Достоинства и недостатки заклепочных соединений по сравнению с другими видами неразъемных, соединений.

Автор статьи:

Заклепочное соединение деталей получило широкое применение в строительстве, машиностроении, приборостроении и многих других отраслях. Заклепки — это широкая категория метизов, которые позволяют создавать прочные и жесткие неразъемные соединения. Монтажные узлы рассчитаны на высокую долговечность при значительных эксплуатационных нагрузках. Разберем основные особенности, достоинства и недостатки заклепочных соединений.

Заклепочное соединение — особенности строения

Заклепочные соединения относятся к неразъемным соединениям, которые используются для сопряжения элементов конструкций из разных материалов. Как правило, они служат для скрепления деталей из листового металла. Заклепочное соединение состоит из двух или более сопрягаемых деталей и заклепки, которая создает усилия, удерживающие вместе соединительные элементы. Заклепка вставляется в соосные монтажные отверстия, выполненные в сопрягаемых изделиях методом сверления или продавливания. Метод выполнения отверстий выбирают в зависимости от материала деталей и их толщины.

Заклепка состоит из следующих частей:

• стержень круглого сечения;
• закладная головка, выполненная в процессе изготовления крепежного элемента;
• замыкающая головка, которые формируется в процессе клепки.

Это классическая конструкция простой заклепки, которая имеет широкое применение. Также для монтажа отдельных узлов разработано значительное число видов заклепочного крепежа. Для изготовления заклепок сегодня используются специальные высадочные автоматы. Стержень заклепки может быть сплошным или иметь сквозное отверстие.

Клепка производится вручную при помощи специального инструмента, либо при помощи пневматических клепальных молотков и прессов. Часто для соединения деталей используется много заклепок, установленных по единой оси. Такое соединение называют заклепочным швом.

Заклёпочные соединения

Заклепочные соединения состоят из двух или нескольких листов или деталей, соединяемых (склепываемых) в неразъемную конструкцию с помощью заклепок

(рис. 18).

Заклепкой

называют круглый стержень, имеющий сформированную за­кладную головку
1
на одном конце и формируемую в процессе клепки за­мыкающую головку
2
на другом его конце. При этом детали сильно сжимаются, образуя прочное, неподвижное неразъёмное соединение. Форма и размеры заклепок рег­ламентированы стандартом (рис. 19).

Заклепочным швом

называют
соединение, осуществляемое группой закле­пок
(рис. 20).

Рис. 18. Заклепочные со­единения

Рис. 19. Формирование заклепочного шва

Рис. 20. Однорядное за­клепочное соединение

Отверстия под заклепки в деталях продавливают или сверлят. При продавливании образуются мелкие трещины по периферии отверстий. Трещины могут быть причиной разрушения заклепочного шва во время работы. Продавленные отверстия применяют в малоответственных конструкциях. Сверление – процесс малопроизводительный и дорогой. Сверленые отверстия применяют в конструкциях, где требуется высокая надежность. При больших диаметрах отверстий практикуют продавливание с последующим рассверливанием.

Каждая заклепка имеет свою зону действия D

, на которую распространяется деформация сжатия в стыке деталей. Если зоны действия соседних заклепок пересекаются, то соединение будет плотным. Вследствие пластических деформаций в процессе клепки стержни заклепок заполняют отверстия и заклепки стягивают соединяемые детали. В результате относительному сдвигу склепанных деталей оказывают сопротивление как стержни заклепок, так и силы трения, возникающие на поверхности стыка.

Для обеспечения плотности шва иногда выполняют чеканку (пластическое деформирование листов, например, пневматическими молотками) вокруг заклепок и по кромкам листов.

Заклепки поставляются как готовые изделия.

Заклепочное соединение получают следующим способом.

В отверстия соединяемых деталей вставляют заклепки (см. рис. 19). Под закладную головку 1

устанавливают инструмент-поддержку. Специ­альной клепальной машиной или вручную (ударами молотка, кувалды) вы­ступающий конец заклепки ( ) осаживают обжимкой в замыкающую головку
2.
Для стальных заклепок с мм производят клепку вхо­лодную, то же относится к заклепкам из цветных металлов и сплавов; с мм с нагревом заклепки до светло-красного каления (1000—1100 0С). Этот способ обеспечивает более высокое качество заклепочного шва, так как заклепки укорачиваются при остывании и стягивают детали, создавая на стыке их поверхностей большие силы трения, препятствующие относительному сдвигу деталей при действии нагрузки

Диаметры отверстий под заклепки dОТВ

выбирают по стандарту в зависи­мости от диаметра заклепки. Для холодной клепки можно рекомендовать

dOTB = d3 +

0,05
d3
,

для горячей клепки

dOTB = d3 +

0,l
d3,
где d3 —

диаметр устанавливаемой заклепки.

