Болты с шестигранной головкой, шестигранным фланцем, кареткой и торцевой крышкой: полное руководство

Четыре типа головок болтов и почему различие имеет значение

Головка болта не просто обеспечивает поверхность для захвата гаечным ключом. Он определяет, как распределяется нагрузка в соединении, какие инструменты требуются для установки и снятия, можно ли использовать крепеж в потайном или заподлицо исполнении, а также какая площадь опоры доступна для зажимаемого материала. Выбор правильного типа головки для конкретного применения так же важен, как выбор правильного диаметра и сорта — неправильный тип головки может привести к повреждению поверхности, ослаблению под воздействием вибрации, недостаточной площади зажима или соединению, которое невозможно собрать или обслужить с помощью имеющихся инструментов.

Болты с шестигранной головкой, болты с шестигранным фланцем, болты с квадратным подголовком и болты с торцевой головкой — четыре наиболее широко используемых типа головок крепежных элементов в промышленности, строительстве, автомобилестроении и коммерческом применении. Каждый из них служит определенной цели и имеет определенные условия, при которых он превосходит другие. Понимание инженерного обоснования каждой конструкции является основой для последовательной и надежной спецификации крепежа.

Болт с шестигранной головкой

Болт с шестигранной головкой является наиболее широко производимым и используемым типом крепежа в мире. Его шестигранная головка входит в зацепление с гаечным ключом с открытым концом, коробчатым ключом или гнездом на всех шести сторонах, обеспечивая положительную передачу крутящего момента и широкую совместимость с инструментом. Геометрия определена в стандарте ASME B18.2.1 для унифицированных дюймовых крепежей и в стандартах ISO 4014 и ISO 4017 для метрических крепежей, что стандартизирует размеры головок у разных производителей, благодаря чему шестигранные болты от любого соответствующего поставщика являются взаимозаменяемыми в конкретном применении.

Конструкция и размеры

Болт с шестигранной головкой состоит из шестигранной головки, стержня, который может иметь частичную или полную резьбу, и резьбовой части на конце. Опорная поверхность головки — плоская нижняя сторона головки, которая контактирует с зажимаемым материалом — распределяет зажимную нагрузку по круговой области, определяемой поперечным размером головки. Эта площадь опоры является одним из ключевых функциональных параметров головки: недостаточная площадь опоры приводит к тому, что головка под нагрузкой внедряется в более мягкие материалы, что со временем снижает эффективное усилие зажима.

Стандартными являются две конфигурации хвостовика: болты с частичной резьбой (с гладкой частью хвостовика между головкой и выходом резьбы) и болты с полной резьбой. Болты с частичной резьбой предпочтительны в конструкционных и сдвиговых приложениях, поскольку хвостовик без резьбы может иметь такой размер, чтобы плотно прилегать к зазорному отверстию, обеспечивая положительное расположение и удерживая резьбовую часть вне плоскости сдвига. Болты с полной резьбой обеспечивают большую гибкость длины захвата и широко используются в сборках общего назначения, где сдвиговая нагрузка не является основной проблемой.

Классы и стандарты материалов

Болты с шестигранной головкой производятся с широким спектром классов механических свойств. В унифицированной дюймовой системе наиболее распространенными структурными марками являются класс SAE 5 (три радиальные отметки на головке, минимальная прочность на разрыв 120 000 фунтов на квадратный дюйм) и класс SAE 8 (шесть радиальных отметок, минимальная прочность на разрыв 150 000 фунтов на квадратный дюйм). В метрической системе классы свойств 8.8, 10.9 и 12.9 соответствуют постепенно более высоким уровням предела прочности и текучести. Класс свойства обозначается непосредственно на головке в виде числового обозначения.

Варианты материалов, помимо углеродистой стали, включают нержавеющую сталь (чаще всего метрические обозначения A2-70 и A4-80 или 18-8 и 316 дюймов), легированную сталь, латунь и кремниевую бронзу для особых требований к коррозионной стойкости. Система маркировки головок крепежных изделий из нержавеющей стали и цветных металлов отличается от системы маркировки марок углеродистой стали и должна быть проверена на соответствие соответствующему стандарту, когда требуется прослеживаемость материала.

