Заклепки, сплошные и слепые: конструкция, материалы и применение
Заклепки относятся к постоянным, несъемным крепежным изделиям. Еще недавно заклепки считались устаревшими и неэкономичными. Однако, в последние десятилетие заклепки повторно изобрели и появились такой вид заклепок, как «слепые заклепки». В настоящее время их широко применяют, например, в автомобилестроении. Нашли свое применение, хотя во многом ограниченное, новые заклепки и в строительстве.
Классические (сплошные) заклепки
Классические заклепки являются самыми старыми и наиболее надежным типом механических крепежных изделий. Они требуют заранее подготовленного отверстия и доступа к соединению с обеих сторон. До установки классическая заклепка состоит из цилиндрического стержня и головки на одном из концов
Часто классические заклепки называют просто сплошными заклепками. Сплошные заклепки классифицируют по форме головки и форме стержня. Наиболее часто применяются сплошные заклепки с круглой и плоской головками, а иногда также с потайной головкой. Кроме полностью сплошных стержней применяют также полу-трубчатые и трубчатые (полые) стержни заклепок, чтобы снизить усилия, которые требуются для формирования второй головки. Характеристики заклепочного соединения, в том числе, прочностные, значительно зависят от типа заклепки, ее материала и формы.
При установке сплошной заклепки из ее стержня путем пластического деформирования формируется вторая, стягивающая материалы, головка. Поскольку установленная заклепка имеет головки по обе стороны соединения, она может нести растягивающие нагрузки (вдоль своей оси), однако предназначена в основном для сопротивления нагрузкам на срез (перпендикулярно оси). Болты и винты, напротив, предназначены, в первую очередь, для сопротивления растягивающим нагрузкам [1].
Процесс установки заклепки зависит от типа стержня заклепки. Стержень сплошной заклепки расширяется в отверстии в ходе клепки и полностью заполняет его, что и обеспечивает плотное и надежное соединение. В случае полу-трубчатой заклепки задняя часть стержня развальцовывается и создает усилия, которые сжимают материалы вместе, а диаметр стрежня внутри отверстия остается практически без изменений. Поэтому часто полу-трубчатые и трубчатые заклепки применяют для создания оси между элементами, которые поворачиваются относительно друг друга.
В алюминиевых конструкциях применяют почти исключительно алюминиевые заклепки с холодной установкой, то есть без предварительного их нагрева. Их применяют там, где требуется надежность и безопасность, например, в несущих конструкциях самолетов, а также в критичных автомобильных компонентах.
Слепые заклепки
Типы слепых заклепок
Основной особенностью слепых заклепок является то, что эти крепежные изделия устанавливаются и заклепываются с одной рабочей стороны с применением предварительно подготовленного отверстия. Конструкции и способы установки слепых заклепок имеют много вариантов. Однако только часть из них применяются для конструкционных, несущих соединений, остальные — для вспомогательных, декоративных целей.
Стандартные (вытяжные) слепые заклепки
Основным типом слепых заклепок, которые применяются в качестве конструкционных крепежных изделий, являются слепые заклепки с отрывным сердечником. У нас они получили название «вытяжные заклепки».
Стандарты и термины
В российской версии международного стандарта ISO, ГОСТ Р ИСО 14588-2005 официальным общим названием всех таких заклепок является: «заклепки „слепые“». В английской версии стандарта DIN 7337, уже замененного на европейские (международные) стандарты, этот вид заклепок назывался «break mandrel blind rivets», то есть «заклепки слепые, с отрывным сердечником». Американский отраслевой стандарт IFI 114, который был первым стандартом по таким заклепкам, называет их «break mandrel rivets», то есть «заклепки с отрывным сердечником». На практике и, часто, в технической литературе, эти заклепки называют «вытяжные заклепки».
Термины по ГОСТ Р ИСО 14588-2005:
1 — корпус «слепой» заклепки,
2 — конец «слепой» заклепки,
3 — головка «слепой» заклепки,
4 — стержень «слепой» заклепки,
5 — сердцевина «слепой» заклепки,
6 — сердечник,
7 — головка сердечника,
8 — зона отрыва сердечника,
9 — хвостовик сердечника,
10 — конец сердечника.
Преимущества вытяжных заклепок
Тремя основными причинами применения вытяжных заклепок являются следующие:
- Низкая стоимость установки
Другие методы соединения материалов — сварка, винты, болты с гайками и сплошные заклепки — требуют большей затраты человеческого труда. - Многообразие
Вытяжные заклепки имеют много типов, размеров и сочетаний материалов, чтобы удовлетворять специфическим конструкторским требованиям. - Надежность
Правильно подобранная и установленная вытяжная заклепка способна выдерживать высокие механические нагрузки и жесткие климатические воздействия.
Ограничения вытяжных заклепок
- Прочность заклепок ограничена прочностными характеристиками применяемых в ней материалов и особенностями ее пустотелой формы.
- Может применяться только для соединения относительно тонких материалов.
Установка вытяжных заклепок
Слепые — вытяжные — заклепки устанавливаются в плотное отверстие, которое проходит через соединяемые материалы (шаги 1 и 2). Заклепочный инструмент, который называют заклепочником, захватывает хвост сердечника и тянет его на себя, удерживая при этом заклепку на месте (шаг 3). Когда сердечник вытягивается, он деформирует заклепку и формирует заднюю, слепую головку заклепки. В определенный момент сердечник обрывается и часть его вместе с головкой остается в заклепке (шаг 4). Образовавшаяся на задней части соединения головка заклепки прочно прижимает материалы друг к другу.
