условное обозначение зернистости дополняют еще буквенным индексом, соответствующим процентному содержанию основной фракции (В — высокое, П — повышенное, Н — номинальное и Д — допустимое).
В дюймовой системе размеры отверстий в сите характеризуются числом меш (от англ. mesh — клетка, ячейка) — число отверстий сетки на один линейный дюйм. Чем выше номер в мешах, тем мельче материал. Точного перевода размера зерен в микронах в дюймовую систему нет.
Твердость абразивных материалов устанавливается методом вдавливания алмазной пирамиды в поверхность испытываемого материала (МПа) либо по различным шкалам, в том числе минералогической шкале твердости Мооса. По твердости абразивные материалы подразделяются на сверхтвердые, твердые и мягкие и делятся на 10 классов, причем твердость десятого (наивысшего класса) соответствует твердости алмаза.
Твердость абразивных инструментов по смыслу не совпадает с аналогичным понятием, определяющим свойства абразивных материалов и других твердых тел. Твердость абразивного инструмента характеризует прочность связи в нем абразивных зерен между собой. Поэтому из зерен самого твердого абразивного материала можно изготовить мягкие абразивные инструменты и, наоборот, из абразивного материала малой твердости можно изготовить достаточно твердые абразивные инструменты. Мягкими абразивными инструментами (в отличие от твердых) называют такие, из которых абразивные зерна легко выкрашиваются.
Твердость абразивных инструментов оказывает влияние на режущие свойства и кромкостойкость абразивного инструмента, а также на характер его изнашивания в процессе резания. Если прочность закрепления зерен в абразивном инструменте ниже прочности самого абразивного зерна (мягкий абразивный инструмент), то изнашивание происходит вследствие выкрашивания зерен и абразивный инструмент работает в режиме самозатачивания. Если же прочность абразивного зерна окажется ниже прочности его закрепления в инструменте (твердый абразивный инструмент), то изнашивание будет протекать частично за счет хрупкого разрушения, скалывания зерен и частично за счет их стирания с образованием площадок износа на зерне.
Получение абразивных инструментов требуемой твердости достигается соответствующей технологией их изготовления, устанавливающей соотношение абразивного зерна и связки: давлением при прессовании, температурой и длительностью термической обработки (обжига).
Абразивная способность характеризуется массой снимаемого при шлифовании материала до затупления зерен. По абразивной способности абразивные материалы располагаются в следующем порядке: алмаз, нитрид бора, карбид кремния, монокорунд, электрокорунд, наждак, кремень и др.
Разновидности абразивных инструментов. Диски получаются путем нанесения абразивного материала на сетчатую основу и используются для полирования и зачистки поверхностей. Жесткие сетчатые диски, изготовленные на основе стекловолокна и лавсана, пригодны для разрезки небольших деталей из дорогостоящих материалов. Если нанести абразивный материал на фибровую основу (целлюлоза, пропитанная хлористым цинком), то получится фибровый диск для зачистки и полирования.
Отрезные и шлифовальные круги изготовляют на бакелитовых, металлических и керамических связках (рис. 13.1). В качестве основы бакелитовой связки используется порошкообразная фенолформальдегидная смола и неорганические наполнители (криолит или пирит). Высокая прочность бакелитовой связки позволяет абразивному инструменту работать при высоких нагрузках и скоростях. В качестве абразива обычно используют белый и нормальный электрокорунд, их смеси, карбид кремния черный и зеленый, реже — карбид кремния.
13.1. Шлифовальные круги
Для снижения опасности разрыва круга при резке с большой частотой вращения в его тело вводят упрочняющий элемент в виде круглого диска из тонкой стеклянной сетки, которая сохраняет также форму и гибкость отрезного круга.
