ТОВ ВКСФ"Авалон Лтд." (1992)

Фиксация резьбовых соединений является важной задачей, решаемой при сборке различных конструкций. Надежность резьбового соединения влияет на долговечность изделия, от этого часто зависит человеческая жизнь. Поэтому вопросам качественной фиксации резьбовых соединений уделяется особое внимание, и за долгие годы эксплуатации подобных соединений выработались многочисленные решения этой важной проблемы.

В состоянии покоя метрические резьбы, которые применяются во всех стандартных резьбовых соединениях, не могут самоотвинчиваться. Угол подъема такой резьбы значительно меньше угла трения. Однако в реальных конструкциях на резьбовое соединение действуют различные внешние силы, которые вызывают ослабление первоначального момента затяжки и приводят к самоотвинчиванию резьбы.

Ослабление резьбы связано с колебаниями сдвига соединяемых деталей, при которых болт изгибается и витки болта скользят по виткам гайки. Так как для скольжения элемента витка в сторону затяжки требуется большая сила, чем для скольжения противоположного элемента витка в сторону ослабления, то создается вращающий момент развинчивания, в том числе, когда колебания соединяемых деталей происходят в пределах касательных контактных деформаций. Ослабление также связано с уменьшением или местным снятием полезных сил трения в резьбе в результате последовательных поперечных сжатий и расширений витков от переменной осевой нагрузки и изменения температуры, от упругих колебаний вдоль оси винта, вызывающих местное ослабление резьбы [1].

Все многообразие применяемых конструктивных решений, позволяющих избегать самоотвинчивания резьбы, можно свести к трем укрупненным методам фиксации:

• По моменту трения по торцу гайки (болта)
• По моменту трения в резьбе.
• По углу поворота гайки (болта):
• относительно болта (гайки);
• относительно корпуса конструкции.

При реализации первого метода фиксации, создаются конструкции резьбовых соединений, позволяющие увеличить силы трения по торцу соединения. Это достигается особой конструкцией крепежного элемента (на пример винт с ребристым фланцем) или введением дополнительного элемента в резьбовое соединение. Изготовление специальных резьбовых крепежных деталей не нашло широкого применения в отечественной промышленности, так как подобные детали не внесены в ГОСТ, их применение требует значительных капиталовложений для осуществления процесса сборки. Введение дополнительного элемента, увеличивающего трение между корпусом конструкции и горцем резьбового элемента (болта или гайки), напротив широко применяется и на такие элементы выпущены ГОСТы и нормали.

Отличительной особенностью применения такого метода является рекомендация взаимного стопорения резьбовой пары болт-гайка. Увеличение момента трения по торцу только гайки (только болта) значительно снижает вероятность надежной фиксации соединения, так как не исключает возможность проворота незафиксированного торца. Это может привести к самоотвинчиванию резьбового соединения под действием внешних сил. Такую фиксацию не применяют внутри изделия, особенно в механизмах подверженных вибрации, такие соединения не относятся к высоконадежным.

Фиксация резьбовых соединений методом увеличения момента трения в резьбе, более надежный метод фиксации. Особенностью этого метода является применение специальных гаек (или болтов), что влечет за собой , как правило, увеличение габаритов последних и привлечение дополнительных капиталовложений для их изготовления. Некоторые конструкции, реализующие этот метод, трудно поддаются автоматизации, так как стандартные гайковерты не рассчитаны на гайки, отличающиеся от стандартных.

Широкое распространение получил способ использования контргайки. При данном подходе увеличивается не только трение по виткам резьбы, но и по торцу гайки. Однако, применение такого способа возможно только при ручной сборке, так как гайки нужно заворачивать последовательно, а на это не рассчитаны стандартные гайковерты.

Трение по резьбе можно создать с помощью натяга. Чаще для создания натяга используют гайки, а не болты. Для этого после нарезания резьбы гайки подвергаются пластическому деформированию на эллипс или обжимают специально сделанные прорези гайки.

Для создания усилий натяга в резьбе прибегают к использованию более сложных резьбовых конструкций. Например, в гайке предусматривают проточку, в которую завальцовывают полиамидное стопорное кольцо без резьбы. Если использовать такую гайку невозможно, то пробку из аналогичного материала можно установить в болт. Данные конструкции позволяют многократную разборку соединения и обеспечивают большие силы трения в резьбе. Однако такие конструкции требуют специальной технологии изготовления крепежных элементов — расточки под полиамидные вставки нужно сделать до нарезания резьбы, чтобы не произошло замятие витков.