Достоинства и недостатки заклепочных соединений по сравнению с другими видами неразъемных соединений.

Достоинства:

— высокая надежность соединения;

— удобство контроля качества клепки;

— повышенная сопротивляемость ударным и вибрационным нагрузкам;

— возможность соединения деталей из трудносвариваемых металлов, например из алюминия;

— не дают температурных деформаций;

— детали при разборке не разрушаются.

Недостатки:

— высокая стоимость, так как процесс получения заклепочного шва состоит из большого числа операций (разметка, продавливание или сверление отверстий, нагрев заклепок, их закладка, клепка) и требует применения дорогостоящего оборудования (станки, прессы, клепальные машины).

— повышенный расход материала для этого соединения (из-за ослабле­ния соединяемых деталей отверстиями под заклепки требуется уве­личение их толщины, применение накладок и т. п.);

— детали ослаблены отверстиями;

— высокий шум и ударные нагрузки при изготовлении;

— невозможность соединения деталей сложной конфигурации.

Область применения.

В настоящее время в связи с бурным разви­тием сварки заклепочные соединения имеют ограниченное применение (в конструкциях, для которых методы сварки и склеивания еще недостаточно разработаны или мало эффективны, а также в соединениях, работающих при больших вибрационных или ударных нагрузках при высоких требованиях к надежности соединения). Также в соединениях окончательно обработанных деталей, в которых применение сварки недопустимо из-за их коробления при нагреве. Большой объем клепально-сборочных работ производится при изготовлении летательных ап­паратов. Некоторые самолеты имеют более миллиона заклепок. Заклепоч­ные соединения находят применение в подъемно-транспортных машинах, в строительстве железнодорожных мостов, котлостроении и т. п.

Классификация.

Заклепочные швы классифицируют:

— по назначению — прочные швы (мостовые и крановые фермы, само­леты и т. д.), обеспечивающие прочность соединения, прочноплотные (в котлах и резервуарах с высоким давлением), плотные (в резервуарах с небольшим внутренним давлением), обеспечивающие прочность и герметичность;

— по взаимному расположению склепываемых деталей — швы встык с одной или двумя накладками (см. рис. 18) и швы внахлестку (см. рис. 19);

— по числу рядов (для швов встык число рядов учитывается по одну сто­рону стыка) — однорядные (см. рис. 20) и многорядные (рис. 21);

— по расположению заклепок в рядах — параллельные (рис. 22) и шахматные (рис. 23) швы;

— по условиям работы (по числу плоскостей среза) — односрезные швы — с одной плоскостью среза в каждой заклепке (см. рис. 20, 22) и многосрезные — с несколькими плоскостями среза каждой заклепки (двухсрезные — см. рис. 18; 23).

Рис. 21. Многорядное заклепочное соединение

Рис.22. Многорядное заклепочное соединение

Материал изготовления

Устойчивость, надежность, прочность заклепочного соединения определяются в значительной степени материалом заклепки. Также от него зависит удобство и эффективность монтажа, необходимость применения дополнительного инструмента или оборудования. В большинстве случаев для изготовления заклепок используют низкоуглеродистые марки стали, медь, алюминий, некоторые другие виды цветных металлов и сплавов.

Учитывая особенности заклепочных соединений, материал заклепки должен отвечать таким основным требованиям:

• достаточный уровень пластичности для выполнения клепки;
• сопоставимый коэффициент температурного расширения с материалов соединяемых элементов — позволяет исключить возникновение дополнительных напряжений, которые приводят к износу и разрушению соединительного узла;
• однородный химический состав с материалов соединяемых деталей (сталь-сталь, алюминий-алюминий, медь-медь и т. д.) — предотвращает образование гальванических токов, которые приводят к интенсивной коррозии металлов.

Правильный подбор материала заклепки, наряду с соблюдением технологии монтажа и подбором размерных характеристик крепежа, является важным условием долговечности и надежности соединения.

Материал прямо влияет на технологию монтажа заклепочных соединений. Клепка с применением стальных заклепок диаметром не более 10 мм, а также крепежных элементов из меди, алюминия, латуни, других легких сплавов производится холодным способом. Монтаж соединений из стальных заклепок диаметром свыше 10 мм выполняют горячим способом, чтобы добиться нужной пластичности металла.