Существенной характеристикой абразивных кругов (в особенности отрезных) является допустимая величина окружной скорости, для чего используется несколько обозначений: цветная полоса, указание величины максимальной окружной скорости и числа максимальных оборотов. При допустимых окружных скоростях 25...35 м/с на круге наносится, как правило, белая полоса. Если ее нет, то будет приведено значение скорости и числа оборотов. Число оборотов является более существенной характеристикой, так как учитывает наружный диаметр круга. При окружной скорости 45...50 м/с полоса будет синяя, при 60 м/с — желтая, при 80 м/с — красная, а при 100 м/с — зеленая. Зеленая полоса дополнительно указывает на недопустимость использования круга на ручном инструменте («болгарке»).
Бруски представляют собой стержни из связки (керамической или бакелитовой) с распределенным в ней абразивом. Единой мировой классификации брусков нет. В отечественной промышленности бруски делятся по твердости:
• на высокомягкие (ВМ1, ВМ2, ВМЗ);
• мягкие (Ml, М2, МЗ);
• среднемягкие (СМ1, СМ2, СМЗ);
• средние (С 1, С2, СЗ);
• среднетвердые (СТ1, СТ2, СТЗ);
• твердые (Tl, Т2);
• чрезвычайно твердые (ЧТ1, ЧТ2).
Шлифовальная шкурка (шлифшкурка, наждачная бумага), представляет собой измельченный абразивный материал, нанесенный одним или несколькими слоями на гибкую основу из бумаги, ткани или синтетического материала (рис. 13.2). Выбор основы обусловлен нагрузками при шлифовании. В качестве связующего вещества используются мездровый, костный, синтетические клеи и комбинированные составы. Для закрепления шлифовальной шкурки к инструменту на нижнюю часть основы может наноситься крепление («липучка»).
Рис. 13.2. Структура шлифовальной шкурки: 1 - крепление; 2 — основа; 3 — связка;
4 - защитное покрытие; 5 — абразив; 6 - дополнительное покрытие
Шлифовальные шкурки выпускаются двух типов: рулонные (Р) и листовые (Л). В зависимости от вида подложки и связующего шкурки могут быть водостойкими (пригодными для мокрого шлифования), неводостойкими, термостойкими, а в зависимости от числа слоев шлифовального материала — однослойными (О) или двухслойными (Д). Если рабочие слои шлифовального материала расположены на обеих сторонах гибкой основы, то такую шкурку называют двухсторонней.
Маркируются шлифовальные шкурки также как шлифзер- на и шлифпорошки по размеру абразивных зерен.
Для удобства использования шлифовальные шкурки объединены в группы посредством цветовой маркировки (табл. 13.1).
Таблица 13.1. Цветовая маркировка шлифовальных шкурок
| Цвет группы | Обрабатываемый материал | Абразив | Связка | Основа |
| Белый | Окрашенные поверхности | Диоксид алюминия | Синтетическая смола | Бумага |
| Красный | ДСП, древесина | Диоксид алюминия | Синтетическая смола или натуральный клей | Бумага, ткань, комбинация материалов |
| Голубой | Металл | Диоксид алюминия, оксид циркония, электрокорунд | Синтетическая смола или натуральный клей | Ткань, полиэстер |
| Черный | Камень, пластик, стекло | Карбид кремния | Синтетическая смола | Бумага |
Современные шлифовальные шкурки, поставляемые на рынки нашей страны, могут быть самоклеющимися и самосцепляющимися. Они отличаются повышенной гибкостью и прочностью сцепления абразива с основой и повышенной прочностью самой основы. Кроме того, благодаря специальным (например, стеаратовому) покрытиям слоя абразива предотвращается забивка их мелкими частицами (так называемые незасоряющиеся покрытия). Использование вместо сплошной ткани в качестве основы сетки позволяет отсасывать через нее образующиеся мелкие частицы (беспыльная шлифовка). Использование поролона в основе увеличивает гибкость и позволяет впитывать грязь с последующей очисткой путем промывки и др.
Шлифовальные пасты представляют собой абразивные микропорошки (пемзы, трепела, карбида кремния, электрокорунда), растертые на легкорастирающихся связующих веществах (раствор невысыхающих масел, парафин, технический вазелин, воск). Растворителями служат скипидар, уайт-спирит, керосин, бензин, разбавителем — вода. Пасты могут быть жидкие, мазеобразные и твердые.
