Заклепочные соединения: виды, преимущества, сфера применения

СОДЕРЖАНИЕ

• Суть заклепочного соединения
• Преимущества и недостатки заклепочных соединений
• Виды заклепочных соединений
• Нюансы расчетов на прочность заклепочного соединения
• Правила проектирования заклепочного соединения
• Инструменты и оборудование для создания заклепочных соединений

Заклепочные соединения известны еще с древних времен, но не утратили своих позиций и сегодня. Возможно, у кого-то они ассоциируются с кораблями или танками начала XX века, но и в наше время заклепки можно встретить в высокотехнологичной продукции, например, в самолетах.

Тем не менее применение заклепок все же ограниченно. В нашей статье мы расскажем о преимуществах и недостатках такого соединения, разберем его виды и поговорим о правилах проектирования.

Суть заклепочного соединения

Для литого соединения стальных листов сейчас широко используется электросварка. Но что делать, если требуется сочленить листы или иные элементы, сделанные из разных материалов, когда их сварка невозможна? В таких случаях зачастую применяют заклепочные соединения.

Это такой вид неразъемного сопряжения деталей, при котором используются заклепки. Они вставляются в соосные, заранее подготовленные отверстия. При этом способ проделывания отверстий (например, сверлением или продавливанием) выбирается в зависимости от таких факторов, как дешевизна, удобство, толщина, твердость и хрупкость материалов сочленяемых деталей.

Структура заклепки такова:

• стержень, имеющий в поперечнике круглое сечение;
• закладная головка, которая изготавливается вместе со стержнем заклепки;
• замыкающая головка, которая образуется в процессе формирования заклепочного сочленения.

Читайте также: «Тавровое соединение»

Так выглядят все заклепки, которые в настоящее время производятся с помощью специального оборудования – высадочных автоматов. Для изготовления отдельных сложных узлов и деталей может применяться большое количество дополнительных элементов такого крепежа.

Преимущества и недостатки заклепочных соединений

Объективные преимущества:

1. 1. 1. надежность сочленения;
      2. удобный контроль качества заклепочного соединения;
      3. высокая стойкость перед ударными нагрузками и вибрациями и общая прочность заклепочных соединений (пример «Титаника» не в счет);
      4. реальная альтернатива сварке, когда ее невозможно использовать по объективным причинам (например, когда сочленяются листы из трудносвариваемых или откровенно несочетаемых металлов);
      5. отсутствие в процессе клепки каких-либо изменений физико-химических свойств сочленяемых материалов;
      6. отсутствие изменения поверхностных напряжений и термических деформаций (как в случае сварки);
      7. возможность разъединения деталей без их разрушения.

Немаловажным является то, что при угрозе разрыва соединения заклепки разрушаются плавно и медленно, а не одномоментно. Это объясняется тем, что заклепки изготавливаются из высокопластичных металлов, и на первых этапах в них образуются видимые глазу остаточные деформации.

Таким образом, получается, что при внимательной эксплуатации есть возможность предотвратить серьезную аварию, приняв предупредительные меры. К тому же при разъединении ранее сочлененные детали, как правило, лишены каких-либо повреждений и могут быть использованы вновь.

Объективным преимуществом заклепочной конструкции является локализация напряжений материалов в непосредственной близости от проделанных отверстий. Поэтому возникающие трещины не имеют возможности распространяться по поверхностям деталей, а максимум тянутся от одного отверстия до расположенного рядом.

Читайте также: «Сварка нержавейки электродом»

Главным недостатком заклепочного соединения является его крайне высокая трудоемкость и дороговизна. Для того чтобы получить на выходе заклепочный шов, нужно выполнить следующие операции: разметить все отверстия; просверлить или продавить их; накалить заклепки; разместить горячие заклепки в проделанных отверстиях; выполнить непосредственно клепку.

Также требуется специфичное и крайне недешевое оборудование: как ручной инструмент, так и станки, прессы, клепальные машины. Как следствие, сопутствующими «эффектами» технологии являются:

• Высокий расход материалов для заклепочного соединения: для сочленения тонких листов используются стальные накладки, что увеличивает и стоимость, и вес всей конструкции в целом. Также для сравнения можно привести в пример дополнительный вес, который сообщается конструкции при использовании электросварки – 1,5 %, а при реализации заклепочного соединения – 4 % (от веса конструкции).
• Противоречие: сопрягаемые детали ослабляются отверстиями тем сильнее, чем прочнее требуется создать сочленение, ведь для этого нужно проделать больше отверстий
• Технология заклепочного соединения медлительна и генерирует много шума. Также на прочности конструкции негативно отражаются ударные нагрузки.
• Плотность швов неизбежно будет снижаться при эксплуатации в результате циклов температурного расширения и сжатия. Кроме того, в соединении необходимо подбирать металлы с похожими температурными коэффициентами линейного расширения.
• Заклепками возможно сочленить только относительно простые по форме детали. Заклепочное соединение неприменимо для элементов со сложной конфигурацией.
• При стыковом сопряжении деталей необходимо использовать специальные накладки (см. выше), а это приводит к увеличению веса всей конструкции (на 4 %).
• Необходимо следить за однородностью материалов подбираемых заклепок и сочленяемых деталей. Если металлы будут разнородны, то в местах их соприкосновения неизбежно будут возникать гальванические токи – главный источник коррозии.

