Болт с шестигранной головкой и болт с шестигранным фланцем: различия и руководство по выбору

А болт с шестигранной головкой является наиболее универсально используемым резьбовым крепежным элементом, характеризующимся шестигранной головкой, полным или частичным стержнем резьбы и необходимостью использования отдельной шайбы для распределения зажимной нагрузки. А шестигранный фланцевый болт является прямой эволюцией того же крепежа — он включает в себя широкий круглый фланец, встроенный под шестигранную головку, который действует как встроенная шайба, распределяя нагрузку по большей площади подшипника, не требуя отдельного компонента. Выберите стандартный болт с шестигранной головкой для общих структурных, гражданских и тяжелых промышленных применений, где шайбы являются стандартной практикой; выберите болт с шестигранным фланцем, где скорость сборки, уменьшенное количество деталей или распределение нагрузки на тонкую/мягкую подложку являются приоритетом —, особенно в автомобильных узлах, узлах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и легких производственных узлах.

Болт с шестигранной головкой: определение, геометрия и стандарты

Болт с шестигранной головкой — иногда называемый винтом с шестигранной крышкой, когда он имеет более близкий допуск по размерам и поверхность шайбы под головкой — определяется шестиугольным профилем головки, который обеспечивает зацепление стандартными открытыми, коробчатыми, гнездовыми и регулируемыми ключами. Шесть плоских поверхностей головки и определенный размер ширины по плоскостям (WAF) являются основой размеров гаечных ключей по всем метрическим и имперским стандартам крепежа.

Стандарты размеров болтов с шестигранной головкой

Болты с шестигранной головкой изготавливаются в соответствии со строго контролируемыми стандартами размеров, которые определяют высоту головки, ширину по плоскостям, ширину по углам, длину зацепления резьбы и допуски хвостовика. Основными стандартами, используемыми во всем мире, являются:

• ISO 4014/ISO 4017: Доминирующие метрические стандарты. ISO 4014 определяет шестигранные болты с частичной резьбой; ISO 4017 определяет шестигранные болты с полной резьбой. Оба определяют размеры от M1.6 до M64.
• DIN 931 / DIN 933: Немецкие стандарты в значительной степени заменены стандартами ISO 4014/4017, но по-прежнему широко используются — DIN 931 для шестигранных болтов с частичной резьбой, DIN 933 для шестигранных болтов с полной резьбой. Размеры отличаются от ISO незначительно, но существуют в некоторых размерах.
• ASME B18.2.1: Североамериканский стандарт для шестигранных болтов и винтов с шестигранной головкой дюймовой серии, охватывающий размеры от 1/4" до 4" в диаметре.
• ASTM A307 / A325 / A490 / F3125: Американские стандарты на болты для конструкций, определяющие требования к механическим свойствам (предел прочности на растяжение, предел текучести, испытательная нагрузка) для шестигранных болтов, используемых в соединениях из конструкционной стали.

Основные размеры метрических болтов с шестигранной головкой

Шестигранные болты с частичной и полной резьбой

Выбор между шестигранными болтами с частичной и полной резьбой имеет функциональное значение, а не является просто производственным отличием. А болт с частичной резьбой (ISO 4014/DIN 931) имеет нерезьбовую часть хвостовика между головкой и резьбовой частью. Этот стержень без резьбы действует как прецизионный штифт в отверстии для болта, противодействуя сдвиговым усилиям на границе соединения, не создавая при этом сдвигового напряжения на форме резьбы—, которая является точкой концентрации напряжений. По этой причине стандарты на конструкционные болты, такие как AISC и EN 1090, специально требуют, чтобы резьба не занимала плоскость сдвига в соединениях, критичных к скольжению. А болт с полной резьбой (ISO 4017/DIN 933) имеет резьбу, проходящую по всей длине до нижней стороны головки. Это максимизирует длину зацепления резьбы при растягивающей нагрузке, но означает, что резьба может пересекать плоскость сдвига в некоторых геометриях соединения, что приемлемо для соединений, не критичных к скольжению.