Качество паст зависит от используемого абразивного материала, зернистости, рецептуры неабразивных материалов, концентрации и консистенции. Пасты и свободный абразив используются для операций доводки.
Свободное зерно (шлифовальные порошки) в отличие от паст - сухие не связанные абразивные зерна (трепела, пемзы и др.). При шлифовании к порошкам, как правило, добавляют смачивающие жидкости — скипидар, керосин, масло или воду.
Щетки могут быть различной формы с металлической или синтетической «щетиной». Они применяются для удаления заусенцев, очистки поверхности от окалины, ржавчины, лака и краски, обработки сварных швов, а также для отделки поверхности: матирование, сатинирование, шлифование. Рабочий материал щеток варьируется от стальной и латунной проволоки до пластмассы с карбидом кремния. По структуре проволока может быть плетеной, не плетеной и гофрированной.
К абразивным инструментам относятся также и многочисленные напильники, рашпили и надфили.
13.2. Крепежные изделия (метизы)[1]
Определение и классификация. Крепежные изделия служат для соединения сопрягаемых деталей. Соединения бывают разъемными и неразъемными. Разъемные соединения выполняются в основном с помощью резьбовых крепежных изделий — болтов, винтов, шпилек, гаек и др. Неразъемные соединения выполняются различными видами заклепок, сваркой, пайкой, склеиванием и т. п.
Согласно классификатору государственных стандартов крепежные изделия общемашиностроительного применения относятся 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. Однако на строительные рынки страны поставляется гораздо больше видов крепежных изделий, в том числе и современных, которые отсутствуют в указанном классификаторе.
Условно крепежные изделия можно подразделить на пять групп:
• массового применения;
• высокопрочные резьбовые;
• для односторонней постановки и безударной клепки;
• для высокоресурсных и герметичных соединений;
• для соединения полимерных композиционных материалов.
К традиционным наиболее применяемым крепежным изделиям массового использования (ГОСТ 27017) относятся гвозди, шурупы, болты различной конструкции, винты, шпильки, заклепки, шплинты, дюбеля, скобы, угольники, пластинки, стяжки, полкодержатели, хомуты, бобышки, фланцы и др. Однако следует учитывать, что существует разнобой в наименованиях одинаковых крепежных изделий. Например, забитый с помощью молотка шуруп, оставаясь номинально шурупом, по сути, будет являться гвоздем. Винт, закрепленный с помощью гайки, превращается в болт. Пластмассовые анкеры скорее следует отнести к дюбелям, а дюбель-гвоздь, пристреливаемый из монтажного пистолета, является не дюбелем, а гвоздем.
Различают также одноразовые крепежные изделия (гвозди, заклепки) и изделия, которые можно использовать несколько раз. Правильный выбор крепежных изделий обеспечивает надежную и долговременную эксплуатацию всех соединений в пространстве, а также позволяет придать этим соединениям надлежащий (с эстетической точки зрения) внешний вид.
Разновидности крепежных изделий. Гвоздь (рис. 13.3, а) — крепежное изделие, которое представляет собой цилиндр, конус, параллелепипед, пирамиду либо винт, имеющий заостренный один конец, а на втором, тупом конце имеющий плоскую рифленую либо декоративную шляпку. Гвозди изготовляют из стали, алюминиевых и медных сплавов, конструкционных пластмасс (жидкие гвозди) и других материалов.
Рис. 13.3. Гвозди (а) и шурупы (б)
Стальные гвозди изготовляют, как правило, из светлой низкоуглеродистой термически необработанной стали или из стальной проволоки (мягкие гвозди) методом холодного штампования. Они имеют плоскую гладкую или рифленую шляпку.
По назначению и техническим характеристикам гвозди подразделяются на строительные (ГОСТ 4028), толевые (ГОСТ 4029), кровельные (ГОСТ 4030), тарные (ГОСТ 4034), формовочные (ГОСТ 4035), обойные, штукатурные, отделочные, декоративные, финишные, рифленые, винтовые, ершенные (DIN 1052), дюбель-гвозди и др.
