Руководство по болтовым крепежам — определение, процесс и области применения

В машиностроении, строительстве, автомобилестроении и даже при сборке мебели болты служат основными и незаменимыми крепежными элементами. Они играют важнейшую роль в соединении деталей, передаче нагрузок и обеспечении устойчивости конструкции. Будь то стальные соединения большого моста или надежное крепление основных деталей прецизионного оборудования, характеристики и выбор болтов напрямую влияют на безопасность и срок службы всей системы.

1.0Определение и характеристики болтов

Болт — это цилиндрическое крепёжное изделие с наружной резьбой, предназначенное для герметичного соединения двух или более деталей с соосными сквозными отверстиями посредством приложения осевого зажимного усилия. Это предотвращает как осевое, так и радиальное смещение деталей. Конструктивно стандартный болт состоит из трёх основных частей, каждая из которых выполняет свою важную функцию:

1.1Головка болта

Головка расположена на одном конце болта и обычно имеет диаметр, превышающий диаметр стержня. Её основные функции:

• Распределение нагрузки: равномерно распределяет давление, создаваемое во время затяжки, по поверхности соединяемой детали, предотвращая возникновение локальных напряжений, которые могут привести к деформации или повреждению.
• Обеспечение точки захвата: обеспечивает устойчивую поверхность для инструментов (например, гаечных ключей, головок) для приложения крутящего момента при затягивании или ослаблении.

Распространенные формы головок включают шестигранную, круглую, потайную и квадратную:

• Шестигранная головка: Наиболее широко используемый вариант — его шестигранная конструкция проста в изготовлении, обеспечивает несколько углов захвата и эффективную передачу крутящего момента, что делает его идеальным для применений с высоким крутящим моментом.
• Потайная головка: Подходит для случаев, когда требуется гладкая поверхность (например, мебельные панели, корпуса оборудования), поскольку головка погружается в материал, обеспечивая ровную отделку.

1.2Шэнк

Хвостовик соединяет головку с резьбовой частью и обычно состоит из двух частей:

• Гладкая секция (корпус): Точное соединение с отверстием в соединяемом компоненте, предотвращая радиальное смещение. Отсутствие резьбы предотвращает концентрацию напряжений у основания резьбы (частой точки разрушения) и повышает сопротивление сдвигу. В случаях со значительными сдвиговыми нагрузками (например, в соединениях стальных конструкций) гладкая часть должна полностью проходить через сопрягаемую поверхность, чтобы гарантировать, что сдвигающая сила передается на корпус, а не на резьбу.
• Резьбовая секция: Расположен на другом конце хвостовика и взаимодействует с гайкой или отверстием с внутренней резьбой. Его спиральная конструкция преобразует крутящий момент в осевое зажимное усилие для фиксации соединяемых компонентов.

1.3Нить

Резьба представляет собой непрерывные винтовые выступы (гребни) и канавки (впадины) на поверхности болта, геометрия которых напрямую влияет на прочность и совместимость соединения.

• Общие профили:

• Треугольная резьба (например, стандартная метрическая резьба): широко используется для общего крепежа благодаря способности к самоблокировке и простоте изготовления.
• Трапецеидальная/квадратная резьба: редко встречается в болтах — в основном используется для передачи мощности (например, в домкратах).
  • Направление: Правосторонняя резьба (затягивается по часовой стрелке) является стандартной; левосторонняя резьба (затягивается против часовой стрелки) используется только в особых случаях (например, педали велосипеда, диски циркулярной пилы), когда эксплуатационные усилия могут ослабить правую резьбу.

2.0Болты против винтов: основные различия, скрывающиеся за схожим внешним видом

Болты и винты являются крепёжными изделиями с наружной резьбой, но принципиально различаются по конструкции, способу установки и применению. В следующей таблице поясняются их различия, основанные на отраслевых стандартах (например, определениях Таможенно-пограничной службы США) и инженерной практике:

Специальное примечание: Пограничные случаи (например, шестигранный болт, вкрученный непосредственно в резьбовое отверстие) не меняют их фундаментального различия: болты изначально предназначены для использования с гайками, тогда как винты определяются прямым взаимодействием с материалами/гайками.

3.0Распространенные типы болтов и их применение

Конструкция болтов должна соответствовать условиям эксплуатации (нагрузка, материал компонента, окружающая среда, частота демонтажа). Ниже представлены 10 наиболее часто используемых в промышленности типов болтов с указанием их основных характеристик и областей применения:

3.1Шестигранные болты

• Основные характеристики: Шестигранная головка (стандартная или низкопрофильная) для удобства захвата ключа; доступна в исполнениях с частичной резьбой (гладкий стержень для сопротивления сдвигу) или с полной резьбой.
• Преимущества: Универсальный, экономичный, эффективный способ передачи крутящего момента, совместимый с большинством инструментов.
• Приложения: общие соединения механизмов (основание двигателя к раме), вторичные соединения стальных конструкций, монтаж вспомогательных устройств автомобильных двигателей, внутреннее крепление бытовых приборов.