Читайте также: «Сварка нержавейки аргоном»

Как показал опыт, перечисленные недостатки были оценены как весьма существенные, причем настолько, что с появлением электросварочной технологии доля заклепочного соединения снизилась до «маргинальных» значений. Кроме того, со временем усовершенствовались технологии пайки и клеевые составы, поэтому заклепки сейчас практикуются лишь в тех сферах, где иные способы сопряжения деталей невозможны по объективным причинам.

Виды заклепочных соединений

При том что заклепочное соединение в настоящее время не сильно распространено, специалисты выделяют несколько критериев, которые влияют на его разновидности:

• • • Функциональный признак. Здесь выделяют плотные, прочные и комбинированные типы сочленений. Прочные рассчитаны на выдерживание больших нагрузок, плотные обеспечивают герметичность соединения, а комбинированные – самые трудоемкие – сочетают обе перечисленные функции.
    • Конструкция шва. Здесь выделяют сочленения внахлест и встык. В случае соединения внахлест обычно используются дополнительные накладки.
    • Количество срезов. В зависимости от того, сколько линий среза проходит через заклепочный стержень под воздействием нагрузок, разделяют одно- и многосрезные заклепочные сочленения. В последнем случае количество линий среза может быть любым.
    • Требуемая прочность соединения, которая влияет на количество рядов заклепок в одном шве. Здесь выделяют одно-, двух-, трехрядные (и т. д.) заклепочные соединения. При этом никакие нормативные требования формально не ограничивают количество рядов. (Но есть ограничения, полученные опытным путем).
    • Форма головок у заклепок. Здесь выделяют следующие разновидности соединений: полукруглые, цилиндрические, полупотайные, потайные.
    • Форма заклепочных стержней. Они могут быть сплошные (стержень при этом не содержит никаких отверстий); пустотелые (для облегчения самой заклепки внутри нее высверливается отверстие); полупустотелые (когда отверстие высверлено только в одной половине заклепки).

Главный нормативный документ, который регламентирует технологию каждого типа заклепочного соединения, все их разновидности и размерные характеристики, – это ГОСТ 10303-68 (однако, помимо указанного ГОСТа, действуют и другие).

Нюансы расчетов на прочность заклепочного соединения

Иногда заклепочное соединение применяется в условиях присутствия осевой нагрузки. В этом случае производится расчет на срез и проверка на смятие.

Под воздействием нагрузки сочленяемые детали (листы) стремятся сдвинуться друг относительно друга, и здесь на каждую заклепку действуют усилия, направленные в диаметрально противоположные стороны. В сечении их стержней возникают поперечные напряжения. При этом какие-то заклепки оказываются нагруженными больше, а какие-то недогруженными.

Первые со временем изнашиваются (их материал начинает «течь»), передавая свое избыточное напряжение на недогруженных «коллег». В итоге усилия, приходящиеся на каждую заклепку, со временем уравниваются.

Читайте также: «Стыковое сварное соединение»

Помимо стремления быть срезанной при сдвиге, заклепка испытывает напряжение на смятие. Такое же воздействие приходится и на кромки отверстий под заклепки в сочлененных листах (деталях). Более того, эти отверстия сами по себе ослабляют деталь.

Не имея возможности передать усилие куда-нибудь еще, материал листа и заклепки начинает сминаться. Эти усилия можно рассчитать, и для упрощения принимается, что нормальные напряжения смятия равномерно распределены по площади диаметрального сечения заклепки. При этом указанное сечение рассчитывается как произведение диаметра заклепки и толщины листа (детали в месте сочленения).