Маркируют гвозди двумя числами: первое указывает диаметр стержня, второе — длину в миллиметрах.
Шуруп (рис. 13.3, б) является разновидностью специальных винтов, имеющих резьбу большого шага и конический конец, используемый для соединения деталей из дерева, мягких пластмасс, а также металлов. Основное отличие шурупов — отсутствие необходимости нарезания резьбы, а диаметр отверстия варьируется в весьма широких пределах, в то время как под стандартную резьбу винтов или болтов нужны отверстия строго определенных диаметров.
Головки шурупов имеют различную конструкцию под разнообразный крепежный инструмент и могут быть потайными (ГОСТ 1145), полупотайными (ГОСТ 1146), полукруглыми (ГОСТ 1144), шестигранными (ГОСТ 11473), круглыми и квадратными. Для удобства завинчивания в головке шурупа имеется шлицевая канавка (шлиц) — прямая или крестообразная. Размеры шурупов: длина 6...200 мм, диаметр 1,65...20 мм. Диаметр головки примерно в 3 раза больше диаметра стержня. Резьба может нарезаться как по всей длине шурупа, так и на части его длины, но не менее чем 0,6 длины шурупа.
Изготовляют шурупы из углеродистых и нержавеющих сталей, латуни, алюминиевых сплавов. Выпускаются без покрытия и с покрытиями (фосфатирующими, пассифирующими пленками, цинком, многослойными составами: медь-никель, медь-никель-хром и др.).
Разновидностью шурупов являются саморезы, имеющие на конце острый наконечник или сверло (бур). Их заворачивают без предварительного сверления гнезда. Они могут быть с потайной, полусферической или шестигранной головкой; с частой и двухзаходной резьбой и с резьбой с крупным шагом. Диаметр их от 3,5 до 5 мм и длина - 19... 152 мм. Изготовляют, как правило, с оксидированной или оцинкованной поверхностью. Строение шлицев и головок саморезов не отличается от аналогичных элементов винтов.
Болты — представляют собой цилиндрические стержни с головкой, имеющие по всей длине или на части длины резьбу, на которую навинчивается гайка (рис. 13.4). Изготовляют болты из углеродистой стали, алюминиевых и медных сплавов, конструкционных пластмасс и других материалов.
Рис. 13.4. Конструкции болтов: а - с шестигранной головкой и полной резьбой;
б - с шестигранной головкой и с неполной резьбой; в - с полукруглой гладкой головкой;
г - с головкой со шлицом под отвертку
Как правило, болт имеет шестигранную головку (ГОСТ 7798, 7805, DIN 931, 933), реже внутренний шестигранник под ключ. Существуют болты с Т-образной, полукруглой и потайной головками, а также откидные, костыльковые и анкерные болты. Некоторые болты имеют шип или ус на опорной поверхности головки, которые служат для предотвращения проворачивания и используются для болтового соединения, т. е. при отсутствии внутренней резьбы в соединяемых деталях и необходимости неоднократной сборки и разборки. Иногда для соединения деревянных элементов используют болты с квадратной головкой.
Поверхность болтов может быть без покрытия либо оцинкованной, хромированной или с многослойным покрытием. Вид покрытия зависит от назначения болта. Для болтов установлены следующие обозначения, например: М6×50 — болт с шестигранной головкой, с метрической резьбой диаметром 6 мм, длиной 50 мм.
На сегодняшний день термин «болт» несколько утратил свою однозначность, поскольку появились болты упорные, предназначенные для распорки определенных элементов или конструкций, а также болты анкерные, являющиеся промежуточным крепежным элементом.
Для соединения массивных деревянных элементов, когда длины болтов не хватает, используют шпильки. В отличие от болтов они имеют резьбу на обоих концах (DIN 975).
