ГАЙКА ШЕСТИГРАННАЯ С ЗУБЧАТЫМ РИФЛЕНИЕМ ОПОРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ ПРОЧНОСТИ

Полезная модель относится к области машиностроения, приборостроения, строительства и других отраслей, где используются резьбовые соединения с применением шестигранных гаек типа болт-гайка, болт-шпилька, винт-гайка, в которых шестигранная гайка с гладкой опорной поверхностью заменена шестигранной гайкой с зубчатым рифлением опорной поверхности, что позволяет создать резьбовое соединение с пониженной склонностью к вибрационному раскручиванию (самопроизвольному ослаблению резьбового соединения).
Безаварийная работа техники определяется уровнем прочности и качеством применяемого резьбового соединения, поэтому все резьбовые крепежные детали машин и механизмов должны быть надежно застопорены от самоотвинчивания во избежание поломки деталей узлов и агрегатов. Особенно актуальна эта задача для узлов, работающих в условиях вибрации и циклических нагрузок.
Существует большая разновидность крепежных деталей, обеспечивающих стопорение, принципы которого основаны на способах упругого, фрикционного, и другого взаимодействия. Особое место занимают конструктивные отличия опорных поверхностей гайки, направленные на создание повышенного трения в соприкасающихся поверхностях.
Известна гайка («Болтовое соединение», а.с. СССР №218571, кл.47а, 12, опубликовано 1968 г.) на торцевой поверхности которой для повышения надежности соединения выполнены зубцы, при этом острые кромки зубцов направлены по касательной к ее резьбовому отверстию.
Известна гайка («Способ болтового соединения деталей», а.с. СССР №1795162, F16B 5/02, F16B 39/282, опубликовано 1993 г.), в которой для повышения надежности стопорения и фиксации деталей от перемещения, гайка выполнена за одно со стопорным элементом в виде пирамидальных выступов (зубцов) с углом при вершине 30…90°, которые расположены рядами в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Известна гайка («Резьбовое соединение деталей», патент РФ №2363863, F16B 5/02, опубликован 2009 г.), которая выполнена с выступами, расположенными равномерно на ее опорной поверхности в форме крестиков, конусов, полусфер или вкраплений из корундовой крошки.
Все гайки по перечисленным техническим решениям имеют на торцевой опорной поверхности дополнительные элементы (рифление) разнообразной формы основная цель, которых направлена на создание повышенного трения в контактирующих поверхностях и тем самым затрудняющих самопроизвольное отвинчивание. Недостатком данных гаек является то обстоятельство, что предлагаемые формы рифления и их количество не учитывают прочностных характеристик гайки.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению, принятой за прототип, является конструкция гайки с клинообразными выступами на торцевых поверхностях, в которых грани выступа выполнены под различными углами к опорной поверхности. Грань, наклон которой совпадает с направлением затяжки гайки, выполнена под острым углом, а другая грань под углом близким к 90° («Стопорящееся резьбовое соединение», патент РФ №2073132, F16B 39/28, опубликован 1997 г.). При этом на каждой торцевой поверхности имеется только по одному клинообразному выступу. Недостатками гайки этой конструкции является низкая надежность соединения, вызванная перекосом гайки с одним клинообразным выступом на торцевой поверхности при ее завинчивании и передачи изгибающего момента на стержень болта, что может приводить к разрушению последнего, а также невозможность многократного использования гайки из-за значительной деформации витков резьбы при закручивании гайки. Кроме того высота единственного выступа и его твердость (класс прочности гайки) будут затруднять монтаж и оказывать влияние на усилие завинчивания и деформацию не только резьбы, но и контактной поверхность детали. Особенно опасно применение такой гайки если она будет в термически упрочненном состоянии (закалка с отпуском) класса прочности, например 10 или 12 по ГОСТ Р 52628-2006 (Болты, винты и шпильки. Механические свойства и методы испытаний) с повышенной чувствительностью к перекосу и к хрупким разрушениям.
В основу полезной модели поставленная задача усовершенствования гайки, в которой за счет конструктивных особенностей, а также класса прочности обеспечивается повышение эксплуатационных свойств, в частности нагрузочной способности и эффекта стопорения на болт или шпильку путем увеличения трения в сопрягаемых поверхностях за счет формирования в сопрягаемой с опорной поверхностью гайки ответных выступов.