Болт с шестигранным фланцем: конструкция, функция и стандарты

The шестигранный фланцевый болт стандартизировано по стандартам ISO 15071 (метрическое, без зубцов) и DIN 6921 (с зубцами) — добавляет круглый фланец в виде шайбы к нижней стороне стандартной шестигранной головки. Фланец выкован или подвергнут холодной штамповке как неотъемлемая часть головки болта, а не как отдельный компонент. Это единственное изменение конструкции приводит к существенно иному поведению крепежа в нескольких ключевых областях.

Как фланец меняет поведение зажима

Фланец увеличивает площадь подшипника под головкой болта — площадь поверхности, по которой зажимное усилие распределяется в материале соединения. Для шестигранного болта М10 без шайбы площадь подшипника под головкой составляет примерно 78 мм². Шестигранный фланцевый болт М10 с диаметром фланца примерно 21–22 мм увеличивает его примерно до 260–290 мм² более чем в три раза больше площади подшипника. Это имеет существенное значение в приложениях, включающих:

• Тонкий листовой металл: Без фланца головка шестигранного болта может протянуть или деформировать тонкую сталь или алюминий под нагрузкой зажима. Фланец распределяет эту силу на более широкую площадь, предотвращая повреждение подложки.
• Мягкие материалы: Пластиковые корпуса, алюминиевые отливки и композитные панели выигрывают от распределения нагрузки фланца так же, как и шайба, но без сложностей сборки, связанных с ослабленной шайбой.
• Среды с высокой вибрацией: Зубчатая версия (DIN 6921) добавляет радиальные зубцы к нижней стороне фланца. Эти зубья вгрызаются в сопрягаемую поверхность при затягивании болта, обеспечивая механическое сопротивление вращательному ослаблению под действием вибрации — функционируя как зубчатая стопорная шайба, но как неотъемлемая часть, а не как отдельный компонент.

Болты с зубчатым и незубчатым фланцем

Это наиболее важное различие в категории болтов с шестигранным фланцем:

• Без зубцов (гладкий фланец) — ISO 15071: Нижняя сторона фланца гладкая. Он распределяет нагрузку, не вгрызаясь в сопрягаемую поверхность, что делает его пригодным для поверхностей с покрытием, окрашенных или анодированных поверхностей, повреждение поверхности которых может вызвать коррозию или косметические проблемы. Их можно снять и использовать повторно без повреждения поверхности.
• Зубчатый фланец — DIN 6921: Нижняя сторона фланца имеет радиальные зубцы (обычно 30–40 зубцов по окружности). При затягивании они вдавливаются в сопрягаемую поверхность и сопротивляются вращательному ослаблению. Эта версия обеспечивает значительно лучшую вибростойкость, чем простой шестигранный болт, приближаясь по производительности к отдельной зубчатой стопорной шайбе. Однако зубцы повреждают поверхностные покрытия и не подходят для применений, где существует опасность коррозии из-за разрушения покрытия. Их также не рекомендуется использовать на закаленных поверхностях, где не может возникнуть вмятина.

Размеры болта с шестигранным фланцем

Обратите внимание, что шестигранный WAF на фланцевых болтах часто на размер меньше чем на стандартном шестигранном болте с тем же диаметром резьбы (например, для фланцевого болта M10 используется гаечный ключ на 15 или 16 мм вместо 17 мм, требуемых для стандартного болта M10 ISO 4014). Это объясняется тем, что сам фланец обеспечивает вращательную поверхность захвата во время установки, а уменьшенный шестигранный WAF экономит материал и уменьшает общий размер оболочки головки — преимущество в ограниченных пространствах сборки.

Болт с шестигранной головкой и болт с шестигранным фланцем: прямое сравнение

Понимание структурных и практических различий между этими двумя типами болтов имеет важное значение для правильного выбора крепежа. Следующее сравнение охватывает размеры и функциональные факторы, которые имеют наибольшее значение при принятии инженерных и производственных решений.