Типичные приложения

Болты с шестигранной головкой являются крепежными элементами по умолчанию для стальных конструктивных соединений, сборки машин, базовых рам оборудования, фланцевых трубных соединений и любых применений, где требуется высокое усилие зажима и доступен внешний доступ к гаечному ключу. Их стандартизация в различных отраслях промышленности означает, что инструменты, характеристики крутящего момента и сменные крепежные элементы доступны повсеместно, что упрощает как первоначальную сборку, так и техническое обслуживание на месте.

Болт с шестигранным фланцем

Болт с шестигранным фланцем представляет собой болт с шестигранной головкой и встроенным круглым фланцем в основании головки. Фланец выступает радиально за периметр шестигранной головки и имеет большую опорную поверхность для зажимаемого материала, чем стандартная шестигранная головка того же номинального размера. Этот интегрированный фланец является определяющей особенностью конструкции и основной причиной его выбора вместо стандартного болта с шестигранной головкой во многих областях применения.

Функция фланца

Фланец выполняет ту же функцию, что и отдельная плоская шайба, размещенная под головкой стандартного шестигранного болта, но постоянно интегрирует ее в сам крепеж. Это исключает потерю шайбы во время сборки и разборки, уменьшает количество деталей, предотвращает вращение шайбы или ее несоосность во время затяжки и обеспечивает постоянную площадь подшипника при каждой установке. В условиях крупносерийной сборки, в частности в автомобилестроении, исключение отдельного компонента шайбы существенно сокращает время сборки и риск пропуска шайбы.

Нижняя сторона фланца часто зазубрена в виде радиальных зубцов. Эти зубцы врезаются в зажатую поверхность при затягивании болта, обеспечивая механическое сопротивление вращательному ослаблению, которое действует в дополнение к трению резьбы. Зубчатые фланцевые болты являются распространенным решением в приложениях, подверженных вибрации, где в противном случае потребовался бы отдельный запирающий элемент, такой как стопорная шайба или резьбовой фиксирующий состав. Зубцы делают болты с зубчатым фланцем непригодными для использования на готовых или окрашенных поверхностях, где маркировка поверхности недопустима - в этих приложениях используются версии без зубцов (гладкий фланец).

Стандарты размеров и размер гаечного ключа

Болты с шестигранным фланцем стандартизированы по метрическим параметрам в DIN 6921 и ISO 15071 (без зубцов) и ISO 15072 (с зубцами). Шестигранная часть головки фланцевого болта обычно меньше шестигранника стандартного шестигранного болта того же диаметра, поскольку нагрузка ключа распределяется между шестигранными поверхностями и фланцевым подшипником относительно выступа гнезда. Меньший шестигранник означает, что требуется гаечный ключ или торцевой ключ другого размера по сравнению со стандартным шестигранным болтом того же номинального диаметра — важный практический момент при проведении операций по техническому обслуживанию, когда необходимо иметь под рукой правильный инструмент.

Типичные приложения

Болты с шестигранным фланцем широко используются в сборке автомобилей и трансмиссий, особенно для крепления компонентов к тонкостенным кронштейнам, корпусам из листового металла и пластика, где увеличенная опорная поверхность предотвращает протягивание, а зубцы обеспечивают устойчивость к вибрации. Они также распространены в сельскохозяйственном оборудовании, коммерческих транспортных средствах и сборке общего оборудования, где приоритетными являются скорость сборки и сокращение количества деталей.

Болт каретки

Болт с кареткой имеет совершенно иную философию конструкции, чем болты с шестигранной головкой и фланцевые болты. Его наиболее заметной особенностью является куполообразная гладкая головка без внешних лысок ключа - нет возможности приложения крутящего момента к головке болта сверху. Вместо этого квадратная или ребристая секция непосредственно под головкой предназначена для встраивания в скрепляемый материал (дерево, пластик или мягкий металл) и предотвращения вращения болта при затягивании гайки с противоположной стороны.

Как работает функция предотвращения вращения

Квадратная шейка болта с квадратным подголовком немного больше круглого стержня и имеет размер, соответствующий квадратному отверстию, пробитому или просверленному в сопрягаемом материале. Когда болт втягивается в отверстие путем затягивания гайки, углы квадратной шейки вгрызаются в материал и фиксируют болт от вращения. Это позволяет одному человеку затягивать гайку, не держась за головку болта, что является существенным практическим преимуществом в строительных применениях, где доступ к обеим сторонам соединения одновременно затруднен или невозможен.