Усилие разрыва сердечника
Усилие, которое требуется, чтобы оторвать сердечник, задается количеством деформации, которая требуется для формирования задней головки заклепки, и диаметром паза (засечки) на сердечнике. Усилие разрыва сердечника задается таким образом, чтобы:
- во-первых, избежать возникновения слишком большого усилия зажатия, которое может повредить соединяемые материалы, и
- во-вторых, его величина была достаточной для выполнения плотного соединения материалов.
Толщина заклепочного соединения
Вытяжные заклепки конструируются так, чтобы соединять вместе материалы с заданной общей толщиной. Количество деформации тела заклепки, которое происходит при ее осадке, зависит от этой толщины.
Если заклепка слишком длинная, то на «слепой» стороне соединения будет оставаться слишком много материала заклепки и потребуется большее усилие для разрыва сердечника.
Если заклепка слишком короткая, то на «слепой» стороне соединения может быть недостаточно материала заклепки, чтобы обеспечить плотное соединение материалов.
Типы головок вытяжных заклепок
Слепые заклепки имеют несколько типов головок. Головки заподлицо предназначены для случаев, когда заклепки не должны выходить за плоскость поверхности. Широкие головки применяют для крепления более мягких материалов, чтобы увеличить площадь контакта.
а — стандартная,
б — потайная,
в — широкая
Материалы стержней и сердечников
Вытяжные заклепки заслужили свою популярность благодаря легкости установки и разнообразию применяемых форм и материалов. Применение вытяжных заклепок в самых различных областях промышленности и строительства создает потребность в заклепках из различных типов материалов.
Обычно решающими факторами при выборе материалов компонентов вытяжной заклепки — собственно заклепки и сердечника — являются прочность, коррозионная стойкость и материалы, которые будут соединять этой заклепкой.
Материалы стержней и сердечников:
- Алюминиево-магниевые сплавы (серия 5ххх): AlMg2,5; AlMg3, AlMg5.
- Оцинкованная углеродистая сталь.
- Нержавеющие стали 304 или 316.
Гальваническая коррозия на заклепках
Когда разнородные металлы находятся в контакте в присутствии какого-либо электролита, то они подвергаются гальванической коррозии, причем один металл корродирует быстрее, а другой — медленнее.
Скорость коррозии зависит от:
- разности химических потенциалов металлов;
- степени электропроводимости электролита;
- относительных размеров площадей контактирующих металлов.
Вытяжные заклепки могут применяться с такими разнородными материалами, как алюминий, нержавеющая сталь, низкоуглеродистая сталь, оцинкованная сталь и медь. При применении заклепок во влажной, химически загрязненной и морской атмосфере должны быть предприняты меры по минимизации гальванической коррозии:
- избегать образования соединения из разнородных металлов путем правильного выбора материала корпуса заклепки;
- устанавливать барьер между разнородными материалами, например, в виде слоя краски, пластмассовой шайбы или резинового уплотнителя;
- предпринимать меры по устройству дренажа, чтобы позволить воде и другим электролитам выходить из конструкции.
Гальваническая совместимость металлов
Алюминиевые заклепки могут применяться без ограничений для крепления алюминиевых деталей и материалов.
Заклепки из нержавеющих сталей 304 и 316 применяются без ограничений для крепления нержавеющих сталей. Применение нержавеющих заклепок для соединения деталей из алюминиевых сплавов и оцинкованной стали возможно только в сельских районах и районах с сухим климатом и слабозагрязненной атмосферой.
Особенности применения вытяжных заклепок
«Захват» заклепки
Технические характеристики любой вытяжной заклепки включает минимальный и максимальный захват скрепляемых материалов. По-английски он называется «grip». Максимальный захват — это самая большая толщина комбинации материалов, которые данная заклепка может скрепить вместе. Минимальный захват — это такая толщина, для которой существует нужно применять более короткую заклепку из существующего размерного ряда заклепок. Например, заклепку с минимальным захватом 6 мм можно применять и для меньшей толщины, на задней стороне заклепки будет оставаться больше тела заклепки, чем это должно быть у заклепки нормального размера (рисунок а и б). Иногда эта чрезмерная длина может мешать смежным деталям конструкции. Так называемые «мультизахватные» заклепки являются в этом смысле более универсальными и могут работать в широком диапазоне захвата (рисунок в).
Так называемые «мультизахватные» заклепки (рисунок в) являются в этом смысле более универсальными и могут работать в широком диапазоне захвата, но стоят они дороже.
Размер отверстия под вытяжную заклепку
Правильное отверстие очень важно для получения максимальной несущей способности вытяжной заклепки. Даже небольшое увеличение размера может привести к резкому снижению несущей способности заклепок, как на разрыв, так и на срез. Поэтому при установке заклепок применяют точно заданные размеры сверла и хороший сверлильный инструмент, чтобы не получить разбитое отверстие, как показано на рисунке б.
а — нормально
б — не допускается
Не стягивать материалы заклепкой
Как многие другие крепежные изделия, заклепки не предназначены для того, чтобы стягивать материалы друг с другом. Они должны применяться, когда скрепляемые материалы уже временно прижаты друг к другу тем или другим способом. Если же пытаться стягивать материалы вместе с помощью заклепки, то заклепка может начать формировать заднюю головку между материалами, как это показано на рисунке 10. Этот дефект очень трудно устранять, так для этого нужно высверлить заклепку, удалить остатки заклепки между материалами, просверлить отверстие с увеличенным диаметром и установить новую заклепку с увеличенным диаметром.