Торцевые ударные головки для промышленного инструмента

Промышленные торцевые ударные головки  применяются  для работы в условиях повышенных нагрузок, больших объемов и интенсивной эксплуатации. В отличие от гаечных ключей они используются для работы с гидравлическими гайковертами, также для этих целей применяются пневматические ударные гайковерты и пневматические усилители крутящего момента (мультипликаторы).

Основное отличие  промышленных  торцевых ударных головок от гаражных - это использование более дорогих легирующих присадок в стали, таких как Хром  и Молибден. Присутствие этих элементов в стали придает ей особые свойства. Молибден придает стали  высокую  пластичность и упругость, что позволяет вследствие  превышения  предельной нагрузки не разлетаться на острые мелкие осколки, а только рваться, не травмируя оператора. Хром после  термообработки ударной  головки придает ей повышенную твердость и  сопротивление ударным нагрузкам. Благодаря высокой прочности, а так же нечувствительности к ударным нагрузкам, торцевые ударные головки нашли свое применения во всех сферах производства.

Работа с промышленным механизированным инструментом  часто сопровождается большими динамическими нагрузками и в этой ситуации особое внимание следует обратить на  ударные гайковерты. Высокочастотные ударные нагрузки и большой крутящий момент гидравлических гайковертов приводит к необходимости фиксации ударной головки на присоединительном квадрате инструмента с помощью штифта и резинового кольца. Торцевая ударная головка надевается на присоединительный квадрат привода таким образом, чтобы отверстия головки и квадрата совместились. В отверстия вставляется фиксирующий штифт и поверх него надевается резиновое кольцо.

Стандартный ассортимент промышленных ударных головок формируется в зависимости от типа квадрата и мощности инструмента.

Основное  назначение промышленных торцевых ударных головок это высокоскоростная сборка и разборка резьбовых соединений.

Резьбовые соединения используются практически во всех областях тяжелой промышленности:

• автомобилестроение
• строительство
• машиностроение
• соединительные детали трубопроводов,
• приборостроение и т.д.

Для представления важности роли болтовых соединений в разных технических областях, отметим, что в телефоне их, примерно, 80, в стиральной машине — 120, в грузовом железнодорожном вагоне — 1 200, в токарном станке — 1 700, в легковом автомобиле — 3 500, в самолете -1 500 000.

Алгоритм выбора торцевой ударной головки:

1. Сначала определяем размер шестигранника и класс прочности соединения.

На головке болта должна быть нанесена следующая маркировка:
- клеймо завода изготовителя (JX, THE, L, WT, и др.);
- класс прочности;
- правая резьба не маркируется, если резьба левая - маркируется стрелкой против часовой стрелки.
Винты отличаются от болтов отсутствием маркировки.

Для изделий из углеродистой стали, класс прочности обозначают двумя цифрами через точку.
Пример: 4.6, 5.6, 6.9,  8.8, 10.9, 12.9.

2. Затем рассчитываем необходимый крутящий момент для выбранного резьбового соединения с запасом мощности 20-30%

3. Выбираем гидравлический, пневматический или электрический инструмент с нужным крутящим моментом.

4. Выбираем торцевые головки в соответствии с  присоединительным квадратом инструмента (3/8, ½, ¾, 1, 1 ½, 2 ½, ).

Расчет крутящего момента затяжки резьбовых соединений по ГОСТ 1759.4-87
(ИСО 898/1-78).

Пример расчета резьбы М4Х0,7  класс прочности 8.8:

· Первая цифра обозначает 1/100 номинальной величины предела прочности на разрыв, измеренный в МПа. В случае 8.8 первая 8 обозначает 8 х 100 = 800 МПа = 800 Н/мм2 = 80 кгс/мм2

· Вторая цифра - это отношение предела текучести к пределу прочности  умноженному на 10. Из пары цифр можно узнать предел текучести материала P= 8 х 8 х 10 = 640 Н/мм2.
Значение предела текучести имеет важное практическое значение, поскольку это и есть максимальная рабочая нагрузка болта.  Вот тут есть небольшой ролик с испытанием болтов на разрыв, наглядно демонстрирующий протекающие процессы.