Функция предотвращения вращения зависит от материала. В древесине и композитных материалах квадратная шейка эффективно внедряется в диапазоне значений крутящего момента. В соединениях металл-металл для правильной работы квадратной шейки требуется соответствующее квадратное пробитое отверстие; в простом круглом просверленном отверстии в металле болт каретки будет вращаться во время затяжки гайки, и зажимную нагрузку невозможно развить без удержания болта снаружи.

Профиль руководителя и последствия для безопасности

Гладкая куполообразная головка болта с квадратным подголовком не обеспечивает никакой защиты от стандартного гаечного ключа или отвертки с открытой поверхности. После установки с головкой, прилегающей к поверхности, болт не может быть снят человеком, имеющим доступ только к головной стороне - для разборки соединения можно использовать только сторону гайки. Это свойство устойчивости к несанкционированному вмешательству, хотя и не является основной причиной конструкции, делает болты с кареткой предпочтительным выбором для уличной мебели, игрового оборудования, ограждений и защитных приспособлений, где желательно ограничение доступа к крепежу на открытой поверхности.

Стандарты и варианты

Болты с кареткой стандартизированы в ASME B18.5 для унифицированных дюймовых крепежных деталей. Распространенные варианты включают стандартный болт с квадратным подголовком, болт с ребристым подголовком (где продольные ребра заменяют квадратный подголовник для использования в круглых отверстиях в тонких материалах) и ступенчатый болт (вариант с большей головкой, используемый в тяжелых деревянных конструкциях и креплении столбов электропередач). Болты каретки чаще всего производятся из низкоуглеродистой стали с цинковым или горячеоцинкованным покрытием для наружного и строительного использования, а также из нержавеющей стали для морской и коррозионной среды.

Типичные приложения

Болты с квадратным подголовком являются стандартным крепежным элементом в деревянных каркасных конструкциях, деревянных столярных изделиях, строительстве террас, сборке деревянной мебели, игровых площадках и оборудовании для отдыха, соединениях металла с древесиной в сельскохозяйственных зданиях, а также везде, где требуется гладкая закругленная головка на открытой поверхности в сочетании с односторонним затягиванием со стороны гайки.

Болт крышки гнезда

Болт с головкой под торцевой ключ, также называемый винтом с головкой под торцевой ключ (SHCS), имеет цилиндрическую головку с шестигранной выемкой (гнездом), выполненной на верхней поверхности. Крутящий момент прикладывается с помощью шестигранного ключа (шестигранного ключа) или инструмента для привода гнезда, вставленного во внутреннюю выемку, а не приложенного к внешним плоскостям. Такая конструкция внутреннего привода обеспечивает принципиально иной набор монтажных характеристик по сравнению с внешними шестигранными крепежными элементами.

Преимущества внутреннего привода

Цилиндрическая головка болта с гнездовой крышкой имеет значительно меньший общий диаметр, чем шестигранная головка эквивалентной прочности захвата, что позволяет устанавливать крепеж в местах с очень ограниченным радиальным зазором вокруг головки. Такая компактная головка является одной из основных причин, по которой болты с торцевыми крышками предпочтительны в прецизионных механических узлах, компонентах станков, а также в конструкциях приспособлений и приспособлений, где несколько крепежных элементов расположены близко друг к другу или рядом с обрабатываемыми поверхностями.

Внутренний шестигранный привод эффективно передает крутящий момент через большую площадь контакта между ключом и стенками гнезда, обеспечивая очень высокие монтажные крутящие моменты относительно размера крепежа. Болты с торцевой головкой обычно изготавливаются из высокопрочной легированной стали (класс свойств 12,9 в метрической системе или эквивалент SAE Grade 8 и выше в дюймах) и затягиваются до высоких уровней предварительной нагрузки, которые могут привести к разрыву внешних поверхностей стандартного шестигранного болта эквивалентного диаметра.

Головку также можно утопить в просверленном отверстии так, чтобы верхняя часть головки находилась заподлицо с окружающей поверхностью или ниже нее. Это важнейшая особенность в узлах, где выступающая головка может создавать помехи движущимся частям, сопрягаемым компонентам или защите.

