Заклепки виды и применение

Назначение

Заклепка представляет собой крепежный элемент, выполненный в виде трубы или круглого стержня, который обычно используется в местах, где затруднено проведение сварочных работ. Заклепочные соединения также используются там, где необходимо избежать перегрева или изменения структуры материалов, которые находятся в непосредственной близости к месту проведения производственных работ.

Это изделие чаще всего применяется в приборостроении, машиностроении, а также в химической, электронной, судостроительной и пищевой промышленности.

Кроме того, заклепочное соединение используют при строительстве мостовых конструкций и прочих сооружений. Именно это изделие применялось при возведении знаменитой на весь мир Эйфелевой башни.

В настоящее время в промышленности используются следующие виды данного изделия:

Классические заклепки со шляпкой используются с целью создания неразъемных соединений. Для этого, как правило, применяется молоток. Такой крепеж предназначен для соединения тонких металлических листов, фасадных пластин и прочих конструкций.

Вытяжные заклепки считаются наиболее удобным и практичным крепежным элементом. Их можно применять в тех случаях, когда доступ к материалам возможен только лишь с одной стороны. Данное заклепочное соединение очень часто используют для крепления хрупких и мягких изделий.

Резьбовые заклепки применяются для очень тонких материалов. Они позволяют создать не только заклепочное, но и болтовое соединение. Обычно такие изделия изготовляются из нержавеющей стали, меди или алюминия. Для установки вытяжных и резьбовых моделей используется заклепочник.

Трубчатые заклепки применяют в креплениях, которые отличаются минимальной механической нагрузкой. Эти крепежные элементы имеют сквозное отверстие, и у них нет шляпки. Особенность данного вида заключается в том, что его можно использовать только в том случае, если к соединению есть доступ с двух сторон.

Материалы изготовления

Прочность заклепок напрямую зависят от материала изготовления. На сегодняшний день их производят из алюминиевых сплавов, меди, нержавеющей или оцинкованной углеродистой стали. Алюминиевые обычно используется при проведении строительных работ. Они отличаются высоким уровнем коррозиестойкости. Крепежные элементы из нержавеющей стали также обладают прекрасными антикоррозийными характеристиками и очень высокой прочностью. Оцинкованные метизы используются с целью крепления листовых материалов к различным конструкциям. Медные заклепки применяются при монтаже кровли и медных водостоков.

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.

Рисунок 1 — Различные виды головок и стержней сплошных заклепок

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 (перепендикулярно оси). Болты и винты, напротив, предназначены, в первую очередь, для сопротивления растягивающим нагрузкам .

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 ( рисунок 2). 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.

Рисунок 2 — Установка сплошной заклепки

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

Рисунок 3 — Различные 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 (рисунок 3). 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

Рисунок 4 — Термины по ГОСТ Р ИСО 14588-2005:

В российской версии международного стандарта ISO, ГОСТ Р ИСО 14588-2005 официальным общим названием всех таких заклепок является: «заклепки „слепые“» (рисунок 4). 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».

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

Однако вытяжные — «слепые» — заклепки имеют свои ограничения:

• 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) — рисунок 5. 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

Рисунок 6 — Захват 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 (рисунок 6).

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

Рисунок 7 — Основные типы головок

Слепые заклепки имеют несколько типов головок (рисунок 7). 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 и
• 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

Рисунок 8 — Основные типы захватов 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 8, 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 8, в)), 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 9б.

Рисунок 9 — 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.

Желание кузнеца надёжно скрепить металлические пластины привело к появлению заклепки. Промышленную революцию VIII-XIX веков невозможно представить без паровых машин и конструкций из металла, изготовленных при помощи заклёпочного крепежа. Изобретение и совершенствование сварки значительно потеснило, но не удалило клёпку в промышленности и использование в бытовом ремонте.

Виды заклепок

Существует несколько видов заклёпочного крепежа.

Сплошные

Состоят из стержня цилиндрической формы с головкой (плоской, круглой, потайной) на конце. Ножка заклёпки бывает сплошной, полой или комбинированной (полутрубчатой) для уменьшения усилий при создании противоположной головки. Способ соединения позволяет скреплять стальные листы толщиной до 35 мм. Размеры и вес крепежа указан в ГОСТ 10299 80.

Особенности применения

Сопротивление элементов, собранных клёпкой, динамическим нагрузкам нашло отражение в изготовлении стройконструкций (ферм, опор), самолётостроении, кораблестроении.