Для фиксации резьбовых соединений методом увеличения трения в резьбе применяют и более сложные конструкции, отдельные сборочные узлы (конструкция с использованием цанговой контргайки, конструкция гайки, в которой используется специальная прокладка из мягких материалов (медь, свинец), поджимаемая к резьбе винтом, расположенном в корпусе гайки).

Рассмотренные конструкции требуют специального изготовления, они не входят в ГОСТы и автоматизация сборочных работ с ними значительно затруднена. Они пригодны лишь для единичного и мелкосерийного производства и требуют привлечения дополнительных средств.

Метод фиксации резьбы по углу поворота гайки — очень надежный способ фиксации. До последнего времени, его реализация была возможна лишь с привлечением механического стопорения гайки относительно корпуса изделия или относительно болта. Осуществление этого метода не требует применения специальных элементов крепления. Как правило, для этого используются шплинты и различные гайки с отжимными усиками, на которые выпущены ГОСТы и нормали. Надежность этого метода позволила применять его в высокоответственных сборочных единицах. Однако, при этом невозможно отказаться от ручного труда, установка подобных стопорящих элементов не автоматизируется. Главным недостатком таких конструкций является ступенчатое регулирование силы затяжки, оно зависит от совпадения грани гайки с отжимным усиком на шайбе или с отверстием под шплинт (проволоку).

Для неразборных конструкций применяют также сварку, пайку, раскернивание резьбы.

На особом месте, при фиксации угла поворота гайки относительно болта, стоит использование адгезивов (клеев и герметиков). В последнее время, появилась целая гамма новых материалов отечественного и зарубежного производства хорошо зарекомендовавших себя при выполнении сборочных работ. Особенно удобны анаэробные адгезивы, обладающие большим диапазоном по вязкости и прочностным характеристикам, отверждающиеся в безвоздушном пространстве резьбы и легко удаляемые с открытых поверхностей.

Применение адгезивных материалов для фиксации резьбовых крепежных элементов лишено многих из рассмотренных недостатков, присущих другим способам фиксации. Главное их достоинство — надежная фиксация стандартных крепежных элементов, не требующих дополнительной доработки конструкции. Понимая особенности машиностроительного производства, производители адгезивных фиксаторов предлагают марки, малочувствительные к замасленным поверхностям, то есть их можно наносить на болты и гайки в условии поставки.

Адгезивные анаэробные материалы обеспечивают фиксацию резьбового соединения в том положении и при том моменте затяжки, которые назначены конструктором. Зафиксированное положение останется неизменным независимо от условий работы изделия, при этом не будет ослабления резьбы.

Применение адгезивной фиксации хорошо встраивается в технологический процесс сборки изделий любого типа производства. При ручной сборке удобно пользоваться пластиковой тубой, в которой адгезивные материалы приходят от производителей. Ведущие производители адгезивов вместе с продуктом предлагают и наиболее подходящие для него средства автоматизации и механизации нанесения (например концерн Rite-Lok), что значительно облегчает работу потребителей по выбору оборудования. Применение стандартных крепежных элементов позволяет использовать стандартный сборочный инвентарь на сборочных линиях и не требует перевооружения производства при введении адгезивной фиксации.

Введение в производственный процесс адгезивной фиксации резьбы экономически оправдано - одним адгезивом можно фиксировать резьбовой крепеж различных габаритных размеров и разновидностей резьбы. Пропадает необходимость держать на сборочной позиции стопорящие элементы различных типоразмеров.

Использование в резьбовых соединениях рассматриваемых материалов значительно расширяет технические характеристики соединения, повышает его качество. Полностью заполняя пространство между витками резьбы, адгезив способствует равномерному распределению нагрузки по длине резьбы. Адгезивные соединения обладают способностью гасить вибрацию, соединение становиться герметичным, исключая возможность любой утечки. Необходимо отметить, что соединение в этом случае надежно защищено от коррозии, которая приводит к выходу из строя резьбовые соединения, работающие в агрессивных средах.

