Шаг резьбы и длина свинчивания для соединений в стали, алюминии и пластике: что устанавливают данные источников

От чего длина свинчивания на самом деле защищает

Длину свинчивания часто задают так, будто больше витков резьбы в отверстии делают соединение прочнее. У правильно изготовленного стального крепежа в стальном соединении определяющим видом разрушения при перегрузке является излом стержня поперёк его сечения: сталь сдаётся по диаметру раньше, чем срезается резьба ¹⁶. В этом случае резьба — не слабое звено, поэтому увеличение свинчивания не повышает нагрузку, которую несёт болт. Расчёт длины свинчивания существует для предотвращения другого вида разрушения — среза наружной и внутренней резьбы. Опубликованный калькулятор вычисляет минимальную длину свинчивания для предотвращения среза из площадей среза наружной и внутренней резьбы вместе с пределами прочности болта и внутренней резьбы ¹². Поскольку предел прочности внутренней резьбы является входной величиной, более слабый материал основы требует большей длины свинчивания для того же болта ¹². Именно этот механизм делает единое универсальное правило ненадёжным: требуемая длина зависит от материала, в котором нарезана резьба, а не от фиксированного кратного диаметра. Задавая свинчивание, указывайте, от какого вида разрушения вы защищаете и какую прочность внутренней резьбы предполагает значение. Если поставщик приводит длину свинчивания без прочности материала основы, которая за ней стоит, число невозможно проверить.

Крупный или мелкий шаг: доступность этого не решает

Выбор шага иногда диктуется тем, что можно купить. Это ограничение здесь не работает: ISO 898-1 охватывает как крупную, так и мелкую резьбу для стальных болтов, винтов и шпилек ², а UNC и UNF — обе серий резьбы гаек, имеющиеся на складе ⁹. Обе серии являются стандартными коммерческими опциями, поэтому доступность выбор не ограничивает. Чего данные не дают, так это причины предпочесть одну серию в зависимости от материала основы. Ни один источник в этом наборе не количественно оценивает, как шаг меняет площадь среза резьбы, концентрацию напряжений или самопроизвольное отвинчивание, и ни один не рекомендует крупный или мелкий шаг для стали, алюминия или пластика ^{2, 9}. Решение о шаге поэтому опирается на данные, которые вы должны получить в другом месте — таблицы размеров стандарта резьбы и расчёт среза или площади среза от поставщика либо калькулятора для вашей конкретной номинального размера и материала основы. Если на чертеже сейчас стоит шаг, обоснованный только доводом «мелкая резьба держит лучше», этому обоснованию ничего из сказанного здесь не даёт подтверждения. Попросите поставщика показать расчёт площади среза или среза, стоящий за выбранным шагом, либо укажите в RFQ, что шаг подлежит подтверждению по применимому стандарту резьбы.

Зафиксируйте целевую затяжку, прежде чем проверять свинчивание

Длина свинчивания обретает смысл, только когда известна нагрузка, которую должно нести соединение. Один поставщик описывает распространённый метод растягивающего напряжения: затяжка равна пределу прочности болта, делённому на коэффициент запаса, обычно 2-3, что иллюстрируется сталью класса 8.8 при 800 МПа ⁸. Это метод, заявленный поставщиком, а не стандарт, но он показывает порядок действий — целевую нагрузку сначала задают по материалу болта, а проверка свинчивания следует за ней. Зафиксировать затяжку сначала важно, потому что расчёт среза и расчёт затяжки опираются на разные прочности. Затяжка следует из предела прочности болта ⁸; минимальная длина свинчивания против среза получается из площадей среза резьбы плюс пределов прочности болта и внутренней резьбы ¹². Если вы измените порядок и сначала выберете длину свинчивания, у вас не будет нагрузки, с которой её можно сопоставить. Определите базу затяжки и коэффициент запаса с учётом критичности вашего соединения и передайте оба тому, кто выполняет расчёт среза. Обратите внимание: коэффициент запаса 2-3 — это цифра одного поставщика ⁸; если ваше применение критично для безопасности, подтвердите коэффициент по собственным правилам проектирования, а не берите его со страницы каталога.

