Самосверлящие и самонарезающие винты: формирующие, режущие и накатывающие резьбу — что устанавливает доказательная база по основному материалу

Исключите резьбоформирование, если ответная деталь твёрдая или хрупкая

Начинайте с ответной детали, а не с винта. Винты с формируемой резьбой создают резьбу путём вытеснения материала. Именно это вытеснение исключает их там, где ответная деталь чрезмерно твёрдая или хрупкая ¹⁶. Винты с режущей резьбой вместо этого удаляют материал, что снижает кольцевые напряжения в окружающей ответной детали и уменьшает риск растрескивания или повреждения при монтаже ¹⁶. Поэтому резьбонарезание — это показанный тип для чугуна, композитов, более твёрдых и армированных пластиков и металлов в целом ¹⁶. Если ваше соединение — армированная пластиковая бобышка или чугунный корпус, резьбоформирование — неверная отправная точка. Тот же источник отмечает, что резьбонарезание может повышать момент затяжки и, следовательно, риск перетяжки. Риск срыва резьбы растёт, когда материал слишком мягкий, поэтому контроль момента важен на обоих концах диапазона твёрдости ¹⁶.

Сравните момент затяжки с сопротивлением выдёргиванию и вибрации

Когда ответную деталь можно вытеснять, а не резать, компромисс смещается к моменту и удержанию. Винты с формируемой резьбой требуют меньшего момента затяжки, чем винты с режущей резьбой, и при этом обеспечивают хорошее сопротивление выдёргиванию и вибрации ¹⁹. Винты с накатываемой резьбой используют те же требования к отверстию, что и формирующие, но получаемое сопротивление выдёргиванию и вибрации, как правило, выше ¹⁹. Режущие типы часто достигают наивысшего сопротивления выдёргиванию из трёх, что уравновешивает их более высокий момент затяжки ¹⁶. Поэтому выбор — не «лучший тип», а то, какого свойства не хватает вашему соединению. Если ваш инструмент или ответная деталь не выдерживают высокий момент, формирующая или накатывающая резьба — путь с меньшими усилиями. Если определяющая картина отказа — выдёргивание, а материал можно резать, доказательная база указывает на резьбонарезание ^{16, 19}. Запросите у поставщика данные по моменту затяжки и выдёргиванию для вашего конкретного материала и толщины. Источники дают направление компромисса, но не значения.

Задайте направляющее отверстие для выбранного типа

Все три типа требуют направляющего отверстия: самонарезающий винт нарезает или формирует резьбу сам, но отверстие сам не сверлит ²⁵. Размер отверстия решает, переживёт ли винт монтаж. Слишком малое отверстие — можно повредить или сломать винт; слишком большое — резьба слабая и легко срывается ²⁵. Три типа не используют одно и то же отверстие. Направляющие отверстия для формируемой резьбы могут быть на размер с внутренним диаметром резьбы винта, что даёт максимальное зацепление резьбы ¹⁹. Отверстия под накатываемую резьбу могут быть на размер или чуть меньше внутреннего диаметра в зависимости от свойств материала ¹⁹. Отверстия под режущую резьбу, как правило, больше цилиндрической сердцевины винта, чтобы избежать заклинивания, чрезмерного усилия ввинчивания и кольцевых напряжений ¹⁹. Для резьбонарезания соосность важна не меньше диаметра: перекошенное начало легко сделать и трудно исправить ¹⁹. Определяющие размеры направляющих отверстий для дюймовых и метрических самонарезающих винтов опубликованы в ANSI/ASME B18.6.4 и B18.6.5 соответственно. Они охватывают типы резьбы и наконечников, а также размеры отверстий для разных типоразмеров винтов ²⁵. Берите размер отверстия из стандарта для вашего типоразмера, а не масштабируйте от похожей детали.