Виды заклепочных соединений

В промышленности и строительстве применяется множество видов заклепок и выполняемых с их помощью соединений. Классификация заклепочных соединений предусмотрена по следующим основным критериям:

• Функциональное назначение.
• Конструкция шва.
• Количество срезов.
• Количество рядов заклепок.
• Форма закладных головок.
• Форма стержня.

По функциональному значению выделяют прочные, плотные и комбинированные типы заклепочных соединений. Прочные соединения рассчитаны на удержание эксплуатационных нагрузок. Плотные — поддерживают герметичность соединительного узла. Комбинированные заклепки и заклепочные соединения совмещают эти функции. По конструкции соединительного шва различают соединения со швом внахлест и встык. Наиболее распространен первый тип. При монтаже шва внахлест используются специальные накладки.

По числу линий среза, которые проходят через стержень заклепки под действием эксплуатационных нагрузок различают односрезные и многосрезные разновидности заклепочных соединений. Для многосрезных типов количество линий среза не ограничивается.

По количеству заклепочных рядов различают однорядные, двухрядные, трехрядные и т. д. соединительные узлы. Общее число рядов не ограничено нормативными требованиями. В зависимости от формы закладных головок бывают такие виды заклепок и заклепочных соединений:

• полукруглые;
• цилиндрические;
• полупотайные;
• потайные и т. д.

Еще один важный критерий — форма и конструкция стержня заклепки. Стержни могут быть:

• сплошные — традиционный тип стержня без отверстия;
• пустотелые — в теле стержня заклепки выполнено сквозное отверстие;
• полупустотелые — стержень разделен на две половины, в одной из которых выполнено отверстие, а вторая является сплошной.

Основным нормативным документом, регламентирующим виды заклепочных соединений способы их выполнения, а также их размерные характеристики, является ГОСТ 10303-68. Кроме этого действует несколько других ГОСТов, регулирующих эту сферу.

Особенности

Заклепка выглядит в виде цилиндрического стержня, на одном из концов которого имеется созданная при производстве закладная головка (поз. 1 на ниже размещенном рисунке). Другой же его конец изначально плоский. Но в процессе клепки он преобразуется в замыкающую головку (поз.2). В результате элементы конструкции плотно сжимаются, формируя неразъемное, абсолютно неподвижное и очень прочное соединение.

Заклепочный шов – это сопряжение деталей, образованное путем использования группы заклепок.

Отверстия, в которые будут устанавливаться данные крепежные элементы, выполняются:

• продавливанием. В ходе этой операции возможно образование трещин поблизости от кромок гнезд. Такое растрескивание материала может вызвать разрушение всего заклепочного шва при воздействии нагрузок во время эксплуатации. Метод продавливания применяется в ходе создания малоответственных конструкций;
• сверлением. Данная операция недешева и отличается невысокой производительностью. Сфера применения сверленых отверстий – производство объектов, к надежности которых предъявляются повышенные требования;
• продавливанием с финишным сверлением. Такая комбинация методов актуальна для отверстий с крупным диаметром.

У каждой заклепки имеется своя зона действия. При пересечении этих зон ближайших крепежных деталей соединение будет характеризоваться достаточной плотностью. В процессе расклепывания стержни заклепок подвергаются пластической деформации. Благодаря данному явлению, материал, из которого они изготовлены, заполняет отверстие, и скрепляемые объекты стягиваются. В итоге сдвигу подвергнутых склепыванию элементов конструкции препятствует, помимо сопротивления металла стержней, еще и сила трения, образовывающаяся между входящими в плотный контакт их поверхностями. Чтобы обеспечить плотность шва, нередко практикуется чеканка по кромкам соединяемых пластин, а также вокруг заклепок. Эта процедура заключается в пластическом деформировании листового металлопроката посредством, например, молотков с пневматическим приводом.

Где применяются заклепочные соединения?

Использование заклепок долго оставалось наиболее распространенным способом монтажа неразъемных соединений до того, как развитие сварочных технологий вышло на достаточно высокий уровень. Однако и сейчас применение заклепочных соединений распространено во многих отраслях. Как правило, с их помощью соединяют детали конструкций из листовых материалов — стали, цветных металлов, пластика и т. д. Заклепки большого диаметра используют для соединения элементов профильного металлопроката — швеллера, двутавровых балок, уголка и других.