Стандарты размеров

Винты с головкой под торцевой ключ стандартизированы по стандарту ASME B18.3 для унифицированных дюймовых крепежей и по стандарту ISO 4762 для метрических крепежей. Высота головки и глубина гнезда пропорциональны номинальному диаметру, а стандартные размеры зенковки для утопления головки заподлицо сведены в таблицу по тем же стандартам. Поскольку диаметр зенковки точно соответствует диаметру головки, использование болта с головкой под торцевой ключ в зенкованном отверстии позволяет получить чистую, ровную поверхность, чего невозможно добиться с помощью внешнего шестигранного крепежа того же диаметра.

Варианты привода розетки

Хотя шестигранное гнездо на сегодняшний день является наиболее распространенным типом привода болтов с торцевыми крышками, для конкретных применений доступно несколько вариантов. Головки гнезд Torx (шестиконечная звезда) лучше противостоят кулачку, чем шестигранник, при очень высоком крутящем моменте и используются в производственной сборке, где используется механизированная оснастка. Гаечные и штифтовые шестигранные приводы обеспечивают дополнительную устойчивость к несанкционированному вмешательству, поскольку требуют специальных инструментов, недоступных в общих аппаратных каналах. Эти варианты используются в оборудовании безопасности, транзитных системах и креплении общественной инфраструктуры, где необходимо предотвратить несанкционированную разборку.

Типичные приложения

Болты с торцевой головкой являются стандартным крепежным элементом для точного машиностроения, станкостроения с ЧПУ, сборки гидравлических коллекторов, штамповочных и пресс-формных инструментов, робототехники, систем линейного перемещения и любых применений, требующих высокого усилия зажима в компактном корпусе. Они также широко используются в велосипедных компонентах, медицинском оборудовании, электронных корпусах и потребительских товарах, где наряду с механическими характеристиками требуются установка заподлицо и чистый внешний вид.

Сравнение четырех типов головок болтов

Спецификация и выбор: соответствие головки болта области применения

Правильный тип заголовка для данного приложения вытекает из ответа на определенный набор функциональных вопросов. Систематическая проработка этих параметров позволяет исключить неподходящие варианты и определить типы головок, соответствующие техническим требованиям.

Доступен ли внешний доступ к гаечному ключу со стороны головки болта

Если головка болта будет находиться в ограниченном пространстве, утоплена в зенковке или примыкать к поверхности, которая не позволяет гаечному ключу раскачиваться по дуге, необходимой для затягивания шестигранного болта, внутренний привод болта торцевой крышки может быть единственным жизнеспособным вариантом. Для зацепления и приложения крутящего момента шестигранному ключу требуется только вертикальный доступ над головкой болта - радиальный зазор для дуги качания ключа не требуется.

Включает ли применение дерево, композит или другой мягкий материал

Если крепеж проходит через дерево или аналогичный материал и доступен доступ к гайке с обратной стороны, болт с кареткой является правильным выбором для установки одной рукой. Квадратная шейка обеспечивает автоматическое предотвращение вращения, не требуя от кого-либо удерживать головку болта, а гладкая куполообразная головка обеспечивает чистую поверхность без зацепов на открытой поверхности.

Требуется ли виброустойчивость без дополнительных фиксирующих элементов

Если сборка подвержена вибрации и использование стопорных шайб, преобладающих динамометрических гаек или резьбового соединения нежелательно (из-за требований к скорости сборки, необходимости чистой разборки или целевых показателей количества деталей), зубчатый шестигранный фланцевый болт обеспечивает определенную степень устойчивости к вибрации за счет зубцов, вгрызающихся в зажатую поверхность, без каких-либо дополнительных компонентов.

Является ли площадь поверхности подшипника по отношению к мягкому или тонкому материалу проблемой

Если для стандартного болта с шестигранной головкой требуется отдельная шайба, чтобы предотвратить чрезмерное протягивание головки или ее чрезмерное вдавливание в тонкий или мягкий зажатый материал, болт с шестигранным фланцем эквивалентного диаметра обеспечивает большую площадь опоры в одном компоненте. Встроенный фланец более надежен, чем отдельная шайба, которую можно опустить, сместить или потерять во время обслуживания.