Винты также имеют цилиндрическую форму с головкой на одном конце и резьбой для ввинчивания в какую-либо соединяемую деталь на другом (рис. 13.5). По назначению различают крепежные и установочные винты (ГОСТ 17475, DIN 965).
Рис. 13.5. Разновидности винтов: а - с цилиндрической головкой и внутренним шестигранником; б — с цилиндрической головкой и прямым шлицем; в — линзовидной головкой;
г — с полупотайной головкой и прямым шлицем; д — с потайной головкой и внутренним шестигранником; е — с потайной головкой и прямым шлицем; ж - винт-конфирмат; з - с потайной головкой и крестообразным шлицем; и - винт-барашек; к - винт-крюк
Крепежный винт является наиболее распространенным и представляет собой стержень с резьбой на одном конце, а также головкой на другом. Является главным элементом разъемного винтового соединения.
Установочные винты используются при необходимости зафиксировать взаимное расположение деталей относительно друг друга. По новым европейским стандартам установочные винты выпускаются в основном с приводом под внутренний шестигранник (DIN 913 и 914).
В отличие от болтов винты имеют головки с прорезанным шлицем в виде прямолинейного или крестообразного углубления для завертывания и отвертывания их отверткой. Существует также шестиконечный шлиц. Кроме того, внутренний шестигранник тоже по определению является шлицем. Головки винтов бывают цилиндрической, цилиндрической скругленной, полукруглой, потайной, полупотайной или линзообразной формы. Диметры винтов 2...16 мм, длина — 3...80 мм.
Самонарезающие винты отличаются тем, что в процессе завинчивания выполняют одновременно резьбу в соединяемом материале (ГОСТ 11650, 11651 и 11652).
На конце винта иногда делают отверстие под шплинт – проволочный стержень полукруглого сечения, согнутый почти пополам. Он предохраняет крепежное изделие от самопроизвольного отвинчивания гайки. Между гайкой и деталью ставят шайбу с внутренним отверстием, позволяющим свободно проходить стержню винта.
Винтовые соединения применяются при наличии внутренней резьбы в соединяемых материалах без использования гайки и не предполагают частой сборки и разборки.
Гайка — крепежное изделие с резьбовым отверстием и конструктивным элементом для передачи крутящего момента. Применяется в болтовых и шпилечных соединениях, часто в сочетании с шайбой. Кроме обыкновенных шестигранных (ГОСТ 5915 и 5927) существует множество других разновидностей гаек:
— колпачковая гайка — элемент со сферической и плоской торцевыми поверхностями и глухим резьбовым отверстием. Применяется чаще всего в качестве декоративной;
— гайка-барашек, имеющая плоские выступающие элементы для передачи крутящего момента и затягивается вручную;
— самоконтрящаяся гайка с нейлоновым вкладышем, который предохраняет от самопроизвольного отвинчивания. Применяется при повышенных вибронагрузках соединяемых изделий.
Кроме этого, выпускаются высокопрочные гайки с фланцем (ГОСТ 22354), корончатые, удлиненные, прорезные, приварные гайки и др.
Болты, винты, шпильки и гайки, изготовленные из углеродистых качественных и обыкновенного качества сталей, после вытачивания подвергаются закалке с отпуском.
Шайба — деталь крепежного соединения, которая подкладывается под гайку или головку болта для создания большей опорной площади и уменьшения повреждений поверхности детали. Применение шайб так же возможно и при опасности провала головки болта либо элементов механической фиксации резьбового соединения в отверстие детали.
Кроме традиционных плоских шайб общего назначения (ГОСТ 11371) применяются и другие разновидности:
— стопорная шайба, служащая для предотвращения самоотвинчивания крепежных изделий при помощи конструктивных элементов;
— пружинная шайба (ГОСТ 6402), называемая гровером, — разрезная круглая шайба, концы которой расположены в разных плоскостях и служащая для предотвращения самоотвинчивания крепежных изделий посредством ее упругой деформации под нагрузкой.