Проверьте, что нагрузку несёт соединение в целом, а не только винт

Тип винта, формирующий хорошую резьбу, всё равно может оказаться неверным выбором, если первой разрушится панель. Несущая способность начинается с панели. Тонкий алюминиевый лист может потерять устойчивость раньше, чем высокопрочный винт достигнет расчётного предела, поэтому сдвиговые нагрузки, сопротивление выдёргиванию, толщина панели и расстояние до кромки требуют проверки ²². Мягкие основные металлы добавляют второе ограничение. Алюминий значительно мягче стали — примерно 60-80 HV против 250-370 HV у конструкционных марок стали. Моменты затяжки, рассчитанные на соединение «сталь в сталь», сорвут резьбу в алюминии ⁸. Минимальное зацепление резьбы в алюминии должно быть не менее 1.5x номинального диаметра против 1x для стали ⁸. Если ваше соединение — стальной винт в алюминиевом литье или профиле, проектируйте именно по этому значению зацепления. Использовать нужно момент, подтверждённый на данном соединении, а не цифру для «стали в сталь».

Согласуйте материал и покрытие крепежа с основным материалом и средой

Гальваническая коррозия определяется разностью потенциалов между крепежом и соединяемым металлом и становится опасной только при наличии электролита ¹⁵. Пары с большой разницей по гальваническому ряду — углеродистая сталь с нержавеющей сталью, алюминий с нержавеющей сталью, алюминий с медными сплавами — образуют агрессивные коррозионные элементы; их следует избегать или существенно изолировать ¹⁵. Практический путь — подбирать крепёж к соединяемому компоненту или к металлу, близкому к нему по гальваническому ряду. Для углеродистой стали — оцинкованные стальные крепёжные изделия, для нержавеющих сборок — совместимый нержавеющий крепёж, для алюминиевого соединения — алюминиевый крепёж. При этом принимайте, что алюминиевый крепёж может не отвечать требованиям по прочности, износостойкости или монтажу ²⁰. В морской среде, при дорожных реагентах, удобрениях, в горном деле или при мойке одной совместимости металлов недостаточно. Нужны также защитное покрытие, электрическая изоляция, герметизированные стыки и геометрия соединения, не задерживающая влагу ¹⁰. Цинк-ламельные покрытия — один из вариантов для тяжёлых условий. Полосы солевого тумана по ISO 10683 составляют 360-500 ч для помещений или умеренных условий, 720 ч для стандартного автомобильного и общего промышленного применения и 1000-1500 ч для тяжёлых сред — прибрежных, с обильными дорожными реагентами или морских ¹⁴. Эти полосы описывают покрытие, а не тип винта, поэтому рассматривайте их как вход для выбора покрытия, а не как различитель между типами винтов.

Подтвердите стандарт и подтвердите момент на реальном соединении

Здесь работают два документа. ANSI/ASME B18.6.4 для дюймовой резьбы и B18.6.5 для метрической задают типы резьбы и наконечников, а также размеры направляющих отверстий для самонарезающих винтов. Это справочник по геометрии винта и сверлимому отверстию ²⁵. Вторая половина — момент, и его нельзя копировать с похожей детали. Трение создаёт силу зажима, а сила зажима определяет работу соединения. Покрытие, хорошо показавшее себя на свободном крепеже, может вести себя иначе в паре с гайкой, шайбой, вставкой или покрытой ответной поверхностью ²⁶. Данные по моменту следует подтверждать на реальном соединении, а не заимствовать у похожей покрытой детали. Это особенно верно для соединений, подверженных вибрации, термоциклированию или смешанным материалам — сталь в алюминий или окрашенная сталь против кузовных конструкций с электроосаждением ²⁶. Если ваше соединение сталкивается с любым из этих условий, запланируйте подтверждение момента на реальной сборке до выпуска чертежа.