Требуется ли промывочная или полупромывочная головка

Когда головка должна располагаться на окружающей поверхности или ниже нее, чтобы избежать помех соседним компонентам, защитным кожухам или сопрягаемым деталям, только болт с торцевой крышкой, используемый с зенкованным отверстием, обеспечивает это надежно. Цилиндрическая геометрия головки позволяет просверлить отверстие на точную глубину и диаметр, чтобы головка располагалась точно заподлицо, создавая поверхность, которую можно герметизировать, закрашивать или работать с ней без создания выступающего препятствия головкой болта.

Требования к крутящему моменту и предварительной нагрузке

Для самых высоких требований к предварительному натягу при заданном диаметре болта, болты с торцевой крышкой класса свойств 12.9 или эквивалентные им обеспечивают самую высокую прочность на разрыв и могут быть затянуты до самых высоких значений крутящего момента из четырех обсуждаемых здесь типов головок. Болты с шестигранной головкой класса 8 или класса свойства 10.9 являются стандартным выбором для структурной и высоконагруженной общей сборки. Болты с кареткой обычно являются вариантом с наименьшей прочностью в этой группе, поскольку они чаще всего производятся из низкоуглеродистых марок стали, подходящих для деревянного строительства, а не для конструкций с высокими нагрузками.

Отделка поверхности и защита от коррозии

Все четыре типа головок болтов доступны с различными вариантами отделки поверхности, которые определяют их коррозионную стойкость в процессе эксплуатации. Соответствующая отделка определяется средой, которой будет подвергаться крепеж, и любыми ограничениями гальванической совместимости, налагаемыми материалами соединения.

• Цинковое гальванопокрытие (прозрачное, желтое или черное): Наиболее распространенная отделка для внутренних и закрытых помещений общего назначения. Обеспечивает умеренную коррозионную стойкость (обычно от 72 до 200 часов стойкости к соляному туману в зависимости от толщины и последующей обработки хроматом). Не оказывает существенного влияния на допуски размеров. Не подходит для морского, химического или длительного воздействия на открытом воздухе.
• Горячее цинкование: Наносится путем погружения в расплавленный цинк, в результате чего получается толстое, высококоррозионностойкое покрытие (обычно стойкость к соляному туману 1000 часов и более). Стандарт для наружных конструктивных креплений, болтов с кареткой в палубных и строительных конструкциях, а также сельскохозяйственного оборудования. Толщина покрытия (от 45 до 85 микрон) влияет на посадку резьбы и может потребовать повторной нарезки резьбы на гайке после цинкования.
• Механическое цинкование: Наносится путем барабанной обработки крепежных деталей цинковым порошком и стеклянными шариками, в результате чего получается равномерное покрытие без риска водородного охрупчивания. Предпочтительно для высокопрочных крепежных изделий (класс свойств 10.9 и выше), где существует проблема водородного охрупчивания при гальванопокрытии.
• Нержавеющая сталь (марки А2 и А4): Обеспечивает собственную коррозионную стойкость без поверхностного покрытия за счет пассивного слоя оксида хрома на поверхности стали. А2 (18-8, эквивалент 304) подходит для большинства наружных и слабокоррозионных сред. A4 (эквивалент 316 с добавлением молибдена) предназначен для морских, хлоридных и химических сред, где A2 может подвергнуться щелевой коррозии или точечной коррозии.
• Черный оксид: Конверсионное покрытие, обеспечивающее минимальную коррозионную стойкость, но не отражающее черный цвет. Распространен на болтах с торцевыми крышками в прецизионном оборудовании, оптических системах и бытовой электронике, где внешний вид и контроль отражения света указаны наряду с умеренной коррозионной стойкостью внутри помещений.

Всегда следует проверять гальваническую совместимость между отделкой крепежа и зажимаемыми материалами. Крепежные детали из нержавеющей стали, контактирующие с необработанным алюминием в морской или влажной среде, могут ускорить гальваническую коррозию алюминия; крепежные детали из горячеоцинкованной стали, контактирующие со сталью без покрытия, обеспечивают катодную защиту стали на границе соединения. Эти взаимодействия предсказуемы и управляемы при правильном выборе материала, но их необходимо учитывать на этапе спецификации, а не обнаруживать в процессе эксплуатации.