Поставленная задача достигается тем, что предлагаемая гайка шестигранная с зубчатым рифлением опорной поверхности различных классов прочности в виде шестигранного корпуса с резьбой диаметром от 6 до 48 мм в центральном сквозном отверстии вдоль продольной оси и с заданными механическими характеристиками, изготовленная способом объемной штамповки заготовки из углеродистых и легированных сталей, имеет рифление только на одной опорной поверхности в виде 24…36 зубчатых выступов в форме прямоугольного треугольника, меньший угол которого направлен по ходу закручивания, расположенных равномерно по вписанной окружности и имеющих высоту 0,15…0,8 мм. Гайку класса прочности 5 и 6 всех типоразмеров резьбы изготавливают из стали, содержащей углерода не более 0,37% без осуществления закалки и отпуска готовой гайки. Гайку класса прочности 8…12 всех типоразмеров резьбы изготавливают из стали, содержащей углерода не более 0,58%, с осуществлением закалки и отпуска готовой гайки.
2
Гайку класса прочности 8 с диаметром резьбы до 16 мм включительно изготавливают холодной объемной штамповкой из стали, содержащей углерода не более 0,37% без осуществления закалки и отпуска готовой гайки и для ее изготовления применяют заготовку с механическими свойствами в состоянии после горячей прокатки с пределом текучести не менее 360 Н/мм.
Гайка также может быть изготовлена с нанесением защитного покрытия поверхности.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является усовершенствование конструктивных особенностей гайки, получение различного уровня ее свойств (класса прочности) и улучшенного товарного вида, что обеспечит повышение эксплуатационных свойств, в частности нагрузочной способности и эффекта стопорения на болт или шпильку.
Достижение указанного технического результата обеспечивается набором отличительных признаков, а именно тем, что гайка, шестигранная с зубчатым рифлением опорной поверхности различных классов прочности в виде шестигранного корпуса с резьбой диаметром от 6 до 48 мм в центральном сквозном отверстии вдоль продольной оси и с заданными механическими характеристиками, изготавливается способом объемной штамповки заготовки из углеродистых и легированных сталей, имеет рифление только на одной опорной поверхности в виде 24…36 зубчатых выступов в форме прямоугольного треугольника, меньший угол которого направлен по ходу закручивания, расположенных равномерно по вписанной окружности и имеющих высоту 0,15…0,8 мм. Нанесение рифления только на одной опорной поверхности упрощает технологию объемной штамповки гайки. Размещение зубчатых выступов равномерно по вписанной окружности исключает перекос гайки и изгиб болта (шпильки) при навинчивании и способствует равномерному распределению напряжений по виткам резьбы и в опорной поверхности.
Выполнение зубчатых выступов в форме прямоугольного треугольника, меньший угол которого направлен по ходу закручивания способствует беспрепятственному навинчиванию гайки и затрудняет ее самопроизвольное отвинчивание. Количество зубчатых выступов обусловлено различием механических свойств (класса прочности) гайки. Для гайки низкого класса прочности, например, класса 5 или 6 достаточно наличие 24 выступов. Для высокопрочной гайки класса 10 или 12 необходимо до 36 выступов. Количество выступов менее 24 снижает усилие стопорения из-за сокращения контактной поверхности. Формирование выступов в количестве более 36 затруднено из-за недостаточной стойкости инструмента. Высота выступов на опорной поверхности гайки различная и зависит от диаметра ее резьбы и должна составлять не менее 0,15 мм для гайки М6 и не более 0,80 мм для М48. При этом верхняя кромка выступа не должна выходить за высоту гайки соответствующего размера по ГОСТ 24671 или других аналогичных стандартов.
Гайку класса прочности 5 и 6 всех типоразмеров резьбы изготавливают из стали, содержащей углерода не более 0,37% без осуществления закалки и отпуска готовой гайки. Использование стали с указанным содержанием углерода достаточно для формирования твердости и прочности гайки класса 5 и 6 непосредственно после холодной высадки без проведения последующей термической обработки. Применение стали с большим содержанием углерода приведет к необходимости проведения отжига заготовки, что усложняет технологию и приводит к удорожанию продукции.
Гайку класса прочности 8…12 всех типоразмеров резьбы изготавливают из стали, содержащей углерода не более 0,58%, с осуществлением закалки и отпуска готовой гайки. Применение стали с обозначенным содержанием углерода и проведение закалки с отпуском готовой продукции позволяет выполнить требования по механическим свойствам для гайки данного класса прочности (требования по ГОСТ Р 52628). При этом возможно применение стали легированной марганцем, хромом и другими элементами в количестве около 1%. В стали могут присутствовать также несколько легирующих элементов в незначительных количествах, которые попадают из лома в процессе выплавки. Однако при этом содержание углерода не должно превышать 0,58%. Наличие углерода в стали более 0,58% приводит к охрупчиванию и снижению пластичности, что может приводить к разрушению выступов или резьбы гайки.