Стальной крепёж в алюминии: сначала исключите «голое» соединение

В алюминиевом материале основы первое решение — не длина свинчивания, а коррозия. Соединения сталь–алюминий страдают от гальванической коррозии, усиливающейся в прибрежных и влажных условиях и там, где анодный материал имеет меньшую площадь поверхности ¹¹. Нержавеющий винт может выглядеть как улучшение по сравнению с оцинкованной сталью, но в алюминиевом корпусе, подверженном воздействию соли, он может образовать более агрессивную гальваническую пару, если соединение не изолировано ¹⁴. Подбор материала крепежа под соединяемый компонент — самый эффективный общий способ снижения гальванического потенциала, но алюминиевый крепёж в алюминиевом соединении может не отвечать требованиям по прочности, износу или монтажу ¹⁹. Там, где подбор материалов вступает в конфликт с этими требованиями, парой приходится управлять иначе: изолирующие компоненты и прокладки, такие как обмотки и подкладки. Гальванизация или нанесение покрытия также снижает гальванический риск там, где полное устранение невозможно ²³. В морских условиях, при дорожной соли, удобрениях, в горном деле и при мойке позиция одного поставщика такова, что одной совместимости редко достаточно, и соединению нужен полный пакет. Этот пакет — совместимый материал основы, где уместно защитное покрытие, электрическая изоляция, герметизированные поверхности стыка и геометрия, не задерживающая влагу ¹⁴. Гальванической коррозии нужен электролит, поэтому снижение удержания воды — прямая мера контроля. Герметики, формуемые на месте прокладки, герметики резьб и закрытые конструкции соединений снижают воздействие проводящей влаги ¹⁴. Для вашего чертежа это значит, что изоляцию или покрытие указываете вы, а не оставляете это монтажнику. Ни один источник здесь не говорит, как гальваническая коррозия или заедание меняют допустимую длину свинчивания, поэтому рассматривайте антикоррозионный пакет и расчёт свинчивания как два отдельных требования.

Что результат испытания или инспекции может удостоверить о соединении

Если вы планируете принимать соединение по результату испытания, знайте, что доступные методы на самом деле доказывают. Испытание постоянной нагрузкой в течение 24–200 часов по ASTM F606, раздел 7, ASTM F519 или ISO 15330 — это этап обеспечения качества после производства для высокопрочного крепежа. Это оценка «годен/не годен» в фиксированное время, а не количественная мера того, насколько близок крепёж к разрушению ⁶. Аналитические альтернативы вроде ASTM G129, ISO 7539-7 и ASTM F1624 из-за времени и стоимости непригодны для испытаний в производственном масштабе ⁷. У неразрушающего контроля схожий предел: магнитопорошковый, ультразвуковой, вихретоковый контроль и акустическая эмиссия обнаруживают трещины после их образования. Но ни один из доступных сегодня методов НК не обнаруживает водород в решётке до растрескивания с приемлемой надёжностью ²⁸. Положительный результат любого из этих методов говорит, что образец выдержал условия испытания; он не говорит о запасе по свинчиванию в соединении. Формулируйте приёмочные пункты соответственно. Если ваш пункт говорит «свинчивание подтверждено испытанием», ни один метод из этого набора данных такое формулирование не поддерживает. Спросите поставщика, что удостоверяет результат испытания и на какой выборке, и держите требование по свинчиванию как расчётный размер на чертеже, а не как результат инспекции.

Значения, которые вы должны получить в другом месте, прежде чем выпускать чертёж

Данные устанавливают логику проверки свинчивания, но не числа. Прежде чем выпускать чертёж или RFQ, подтвердите, что каждое из следующего поступает из стандарта, из расчёта по вашим реальным размеру и материалу или от поставщика. Оно не должно поступать из эмпирического правила.

• Минимальная длина свинчивания в диаметрах резьбы или миллиметрах для вашего материала основы из стали, алюминия или пластика — ни один источник в этом наборе её не публикует ¹².
• Определяющий вид разрушения для материала основы из алюминия или пластика — рассмотрено только поведение «сталь по стали» ¹⁶.
• Рекомендация крупного или мелкого шага по материалу основы и любое количественно оценённое влияние шага на площадь среза, концентрацию напряжений или самопроизвольное отвинчивание ^{2, 9}.
• Отношения предела прочности болта к прочности материала основы на срез или множители длины свинчивания для любого материала основы ¹².
• Правила длины свинчивания и диаметра бобышки для металлических вставок, резьбонарезных винтов или формованных резьб в пластике — вставки для пластика это складская товарная категория ¹⁰, но ни один источник не даёт правил геометрии и не сравнивает три варианта.
• Значения шага, внутреннего диаметра и высоты профиля из ISO 68, ISO 261, ISO 262 или ASME B1.1 — ни один источник здесь не воспроизводит эти таблицы ².
• Практика калибров «проходит/не проходит», метод испытания на вырывание, процедура момента до разрушения или критерии приёмки для свинчивания ^{6, 28}.

Где два источника указывают в разные стороны

Эти две позиции — не столько противоречие, сколько различие в том, что каждая описывает: одна касается поведения крепежа при его собственной перегрузке, другая — расчёта, защищающего внутреннюю резьбу. Практический вопрос для вас — какой режим ваше соединение фактически может достичь, потому что это решает, является ли длина свинчивания фактором прочности или проверкой.

Часто задаваемые вопросы

Связанные страницы

• Стальные винты в алюминии: какая глубина завинчивания предотвращает срыв резьбы?
• Резьбовой крепёж против защёлкиваемых соединений (snap-fit), заклёпок и клея: что можно установить по доказательствам до составления спецификации
• Материалы и покрытия крепежа для морской, промышленной и наружной эксплуатации: что подтверждает массив доказательств
• Выбор семейства винтов по основному материалу: дерево, машинная и самонарезающая резьба, длина свинчивания и покрытие
• Подбор гайки к болту: класс прочности, фланцевая или шестигранная гайка, и что источники действительно устанавливают