На мировом рынке существует множество различных фирм, предлагающих свои продукты для фиксации резьбы. Среди отечественных производителей можно выделить НИИ полимеров им. академика В.А. Каргина, которые предлагают широкую гамму анаэробных материалов под названиями Анатерм и Унигерм. Среди зарубежных производителей бесспорный интерес представляют адгезивные материалы мирового лидера по их производству европейского концерна Rite-Lok (Райт-лок).

В зависимости от частоты разборок резьбовых соединений, производители анаэробных адгезивов предлагают их с различными прочностными характеристиками. Например, для легкого демонтажа резьбы небольшого диаметра рекомендуются марки Darbond 2222, Анатерм 50у, Анатерм 4. Для более крупной резьбы - Darbond 2243, Анатерм 8к. В тех случаях, когда требуется обеспечить высокую прочность резьбового соединения без последующего демонтажа, рекомендуются анаэробные материалы Darbond 2262, Анатерм 6 (6к), Унигерм 6, для мелких резьбовых соединений Darbond 2542.

Технический прорыв произошел в компании Darbond . Корпорация Darbond  предложила стопорящие герметизирующие продукты для предварительного нанесения. Они удачно вписываются в высокопроизводительные поточные сборочные линии, не требуют введения дополнительных операций и могут применяться с крепежными элементами, имеющими наружную или внутреннюю резьбу различного диаметра. Это дает значительное снижение себестоимости и трудоемкости производства.

Такие продукты представляют собой капсулированные анаэробные фиксаторы, которые не обладают липкими свойствами. При сборке микрокапсулы раздавливаются и из них выливается активатор, посредством которого происходит анаэробная реакция полимеризации, подобно жидкому анаэробному адгезиву, с теми же прочностными, антивибрационными и химостойкими свойствами.

Все продукты Darbond, предназначенные для предварительного нанесения, имеют водную основу без включения растворителей, поэтому они неогнеопасны и нетоксичны. Имеют длительный срок хранения в нанесенном на резьбы состоянии. Окрашиваются в яркие цвета. При демонтаже резьбовых соединений с капсулированным резьбовым фиксатором для последующей сборки могут применяться жидкие анаэробные фиксаторы. Их также можно разделить по прочностному признаку - низкой прочности Darbond 2222, средней - Darbond 2243, высокой - Darbond 2262.

Перспективность применения адгезивных фиксаторов хорошо подтверждается экспериментальными данными. На рисунке представлены кривые самоотвинчивания разных резьбовых соединений, опубликованные компанией Darbond .

1.  Стандартный винт с адгезивной фиксацией продуктами Darbond
2.  Винт сцепления с ребристым фланцем
3.  Винт с пильчатым фланцем
4.  Гайка с полиамидным кольцом
5.  Болт с осесимметричной пружинной шайбой
6.  Болт с пружинной шайбой
7.  Стандартный незафиксированный болт

Для построения кривых сохранения усилия сжатия для представленных методов фиксации использован испытательный стенд для сравнительных испытаний различных резьбовых соединений (испытания на ударную нагрузку и вибрацию по Юнкеру). Пневматические молотки создают относительное перемещение нагруженных деталей со смещением в радиальном направлении относительно испытываемого болта. В то же время, существующая предварительная осевая нагрузка непрерывно измеряется в циклах. Таким образом, зафиксированный болт подвергался вертикальному давлению на установке с возможностью смещения точки приложения усилия с помощью кулачка.

Нетрудно заметить, что подобные адгезивной фиксации результаты испытаний показал рифленый фланцевый болт с уплотненной поверхностью. Однако он имеет ряд существенных недостатков: высокая стоимость; относительно большой размер площади, необходимой для опорной поверхности фланца; неизбежное повреждение поверхностей фиксируемых деталей вокруг опорной поверхности болта. Пилообразные зубчики фланца болта врезаются в опорную поверхность скрепляемой детали. Опорные поверхности повреждаются в момент ослабления, ограничивая этим их дальнейшее использование. Детали с закаленными поверхностями не могут быть надежно соединены, а для хрупких деталей этот способ полностью неприемлем.

Таким образом, адгезивная фиксация резьбовых соединений перспективное направление сборки, направленное на повышение качества соединения и именно с применением адгезивных материалов, в настоящее время, связан прогресс в этой области сборочных работ.