Правила проектирования заклепочного соединения

Эволюция заклепочных соединений позволила проанализировать опыт их эксплуатации в самых разных условиях (при различных вариантах соединений), провести расчетный анализ и выдвинуть ряд рекомендаций:

1. Требование равной прочности сочленяемых элементов и самих заклепок. (Здесь уместна аналогия с цепью, чья совокупная прочность определяется прочностью самого слабого звена).
2. Требование минимизации ослабления сопрягаемых деталей отверстиями. (Обычно применяется расположение заклепок в шахматном порядке, используются более толстые накладки и пр.).
3. Чтобы не допускать появления изгиба и последующего сминания соединяемых деталей, заклепочные швы нужно располагать либо вдоль, либо непосредственно по оси, проходящей через центр масс сочленяемых элементов. При этом если соединение производится не по оси, то тогда его нужно осуществлять симметрично и как можно ближе к ней.
4. В одном соединении должны присутствовать заклепки одного диаметра.
5. Заклепочное соединение должно намертво сопрягать детали. Недопустимы их поворот относительно друг друга. Для этого число заклепок в соединении должно быть не менее двух.
6. Интервал между заклепками определяется исходя из требований обеспечения прочности соединения и удобства клепки.
7. Максимальное число рядов заклепок в одном шве на одной детали – не более трех. Больше можно, но не нужно, потому что это уже никак не повлияет на прочность заклепочных соединений.
8. При стыковых соединениях количество заклепок должно быть вдвое больше, чем в соединениях внахлест.
9. Герметичность готовой конструкции обеспечивается не только благодаря прочноплотному соединению, но и за счет применения клея, силоксановых эмалей и различных металлических покрытий, которые могут быть образованы гальваническим способом или же в результате газоплазменного напыления.
10. Последовательность действий: вначале определяется необходимое количество заклепок (которое обеспечит прочность готового изделия), и только потом производится разработка конструкции и расчет заклепочных соединений.

Инструменты и оборудование для создания заклепочных соединений

Клепка, осуществляемая вручную, требует следующих инструментов:

• • • слесарный молоток;
    • поддержка под закладную головку;
    • натяжка;
    • обжимка;
    • чекан;
    • пистонница (для развальцовывания трубчатых заклепок).

Поддержка – это опора при развальцовывании стержня заклепки. При этом вес поддержки должен вчетверо-впятеро превосходить вес слесарного молотка. И разумеется, поддержка для полукруглой закладной головки заклепки должна иметь лунку соответствующей формы.

Еще при заклепочном соединении применяются натяжки. Они служат для того, чтобы можно было осадить сочленяемые листы вдоль стержня заклепки. Внутри натяжки просверливается отверстие, куда и входит стержень при клепке, при этом диаметр натяжки всего лишь на 1,5 мм больше диаметра стержня.

Обжимка – это стержень, в торцевой части которого высверлено отверстие в форме полусферы. После осаживания заклепки удар обжимки придает заклепке ее классический вид. Потайные заклепки получаются с помощью только одного молотка – обжимка в таких случаях не используется.

Чекан – это зубило, имеющее закругленную рабочую часть. Чекан применяется для того, чтобы обеспечить герметичность заклепочного соединения. С его помощью подчеканивают края сочленяемых заготовок, усиливая плотность их прилегания друг к другу.

Все описанные выше инструменты – натяжки, чеканы и поддержки – производятся из инструментальной углеродистой стали, при этом их рабочие плоскости и кромки проходят закалку.

Читайте также: «Оборудование для сварочных работ»

Для подготовки потайной клепки производится зенкование (рассверливание) отверстия под будущую развальцованную головку заклепки. Здесь нужно четко контролировать глубину зенкования и требуемый диаметр отверстия. Для этого обычно используют контрольную заклепку.

Ручная клепка обычно применяется при создании габаритных конструкций (как тут не вспомнить «Титаник» с его 3 млн заклепок). При этом применяются как ручные инструменты, так и стационарное оборудование.

В технологии ручной клепки самым распространенным инструментом является пневматический молот. Он имеет множество модельных разновидностей и конструкционных особенностей, но все молотки имеют общую особенность – они оснащаются гасителями вибраций (чтобы снизить ударно-вибрационное воздействие на организм человека).

Также для сочленения относительно тонких листов (до 6 мм) с помощью заклепок, имеющих диаметр, не превышающий 6 мм, используют пневматические прессы. Причем как ручные (ПРП5-2), так и стационарные (КП204-М).

При соединении более тонких листов, толщиной до 1 мм, с помощью заклепок, выполненных из алюминия, используют ручные клепальные клещи.

Качество шва контролируется измерением высоты головок над поверхностью сопрягаемых деталей. Эта величина должна быть одинакова для всех заклепок. При этом используют шаблон, щуп или простую линейку.

Сейчас заклепочное соединение сильно сдало свои позиции в пользу электросварки. Заклепки в наши дни используются лишь там, где им нет никаких других альтернатив: где склейка, спайка и сварка либо неэффективны, либо вовсе невозможны. А кроме того, заклепки хорошо себя проявляют в тех соединениях, где велики вибрационные нагрузки, способные разрушить сварные швы.

Читайте также: «Сварка арматуры»

Но, как это ни странно, самое максимальное применение заклепочных соединений приходится на наиболее высокотехнологичные отрасли – на авиа- и ракетостроение, где повсеместно используются листовые материалы из алюминиевых сплавов, плохо поддающихся сварке.