Недостатки:

• утяжеление конструкций за счёт веса накладок и крепёжных элементов;
• соединение листов требует наличия опоры с тыльной стороны для формирования заклёпочного хвостовика;
• нагрев металлических заготовок под клёпку d>10 мм до температуры 11000 С;
• трудоёмкость и большая стоимость установочных работ.

Диаметр отверстия под «прошивку» не должен превышать 10% толщины стержня заклёпки. Для сохранения округлой формы головки, необходимо сделать в упоре полусферическое отверстие соответствующей глубины.

Вытяжные

Части конструкции, не подвергающейся действию больших нагрузок, крепятся вытяжными заклёпками. Способ крепления нашел широкое применение благодаря простоте установки с помощью монтажного инструмента. Несмотря на разнообразие видов, крепёж состоит из стержня и тела, скрепляющего конструкционные элементы между собой.

Стадии образования заклепочного соединения:

1. Заклёпка вставляется в просверленное отверстие.
2. Заклёпочник (пневматический, электрический, механический) захватывает стержень и тянет его перпендикулярно плоскости, на себя.
3. Шток, находящийся в теле заклёпки, сминает стенки гильзы и на обратной стороне формирует головку.
4. Стержень не выдерживает нагрузки и разрывается.

Соединяемые поверхности должны быть плотно прижаты друг к другу. В противном случае, деформация гильзы может произойти в просвете между ними, создавая некачественное скрепление.

Разнообразие гильз и способов её соединения со стержнем, позволяют выполнять множество заклёпочных соединений:

• водонепроницаемых;
• с вальцеванием внутренних стенок отверстия;
• стягивающих неровные поверхности;
• особо прочных скреплений;
• соединяющих пластические материалы.

Резьбовые

Крепеж, у которого роль вытяжного стержня играет болт или резьбовая насадка заклёпочника. Формирование заклёпочного крепления происходит также, как у вытяжных заклёпок. Ценность крепления состоит в том, что резьбовое отверстие внутри заклёпочного соединения позволяет фиксировать необходимые конструктивные элементы.
Благодаря наличию внутренней резьбы, резьбовая клепка нашла повсеместное применение в машиностроении ‒ изготовлении отдельных узлов облицовки, сборки бытовой техники. Недостатки такого вида соединения ‒ меньшая скорость клепания и высокая стоимость расходников по сравнению с вытяжным типом заклёпки.

Материалы изготовления

В зависимости от материала скрепляемых деталей и условий работы, крепёж изготовляется из следующих металлов и сплавов:

• медь;
• оцинкованная сталь;
• бронза;
• латунь;
• алюминий;
• нержавеющая сталь.

Индекс А4 указывает на стойкость к химической коррозии. А2 ‒ на устойчивость окислению в водной среде (ржавление).

Часто заклепки выпускаются комбинированными, когда гильза и сердечник выполнены из разных металлов.

В текстильной промышленности и для декорирования применяют разноцветные пластиковые клёпки, изготовленные из поламида.

Выбор материала заклепки

Выбирая металл, из которого сделан крепёж, необходимо учитывать взаимодействие материала конструкции и крепёжного элемента. Неправильный выбор приводит к образованию гальванической пары и коррозийному разрушению по месту соприкосновения металлов. Например, нельзя использовать алюминиевые заклепки в металлических конструкциях. Образование коррозии ускоряется во влажной среде.

Для исключения разрушения заклепочного крепления предпринимают меры по изоляции от внешней среды (прокрашивание, нанесение герметика). Металл для крепёжной детали должен соответствовать металлу конструкции по химическому составу и прочностным характеристикам (усилие на разрыв и срез).

Выбор по длине

Гильза крепежа должна выступать с тыльной стороны соединяемых деталей на 2-5 мм. Размер припуска зависит от толщины скреплённых материалов. Это связано с резервированием части длины на формирование головки. Предприятие-изготовитель обозначает допустимые толщины скрепляемых материалов в сопроводительных документах. Используя тот или иной размер заклёпок, не следует выходить за рамки предельно допустимых толщин, указанных изготовителем. Несоблюдение простого правила приводит к появлению дефектов:

• зазор между соединяемыми поверхностями из-за неплотного прилегания созданной головки;
• размеры головки не позволяют скреплённой конструкции сопротивляться действию на разрыв.
• Существует множество различных видов соединения материалов между собой (сварка, склейка, стяжка болтами). Однако, клёпание остаётся востребованным способом создания прочных креплений.