Заклепка - крепежное изделие в форме гладкого цилиндрического стержня с головкой на одном конце, служащее для получения неразъемного соединения за счет образования головки на другом конце стержня пластической деформацией (DIN 7337). Наша промышленность выпускает заклепки с плоской (ГОСТ 10303), полукруглой (ГОСТ 10299) и потайной (ГОСТ 10300) головками. В настоящее время для работ с применением гипсокартонных или металлических листов используются тяговые заклепки, которые устанавливаются с помощью специального аппарата. Как правило, ножка тяговой заклепки выполняется из стали.
Анкерное (дюбелъное) крепление состоит из двух элементов. Во-первых, это гильза, которая устанавливается в предварительно высверленное отверстие. Между гильзой и материалом основания возникает сила трения. Это происходит за счет механического расширения гильзы в отверстии, что может достигаться разными способами. Во-вторых, в гильзу вставляется крепежная деталь (болт, винт, шпилька, шуруп, специальный гвоздь), или анкеровка может происходить за счет внешнего или внутреннего упора.
Анкеры предназначены для восприятия высоких нагрузок и поэтому выполняются из металла. Дюбели рассчитаны на меньшие нагрузки и изготавливаются из пластика (нейлон, полиэтилен, полипропилен).
В конструкциях столярно-мебельных изделий используют нагели. Они могут быть деревянные и металлические, четырех- или шестигранной формы. Ставят их чаще всего на клею и перпендикулярно плоскости соединения.
Стяжки изготовляют чаще всего из стали с цинковым покрытием. Они могут быть резьбовые, эксцентриковые и клиновые.
Скобы небольших размеров, используемые для вспомогательного крепления при различных технологических операциях, готовят из плоской проволоки. Высота их, как правило, 8...10 мм. Скобы, используемые при строительстве зданий и сооружений из бревен или брусьев, изготавливают из круглой или квадратной стали толщиной 10...18 мм.
Хомуты - приспособления в виде охватывающих растянутых связей для соединения элементов деревянных конструкций сращиванием по длине и наращиванием по высоте либо зажимы для уплотнения шлангов, рукавов и патрубков. По конструкции и назначению могут быть проволочные, болтовые, червячные, шарнирные, трубные, силовые и др.
Паяльные материалы
Припои. Припой — сплав металлов, предназначенный для соединения деталей и узлов различных конструкций методом пайки. Должен обладать целым рядом специфических свойств:
► хорошо растворять основной металл;
► обладать хорошей текучестью в расплавленном состоянии;
► легко растекаться по поверхности соединяемых деталей;
► хорошо смачивать поверхности соединяемых материалов;
► иметь требуемые характеристики в твердом состоянии (механическая прочность, стойкость к воздействию внешней среды, усадочные напряжения, коэффициент теплового расширения и т. п.).
Выбор припоя зависит от вида соединяемых металлов или сплавов, от способа пайки, температурных ограничений, размеров деталей, требуемой механической прочности, коррозионной стойкости и др.
В зависимости от химического состава и температуры плавления припоев различают пайку мягкими и твердыми припоями (ГОСТ 19248). К мягким относятся припои с температурой плавления до 400 °С, к твердым — выше 400 °С.
Пайка мягкими припоями получила более широкое распространение, особенно при производстве монтажных работ. Наиболее часто применяемыми мягкими припоями являются оловянно-свинцовые (ГОСТ 21930 и 21931): ПОС-90, ПОС-60, ПОС-40, ПОС-30, ПОС-18 (ПОС - припой оловянно-свинцовый, цифры после дефиса обозначают процентное содержание олова в сплаве). Мягкие припои изготовляются в виде прутков, полос, болванок, порошковой проволоки (диаметром до 3 мм) и трубок, наполненных флюсом.