2
2
Гайку класса прочности 8 изготавливают холодной объемной штамповкой из стали, содержащей углерода не более 0,37% без осуществления закалки и отпуска готовой гайки, когда для изготовления применяют заготовку, имеющую после горячей прокатки предел текучести не менее 360 Н/мм. Применение заготовки с такими исходными механическими свойствами позволяет обеспечить требуемый уровень прочности (класс) гайки с диаметром резьбы до 16 мм включительно без закалки с отпуском, что существенно упрощает технологию изготовления (сокращает количество операций нагревов) и снижает себестоимость продукции. При использовании стали с содержанием углерода более 0,37% необходимо проведение отжига заготовки (дополнительная дорогостоящая технологическая операция), а применение заготовки, имеющей после горячей прокатки предел текучести менее 360 Н/ммне обеспечит получения гайки со свойствами класса 8. Ограничение по типоразмеру гайки с диаметром резьбы до 16 мм включительно, обусловлено требованием ГОСТ Р 52628.
Гайку всех типоразмеров и классов прочности можно изготавливать с нанесением защитного покрытия поверхности, что повышает ее потребительские свойства.
Все отличительные признаки заявляемой полезной модели взаимосвязаны и способствуют достижению поставленной задачи и обеспечению требований нормативной документации по свойствам гайки (класс прочности, твердость).
Выполнение рифления только на одной опорной поверхности гайки в виде равномерно расположенных по вписанной окружности 24…36 зубчатых выступов упрощает технологию изготовления самой гайки и способствует навинчиванию без изгиба болта или шпильки. Количество выступов, их высота и форма благоприятствуют беспрепятственной затяжке гайки, а также надежности стопорения.
2
Изготовление гайки класса прочности 5 и 6 из стали, содержащей углерода не более 0,37% без осуществления закалки и отпуска, упрощает технологию и удешевляет продукцию, т.к. отпадает необходимость в предварительном отжиге заготовки. Изготовление гайки класса прочности 8…12 из стали, содержащей углерода не более 0,58%, с осуществлением закалки и отпуска готовой гайки несмотря на увеличение затрат на производство, продиктовано необходимостью обеспечения требований ГОСТ Р 52628 по механическим свойствам. Изготовление гайки класса прочности 8 с диаметром резьбы до 16 мм включительно из стали, содержащей углерода не более 0,37% без осуществления закалки и отпуска готовой гайки, что допускается требованиями ГОСТ Р 52628, существенно упрощает технологию изготовления гайки, способствует снижению себестоимости и достигается при применении заготовки с пределом текучести после горячей прокатки не менее 360 Н/мм. Изготовление гайки всех типоразмеров и классов прочности с нанесением защитного покрытия поверхности повышает их потребительские свойства.
2
Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемая гайка отличается от известной своей конструкцией, а именно наличием на одной опорной поверхности зубчатых выступов в форме прямоугольного треугольника, расположенных равномерно по вписанной окружности. При этом получение различных классов прочности достигается путем использования стали определенного состава и с определенными свойствами, а также технологией термической обработки. Кроме того возможно производить гайку класса прочности 8 из заготовки с пределом текучести после горячей прокатки не менее 360 Н/мм, что исключает необходимость нагревать гайку под закалку, а также проводить эту технологическую операцию.
2
Конструкция предлагаемой гайки показана на фиг.1, сечение по А-А на фиг.2, фрагмент В на фиг.3. Предлагаемая гайка конструктивно отличается от распространенных шестигранных гаек наличием зубчатого рифления одной из опорных поверхностей для создания надежного резьбового соединения, с пониженной склонностью к вибрационному откручиванию. Зубчатое рифление на опорной поверхности гайки выполнены в виде 24-36 выступов, в сечении соответствующих прямоугольному треугольнику, меньший угол выступов направлен по ходу закручивания гайки, что обеспечивает свободное вращение гайки при контакте с опорной поверхностью при ее закручивании. Рифление на опорной поверхности гайки обеспечивают ее надежную фиксацию в резьбовом соединении, и препятствует самопроизвольному откручиванию гайки. Высота выступов (h) опорной поверхности гайки различная, зависит от диаметра ее резьбы и верхняя кромка выступа не должна выходить за высоту гайки (m) соответствующего размера. На поверхность противоположную опорной, наносится товарный знак производителя и маркировка класса прочности гайки. Механические свойства гаек должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 52628, а защитные покрытия - ГОСТ Р ИСО 4042, ГОСТ Р 9.316 и ГОСТ Р 51163. Гайки изготавливаются из углеродистых рядовых или легированных марок сталей в горячекатаном или отожженном состоянии. В зависимости от требуемого класса прочности гайки выбирается марка стали заготовки, технология производства и термической обработкой готовой гайки. Гайки всех типоразмеров класса 5 и 6 закалке с отпуском не подвергаются. Гайки всех типоразмеров класса 8…12 подвергаются закалке с отпуском. Изготовление гаек холодной объемной штамповкой диаметром резьбы до 16 мм включительно, класса прочности 8 производят без закалки и отпуска, когда для их изготовления и получения требуемых механических свойств, используется заготовка из углеродистой или низколегированной стали повышенной прочности (предел текучести более 360 Н/мм). Для изготовления заявляемой гайки с резьбой диаметром от 6 до 48 мм и номинальной высотой m≥0,5 диаметра резьбы гайки не требуется специального оборудования, инструмента или других сложных приспособлений.