· Находим площадь сечения диаметра болта:

· Определяем максимальную силу натяжения   болта в зависимости от диаметра:

Естественно, что болт или шпилька не должны подвергаться максимальной нагрузке, обычно конструктор оставляет 20% запаса прочности, иначе останется надеяться только на случай.

· Требуемый крутящий момент затяжки  конкретного соединения зависит от нескольких переменных:

Крутящий момент – это произведение силы на плечо рычага, к которому она приложена, Мa = Hxm. Сила измеряется в ньютонах, рычаг – в метрах.

Наибольшее значение имеет трение в резьбе между гайкой и стержневой крепежной деталью, а также гайкой и поверхностью соединяемой детали, которые зависят от таких факторов как: состояние контактных поверхностей, вид покрытия, наличие смазочного материала, погрешности шага и угла профиля резьбы, отклонение от перпендикулярности опорного торца и оси резьбы, скорость завинчивания и др.

Значения коэффициента трения в реальных условиях сборки можно лишь прогнозировать. Как показывают многочисленные эксперименты, они не стабильны. В таблице приведены их справочные значения. Обычно коэффициенты трения при расчетах берут усреднённые:

©  0,1 - фосфатированный или оцинкованный болт, хорошо смазанная поверхность;

©  0,14 - химически оксидированный или оцинкованный болт, плохое качество смазки;

©  0,2 -  болт без покрытия, нет смазки.

Номинальный крутящий момент рассчитывается по формуле:

М_A = 0,001 Pa*(0,16*k + µ_р *0 ,58* d₂ + µ_т *0,25*(d_т + d₀)),

М_A =0,001*5471,136 H*(0,16*0,7+0,14*0,58*3,3mm+0,14*0,25(7mm+4,5mm))=

5,47*(0,112+0,268+0,403)=4,28H*m

Для определения крутящего момента мы использовали  коэффициент трения 0,14. Более точные расчеты можно произвести, используя данные  приведенные в таблице

где µ_р– коэффициент трения в резьбе между гайкой и стержневой крепежной деталью;

µ_т — коэффициент трения между поверхностью гайки и поверхностью соединяемой детали;

d_т – диаметр опорной поверхности головки болта или гайки, мм;

d₀ – диаметр отверстия под крепёжную деталь, мм;

k – шаг резьбы, мм;

d₂– средний диаметр резьбы, мм;

Pa – усилие предварительной затяжки.

Отдельной отраслью промышленного сегмента представлено производство искробезопасных ударных головок. Широкое распространение  для изготовления подобного инструмента,  получили два сплава меди, это Cu-Al  (Алюминиевая бронза), и Cu-Be  (Бериллиевая бронза).

Бронзы— сплав меди, обычно с оловом в качестве основного легирующего компонента, но к бронзам также относят медные сплавы с алюминием, кремнием, бериллием, свинцом и другими элементами, за исключением цинка (это латунь) и никеля.   Традиционную оловянную бронзу человек научился выплавлять ещё в начале Бронзового века и очень длительное время она широко использовалась; даже с приходом века железа бронза не утрачивала своей важности (в частности вплоть до XIX века пушки изготавливались из пушечной бронзы).  С приходом века электричества,  потребление меди значительно возросло, что и оправдывает высокую стоимость этого дефицитного материала.

Алюминиевые бронзы  считаются бюджетным материалом, и могут применятся для искробезопасного инструмента,  который применяется не интенсивно или не несет ударных нагрузок,  прочность алюминиевой  бронзы после термической обработки σ_в = 550МПа, δ = 5%, твердость НВ 380—400.  Положительные стороны этого материала более низкая стоимость, коррозийная стойкость.

Бериллиевые бронзы сочетают очень высокую прочность σΒ=1300 МПа, твердость HRC37—40. коррозионную стойкость с повышенной электропроводностью. Высокая твердость и немагнитность позволяют использовать этот материал в качестве ударного инструмента (молотки, зубила, ударные головки), не образующего искр при ударе о камень и металл. Такой инструмент применяют при работах во взрывоопасных средах. Бериллиевые бронзы  являются  морозостойкими, что очень важно для работы в Российских климатических условиях, поэтому бериллиевые бронзы применяются для изготовления  деталей ответственного назначения.

Однако из-за выской стоимости бериллия эти бронзы используют лишь для особо ответственных деталей.