Твердые припои создают более высокую прочность шва. Наиболее распространенными из них являются медно-цинковые (ГОСТ 23137): ПМЦ-36... ПМЦ-56, Г1 МЦ-47 и др. Цифры после дефиса указывают на среднее содержание в составе припоя меди (остальное цинк). В зависимости от содержания цинка изменяется и цвет припоя. Припои применяются для пайки бронзы, латуни, стали и других металлов, имеющих высокую температуру плавления. Припой ПМЦ-42 применяется при пайке латуни с содержанием 60-68% меди. Припой ПМЦ-53 применяется при пайке меди и бронзы.
Находят применение и серебряные припои (ГОСТ 19738): ПСр-10, ПСр-12... ПСр-70. Цифры после дефиса указывают на содержание в составе припоя серебра. Серебряные припои обладают большой прочностью, спаянные ими швы хорошо изгибаются и легко обрабатываются. Припои ПСр-10 и ПСр-12 применяются для пайки латуни, содержащей не менее 58% меди, припои ПСр-25 и ПСр-45 — для пайки меди, бронзы и латуни, припой ПСр-70 с наиболее высоким содержанием серебра — для пайки волноводов, объемных контуров и т. п.
Облегчить пайку, улучшить ее качество и избежать перегрева малогабаритных деталей можно с помощью паяльных паст — это пастообразная масса, состоящая из смеси порошкообразного припоя с частицами, обычно сферической формы, и флюса-связки. Свойства паяльной пасты зависят от процентного содержания металлической составляющей, типа сплава, размеров частиц порошкообразного припоя и типа флюса.
Более качественными припоями в настоящее время являются многоканальные трубчатые, в которых может находиться до пяти каналов флюса в прутке. Увеличенное количество каналов обеспечивает равномерное распределение флюса без пропусков по длине прутка, что предотвращает возможность пайки «всухую» — без флюса, как в случае с одноканальными припоями. Производятся они с разным процентным содержанием и разными типами флюса, а также разного диаметра. Для их изготовления используются только высокочистые сплавы с минимальным количеством примесей, отвечающие требованиям всех основных национальных и международных стандартов. Такие припои разработаны для различных применений, в том числе для пайки печатных плат радиоэлектронной аппаратуры и конструкционных изделий.
К высококачественным припоям, отвечающим международным стандартам, можно отнести безсвинцовые припои для групповой пайки. Они минимизируют образование шлака, обеспечивают значительно больший срок жизни припоя и получение качественных блестящих соединений без перемычек и сосулек. Поставляются в виде слитков, шариков, гранул и проволоки на катушках.
Флюсы. Паяльный флюс — химически активное вещество, предназначенное для очистки и поддержания чистоты поверхностей паяемого металла и припоя с целью снижения поверхностного натяжения и улучшения растекания жидкого припоя. Механизм действия флюса заключается в том, что окис- ные пленки металла и припоя растворяются или разрыхляются и всплывают на поверхность флюса. Вокруг очищенного металла образуется защитный слой флюса, препятствующий возникновению окисных пленок. Жидкий припой замещает флюс и взаимодействует с основным металлом. Слой припоя постепенно увеличивается и при прекращении нагрева затвердевает.
Флюс выбирают в зависимости от свойств соединяемых пайкой металлов или сплавов и применяемого припоя, а также от способа пайки. От качества флюса во многом зависит хорошее смачивание припоем мест спайки и образование прочных швов. При температуре паяния флюс должен плавиться и растекаться равномерным слоем, в момент же пайки он должен всплывать на внешнюю поверхность припоя. Температура плавления флюса должна быть несколько ниже температуры плавления применяемого припоя. В зависимости от температурного интервала (ГОСТ 19250) они подразделяются на низкотемпературные (tпл ≤ 450 °С) и высокотемпературные (tпл > 450 °С).
В зависимости от активности различают две группы флюсов:
химически активные, растворяющие пленки окиси, а часто и сам металл (соляная кислота, бура, хлористый аммоний, хлористый цинк);
химически пассивные, защищающие лишь спаиваемые поверхности от окисления (канифоль, воск, стеарин и др.).
Остатки флюса, особенно активного, т. е. продукты его разложения нужно удалять сразу после пайки, так как они загрязняют места соединений и являются очагами коррозии.