Классы свойств и классы прочности

Болты с шестигранной головкой и болты с шестигранным фланцем доступны в различных классах механических свойств, которые определяют их предел прочности на растяжение, предел текучести и испытательную нагрузку. Выбор неправильного класса свойств является распространенной инженерной ошибкой, которая приводит либо к преждевременному выходу из строя соединения (недоуказано), либо к ненужным затратам и весу (переуказано).

Метрические классы свойств (ISO 898-1)

Метрические болты классифицируются по стандарту ISO 898-1, при этом класс свойств обозначается на головке болта двумя числами, разделенными десятичной точкой. Первая цифра указывает 1/100 номинального предела прочности на растяжение в МПа; второй указывает отношение текучести к пределу прочности, умноженное на 10.

Класс 8.8 является наиболее широко используемым класс свойств болтов с шестигранной головкой и шестигранными фланцами в механических и легких конструкционных применениях. Обеспечивает сбалансированное сочетание прочности, пластичности и стоимости — изготавливается из среднеуглеродистой стали с закалкой и отпуском. Фланцевые болты класса 10.9 широко используются в узлах автомобильных двигателей и трансмиссий, где требуется высокое усилие зажима при компактной геометрии соединений.

Маркировка имперского класса (SAE / ASTM)

На шестигранных болтах дюймовой серии вместо цифр используется маркировка класса SAE — радиальные линии на головке болта—. Наиболее распространенными марками являются SAE Grade 2 (без маркировки, низкоуглеродистая сталь, прочность на разрыв 74 000 фунтов на кв. дюйм), Класс SAE 5 (3 радиальные линии, растяжение 120 000 фунтов на квадратный дюйм — наиболее распространенный структурный класс)и SAE Grade 8 (6 радиальных линий, растяжение 150 000 фунтов на квадратный дюйм — высокая прочность для сложных условий эксплуатации). Обозначения ASTM (A307, A325, A490) используются для конструкционных болтов в строительстве зданий и мостов, при этом A325 (что эквивалентно примерно 5-му классу прочности) является стандартным конструкционным болтом в стальном строительстве Северной Америки.

Материалы и обработка поверхности

Болты с шестигранной головкой и шестигранным фланцем доступны в различных материалах и с различными видами обработки поверхности. Правильная спецификация зависит от условий эксплуатации, требуемой прочности, ограничений по весу и подверженности коррозии.

Углеродистая сталь

Подавляющее большинство шестигранных болтов и фланцевых болтов промышленного назначения изготавливаются из низко-, средне- или легированной углеродистой стали, подвергнутой термической обработке до требуемого класса свойств. Болты из углеродистой стали обеспечивают наилучшее сочетание прочности на разрыв, обрабатываемости и стоимости. Их основным ограничением является подверженность коррозии во влажной, наружной или химической среде — для большинства применений это решается путем обработки поверхности, а не замены материала.

Нержавеющая сталь

Шестигранные болты из нержавеющей стали (чаще всего A2-70 и A4-80 согласно ISO 3506) предназначены для коррозионно-критических сред — морского, пищевого, химического и наружного архитектурного применения. А2 (нержавеющая сталь 304) охватывает большинство общих требований к коррозионной стойкости. А4 (нержавеющая сталь 316) добавляет молибден для устойчивости к воздействию хлоридов, что делает его пригодным для использования в морской и прибрежной среде. Компромиссом является более низкая прочность на разрыв по сравнению с термообработанной углеродистой сталью того же размера — А2-70 имеет минимальную прочность на разрыв 700 МПа по сравнению с 800 МПа для углеродистой стали 8,8. Болты с шестигранным фланцем из нержавеющей стали широко используются в пищевом оборудовании, воздуховодах систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также в строительстве фармацевтических заводов.

Распространенные поверхностные покрытия и их защита от коррозии