Пример.
В условиях металлургического производства изготовили подкат диаметром 9 и 21 мм, который подвергли охлаждению с температуры конца прокатки на воздухе (сталь марки 20, 35, 40Х и 55) и водой (сталь марки 20 и 35 - термическое упрочнение путем прерванной закалки с самоотпуском), смотке в моток и последующему охлаждению на воздухе. Мотки подката стали 40Х и 55 дополнительно подвергали сфероидизирующему отжигу.
зав
отв
зав
В условиях метизного производства подкат перерабатывали на гайку размером М6 и M16 мм. Перед переработкой подкат подвергали травлению, фосфатированию и перетяжке (волочению) на заготовку размером, необходимым для изготовления гайки. Изготовление шестигранной гайки проводили на холодновысадочном автомате с использованием пуансона с зубчатым рифлением. После изготовления часть гаек подвергали термической обработке (закалке с отпуском). Механические испытания гаек пробной нагрузкой проводили согласно п.8.1 ГОСТ Р 52628 путем осевого растяжения при помощи испытательной машины. Отдельно определяли нагрузку, при которой происходит срыв резьбы гайки (испытание до разрушения гайки). Выполняли соединения и определяли крутящий момент при завинчивании и отвинчивании гайки при помощи динамометрического ключа. Затяжку гайки различных классов прочности проводили с усилием 75-80% от пробной нагрузки. Наличие на каждой гайке двух различных форм опорной поверхности (одна плоская, вторая с зубчатым рифлением) позволило провести сопоставление усилия завинчивания/отвинчивания для гайки с различной опорной поверхностью. Об эффективности зубчатого рифления судили по абсолютной величине разности крутящего момента (ΔМ=(М-М.)/М., %) при завинчивании и отвинчивании (последнее превосходило первое) гайки для каждой опорной поверхности, а также в зависимости от количества зубчатых выступов. Повышенное значение ΔM свидетельствует о надежности резьбового соединения и его пониженной склонности к вибрационному откручиванию. Марка и содержание углерода в стали, состояние исходного сырья, типоразмер и конструктивные отличия, технологические режимы обработки и свойства гаек приведены в таблице.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что предлагаемая гайка, выполненная из углеродистой рядовой и легированной марок сталей характеризуется повышенными потребительскими свойствами за счет своей конструкции, надежности стопорения и более высокого класса прочности.
№ п/п
Марка стали
%,C
Состоя ние сырья<sup>1)</sup>/ σ<sub>т</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
Типо-размер
Коли чество рифлений
Высота выступов, MM
Термическая обработка готовой гайки
Нагрузка срыва резьбы, КН
ΔМ,%
Класс прочности
1
20
0,21
Г-К/180г-к/180
М6
024
0,15 0,15
Без ТО
13,0
20,0 30,0
55
2
20
0,21
г-к/180
М6
30
0,20
Зак. с отп.
17,6
35,0
8
3
20
0,21
ту/340 ту/360
М6
30
0,20 0,20
Без ТО
17,017,5
32,0 35,0
68
4
35
0,36
г-к/300 г-к/300
М16
30
0,4 0,4
Без ТО Зак. с отп.
113,0 140,0
33.0 40,0
68
5
35
0,36
ту/420
М16
30
0,4
Без ТО
145,2
40,0
8
6
40Х
0,37
отож.
М16
36
0,8
Зак. с отп.
168,5
45,0
10
7
55
0,58
отож.
М16
0 36
0,8 0,8
Зак. с отп.
186,2
28,0 48,0
12
1) г-к - горячекатаное; отож. - отожженное; ту - термически упрочненное
Из приведенного следует, что предлагаемая гайка работоспособна и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе. Увеличение количество зубчатых рифлений устранило перекос гайки и увеличило усилие их отвинчивания. При этом гайка класса прочности 8 с диаметром резьбы до М16 при использовании заготовки повышенной прочности может изготавливаться без термической обработки готовой гайки, что сокращает количество дорогостоящих операций на ее изготовление (числа нагревов при проведении термических обработок). Это позволяет значительно уменьшить энергоемкость изготовления и организовать производство крепежной продукции повышенной прочности из рядовых углеродистых сталей, что существенно повышает рентабельность и уменьшает себестоимость продукции. Гайки классов прочности 8 по ГОСТ Р 52628-2006 могут широко применяться в машиностроении, автомобилестроении и других отраслях.