Заложите в бюджет сроки и ценовую премию нестандартных винтов

Нестандартные свойства сдвигают график. Стандартные строительные винты имеют минимальный срок изготовления 60 дней. Нестандартные или специальные винты идут 90-120+ дней из-за проектирования оснастки, согласования образцов, закупки специальных материалов и наладки индивидуальной обработки ²⁹. Нестандартные размеры, специальные покрытия, индивидуальные конструкции головки, резьбы или наконечника и упаковка под собственной торговой маркой — это свойства, переводящие винт в нестандартную категорию ²⁹. Спецификация покрытия — отдельный рычаг стоимости. ASTM F2329 несёт ценовую премию 10-25% по сравнению с ASTM A153 для горячеоцинкованного крепежа. Источник рекомендует указывать F2329 только там, где критические несущие применения, высокопрочный крепёж или строгая документация качества действительно это оправдывают ⁵. Для общего строительного крепежа в некритических применениях A153 продолжает обеспечивать достаточную гарантию качества при более простой закупке и меньшей стоимости ⁵. Если ваше соединение не несущее и документация не нужна, премия покупает вам нагрузку на инспекцию, а не качество соединения.

Проверьте, что доказательная база не устанавливает, до принятия решения

Несколько входных данных, необходимых покупателю, в источниках отсутствуют, поэтому их придётся получить у поставщика или из собственных испытаний. Используйте их как вопросы для RFQ, а не как предполагаемые значения по умолчанию.

• Запросите у поставщика диапазоны твёрдости или толщины основного материала, на которые рассчитаны их винты с формируемой, режущей и накатываемой резьбой; ни один источник эти пределы не публикует.
• Запросите числовые диаметры направляющих отверстий и допуски для вашего типоразмера и материала либо сверьте их с ANSI/ASME B18.6.4 или B18.6.5.
• Запросите прочность на выдёргивание и момент срыва резьбы по каждому типу винта в вашем конкретном основном материале; ни один источник этих значений не даёт.
• Уточните, можно ли вывинтить винт и ввинтить снова и сколько раз; ни один источник не затрагивает повторное использование или повторный монтаж.
• Подтвердите биту, тип головки и любой специальный инструмент, требуемый выбранным типом; ни один источник не описывает инструмент по типам.
• Запросите цену за штуку, стоимость оснастки и минимальный объём заказа по каждому типу; ни один источник их не публикует, а минимальные объёмы заказа могут применяться.
• Запросите матрицу «основной материал — покрытие», покрывающую ваше соединение, поскольку ни один источник не даёт матрицы гальванической совместимости по типам.

Разрешите расхождение по паре «нержавеющая сталь на алюминии» для вашего соединения

Источники расходятся по одной паре, значимой для смешанных металлических соединений, и это расхождение не разрешается ничем в данном наборе. Один источник включает алюминий с нержавеющей сталью в комбинации, которых следует избегать или изолировать из-за большой разницы по гальваническому ряду ¹⁵. Другой называет нержавеющую сталь на алюминии безопасной парой в своём практическом правиле ³⁰. Рекомендация третьего источника — подбирать крепёж к соединяемому компоненту или металлу, близкому по гальваническому ряду, — находится между двумя позициями ²⁰. Расхождение может зависеть от среды, изоляции или особенностей применения, которые источники не указывают. Рассматривайте пару как специфичную для соединения и проверяйте её, а не выбирайте сторону.

Часто задаваемые вопросы

Связанные страницы

• Выбор семейства винтов по основному материалу: дерево, машинная и самонарезающая резьба, длина свинчивания и покрытие
• Болты с шестигранной головкой против винтов с цилиндрической головкой и шестигранным углублением: что доказательная база устанавливает по прочности, зазорам и стоимости
• Метрическая резьба ISO и UNC/UNF: можно ли считать их взаимозаменяемыми?
• Клиновые, гильзовые и винтовые анкеры по бетону: что можно решить до прихода отчёта ETA/ICC-ES
• Как читать паспорт крепежного изделия: какие поля можно проверить, а какие нужно затребовать