Заклепки создают прочные соединительные узлы с повышенной устойчивостью к вибрационным нагрузкам. Поэтому основными направлениями, где применяются в основном заклепочные соединения являются те сферы, в которых ответственные конструкции регулярно подвергаются воздействию вибрации и повторных нагрузок. В том числе их используют в автомобилестроении, авиастроении, судостроении, приборостроении и других отраслях.

Кроме этого, в машиностроении и строительстве заклепочные соединения применяют в тех случаях, когда нельзя использовать сварку:

• материалы соединяемых деталей нельзя сваривать друг с другом;
• при сварке существует опасность коробления поверхности;
• использование сварки может привести к отпуску деталей, прошедших термическую обработку;
• использование сварки затруднено по конструктивным причинам или из-за особых условий выполнения монтажных работ.

Существует большое число разновидностей клепальных соединений, которые получили распространение в отдельных отраслях, при монтаже разных конструкций.

Основные виды заклепок

Как видно, заклепочные соединения представлены в широком разнообразии. Благодаря данному фактору в сегменте метизов рынка стройматериалов присутствуют заклепки, отличающиеся как конструкцией, так и способом монтажа.

Выбор конфигурации закладной головки определяется предназначением соединения.

• Там, где к плотности и прочностным характеристикам шва предъявляются повышенные требования, применяются заклепки со шляпкой полусферической формы (поз. «а» на рисунке). Их производство регламентируют нормы двух ГОСТов. Стандарт за номером 14797-85 устанавливает требования к данным крепежным деталям, изготовленным с повышенной точностью (класс «А»). Нормы ГОСТа 10299-80 утверждают технические характеристики заклепок с полусферической шляпкой, произведенных с точностью, соответствующей условиям класса «В» и «С» – точность нормальная и грубая, соответственно.
• Заклепки со шляпками впотай и полупотай (поз. «б» и «в») целесообразно применять: в случае препятствования полусферических закладных головок перемещению определенных элементов конструкции; когда требуется минимизировать уровень гидро- или аэродинамического сопротивления (судостроение и авиастроение). Производство заклепок впотай регламентируют положения ГОСТа 10300-80 (точность изготовления должна соответствовать условиям классов «В» и «С»), а также стандарта №14798-85 – это уже точность класса «А». Метизы со шляпкой в полупотай изготавливаются по нормам ГОСТа 10301-80 с нормальной и грубой точностью.
• Заклепки со шляпкой бочкообразной конфигурации (поз. «г») применяются, если предполагается, что в ходе эксплуатации такой крепеж будет омываться горячими газообразными веществами, в проточных камерах паровых котлов (называются топками) и т.д. В процессе работы головки изменяют форму и становятся полукруглыми. Происходит это явление за счет их обгорания. Но прочность при этом не уменьшается.
• Изготовление заклепок с плосковыпуклой шляпкой (поз. «д») нормируется ГОСТом 14800-85. Сфера их применения – скрепление материалов, представляющих собой тонкие листы – толщиной не более 1,5 мм.
• Заклепки пустотелые/трубчатые (поз. «е») – их еще принято называть пистонами – производятся в соответствии с положениями трех Государственных стандартов под номерами 12638-80,12639-80 и 12640-80. Применяются данные метизы в соединениях типа металл-металл, не подвергающихся значительным нагрузкам, и, кроме того, для сопряжения неметаллических изделий, изготовленных, например, из фибры, гетинакса и т.п. Также трубчатые заклепки используются при производстве ПК. Там сквозь отверстие пропускаются тонкие провода. Изготовление заклепок полупустотелых регламентируют положения ГОСТа 12641-80. В их стержне на торце проделано несквозное отверстие/гнездо. Такая конструкция позволяет применять эти метизы в случаях недопустимости либо нежелательности подвергания их импульсным точечным воздействиям, проще говоря, ударам.
• Заклепки взрывные (поз. «ж») используются при работе в условиях с ограниченным доступом, когда сформировать замыкающую головку невозможно.
• Функцию расклепывающего инструментария здесь выполняет электронагреватель (поз. «1» на рисунке). Место, на которое он прикладывается – закладная головка метиза (поз. «2»). Тепловая энергия, передаваемая по стержню заклепки, воздействует на взрывчатую смесь, из-за чего происходит взрыв. В результате выступающий сегмент стержня расширяется, образуя таким образом замыкающую головку (поз.3).

Достоинства и недостатки заклепочного скрепления

Как и любой вид крепежных элементов, заклепки имеют свои плюсы, благодаря которым область применения заклепочных соединений остается достаточно широкой, и недостатки, ограничивающие их использование. Разберем их основные достоинства и недостатки.

Достоинства заклепочных соединений

Среди основных достоинств заклепочных соединений можно назвать такие преимущества:

• простота технологического исполнения соединительных узлов — не требуется высокая квалификация персонала, выполняющего монтажные работы;
• возможность монтажа сложных узлов — заклепки позволяют соединять две и более детали из разных конструкционных материалов;
• возможность соединения несвариваемых и разнородных материалов;
• отсутствие термического воздействия на материалы соединяемых деталей при выполнении монтажа — технология позволяет соединять элементы, для которых недопустимо использование сварки;
• высокий уровень надежности, длительный срок службы монтажного узла;
• повышенная устойчивость к вибрационным и повторным нагрузкам — возможность монтажа ответственных конструкций, эксплуатируемых в сложных условиях.

Благодаря этим достоинствам заклепочные соединения остаются актуальным способом монтажа конструкций, несмотря на имеющиеся альтернативные технологии.

Недостатки заклепочных соединений

В то же время существуют характерные недостатки заклепочных соединений, в результате которых их применение существенно сокращено.

Основные минусы:

• повышенная материалоемкость — на заклепки требуется повышенный расход металла, что увеличивает стоимость монтажа;
• повышенная трудоемкость монтажных работ в связи с необходимостью выполнения соединения в сборе;
• необходимость использования специального клепального инструмента;
• необходимость горячего способа монтажа для стальных заклепок большого диаметра;
• ослабление конструкции и создание дополнительных напряжений при большом количестве отверстий под заклепки;
• деформация заклепочного соединения и быстрое разрушение при неправильном диаметре отверстия.

В связи с этими недостатками заклепочные соединения применяют редко, если имеется возможность выполнить монтаж конструкции при помощи сварки или резьбового крепежа.

Плюсы и минусы заклепочного соединения

Из преимуществ заклепочного соединения эксперты выделяют:

• скрепление характеризуется высокой надежностью;
• простота контроля качества выполненной клепки;
• повышенный уровень устойчивости к воздействию нагрузок вибрационного и импульсного/ударного характера;
• возможность сопряжения элементов конструкции, изготовленных из металлов, трудно поддающихся сварке (например, алюминий, титан);
• соединяемые с помощью клепки детали сохраняют свои природные физико-химические характеристики;
• не возникают температурные деформации;
• демонтаж заклепок в ходе разборки не сопровождается повреждением элементов конструкции. Их можно использовать повторно.

В этом плане существует еще один важный момент. Как известно, в качестве сырья для производства заклепок используются металлы, характеризующиеся высокой пластичностью. Их разрушение предваряет появление существенных остаточных деформаций. Данное явление – нечто вроде сигнала об угрозе выхода соединения из строя. Увидев его, нужно будет незамедлительно предпринять предупредительные меры.

И еще. Сегодня создаются объекты, в которых скрепление осуществляется не сваркой, а большим количеством деталей для клепки (летательные аппараты, мостовые сооружения и пр.). Такой подход вызывает появление поблизости от отверстий в сопрягаемых элементах концентраций напряжений повышенного уровня. Но если трещина и появится, область ее распространения ограничена лишь промежутком между ближайшими отверстиями. Основная же часть соединения сохранит свою целостность.

К недостаткам заклепочного соединения следует отнести:

• высокие стоимостные показатели. Обусловлено это необходимостью проведения при клепке многих операций, начиная с разметки, включая высверливание либо продавливание отверстий, и заканчивая разогревом заклепок, их установкой и, собственно, клепкой;
• повышенные затраты металла. Отверстия априори ослабляют скрепляемые элементы. Поэтому для надежности конструкции эти детали должны быть потолще. Расход материала увеличивает также вариант создания стыкового заклепочного соединения с применением накладок. От всей массы конструкции на долю заклепок приходится 4 процента. Для сравнения: масса сварочных швов – полтора процента;
• создание соединения сопровождается шумом с немалыми децибелами и нагрузками ударного характера;
• невозможность сопряжения элементов со сложной конфигурацией.

Все эти недостатки настолько значимы, что соединения, формируемые посредством заклепок, в последнее время стали использоваться реже. Их заменили клеевые, сварные (где это возможно) и, кроме того, паяные соединения.