3.2Болты с квадратной головкой

• Основные характеристики: Головка округлой/куполообразной формы (без захватных лысок) с короткой квадратной шейкой под головкой (фиксируется в квадратных отверстиях/материалах для предотвращения вращения); почти всегда с полной резьбой (частичная резьба редко встречается у больших размеров).
• Преимущества: Позволяет затягивать гайку одной рукой (нет необходимости держать головку); предотвращает повреждение товаров выступающими головками.
• Приложения: Монтаж ограждений, деревянные ящики/поддоны, уличная мебель (парковые скамейки), сельскохозяйственная техника с деревянными компонентами.

3.3Фланцевые болты

• Основные характеристики: встроенный круглый фланец (больше головки) на головке; поверхности фланцев часто имеют зубцы (противоскользящие); некоторые конструкции включают резиновые/пластиковые шайбы (герметизация + вибростойкость).
• Преимущества: Распределяет усилие зажима по большой площади (предотвращает деформацию мягкого материала, например, пластика/алюминия); зубцы уменьшают ослабление в условиях сильной вибрации.
• Приложения: Фланцевые соединения труб (химические/водопроводы), крышки сосудов высокого давления, соединения автомобильной трансмиссии с двигателем, корпуса медицинского оборудования.

3.4Болты с буртиком

• Основные характеристики: Гладкий цилиндрический «плечик» прецизионной обработки (допуск h6/h7) между головкой и резьбовой частью; диаметр плеча > диаметра резьбы; длина плеча регулируется пользователем.
• Преимущества: Плечо выполняет функцию установочного ориентира для вращающихся/скользящих деталей (подшипников, шестерен), обеспечивая соосность; несет радиальные нагрузки для защиты резьбы.
• Приложения: Центровка корпусов подшипников, приспособления для станков, ролики печатных машин, узлы прецизионных приборов.

3.5Дюбельные болты

• Основные характеристики: Состоит из резьбового стержня (сталь Q235/45# или нержавеющая сталь для коррозионной стойкости), тонкостенной распорной втулки (оцинкованная/нержавеющая сталь), гайки и шайбы; конец стержня имеет коническую головку.
• Принцип работы: Вставляется в предварительно просверленные отверстия в бетоне/кирпичной кладке; затягивание гайки втягивает коническую головку в гильзу, расширяя ее по отношению к стенкам отверстия для фрикционной анкеровки.
• Приложения: Монтаж потолочного каркаса, кронштейнов для кондиционеров, электрических коробок, настенных водонагревателей, вывесок.

3.6Анкерные болты

• Основные характеристики: Длинные стержни с заглубленными концами (крюки, Г-образные изгибы или анкерные пластины) для соединения с бетоном; открытый конец имеет резьбу; материалы включают среднеуглеродистую сталь (Q345), легированную сталь или нержавеющую сталь (агрессивные среды).
• Преимущества: заливается в бетонные фундаменты; обеспечивает исключительную прочность крепления тяжелого оборудования (предотвращает перемещение/опрокидывание под нагрузкой/вибрацией).
• Приложения: Паровые турбины/генераторы электростанций, крупные двигатели (вентиляторы, насосы), тяжелые станки, опоры мостов.

3.7Болты-шпильки

• Основные характеристики: С резьбой на обоих концах (одинаковый или разный диаметр для несовпадающих отверстий); гладкий стержень между ними (меньшие размеры могут иметь полную резьбу).
• Преимущества: Один конец («фиксированный конец») постоянно установлен в резьбовом отверстии; другой («сервисный конец») закреплен гайкой — позволяет часто производить разборку, не повреждая закрепленную резьбу.
• Приложения: Фланцы химических трубопроводов, соединения головок цилиндров автомобилей с блоками, соединения корпусов клапанов с крышками, смотровые люки котлов.

3.8U-образные болты

• Основные характеристики: U-образная конструкция с резьбовыми концами; внутренний радиус соответствует цилиндрическому объекту (трубе/стержню), который закрепляется.
• Преимущества: Равномерный зажим вокруг круглых объектов (без повреждения поверхности); простота установки без сложных приспособлений.
• Приложения: Крепление водопроводных, отопительных и газовых труб, подвешивание кабельных лотков, крепление выхлопных труб тракторов.

3.9Рым-болты

• Основные характеристики: Круглая петля (проушина) на одном конце (для подъемных крюков) и наружная резьба на другом; доступны в исполнениях с фиксированной проушиной (сварные) или с поворотной проушиной (вращающиеся).
• Преимущества: Обеспечивает безопасный подъем компонентов; модели с поворотной проушиной выдерживают угловые нагрузки.
• Приложения: Детали подъемных механизмов, подвесное оборудование (освещение, вентиляторы), судовое оборудование.

3.10Высокопрочные структурные болты

• Основные характеристики: Изготовлены из легированных сталей (40Cr, 35CrMo, 42CrMo) и подвергнуты термической обработке (закалка + отпуск); классы прочности: ISO 10.9/12.9 или ASTM A325/A490; головка маркирована классом (например, «10.9», «A325»); в комплекте с высокопрочными гайками/шайбами.
• Преимущества: Исключительная прочность на растяжение, предел текучести и усталостная прочность; выдерживает высокие нагрузки/динамические напряжения без пластической деформации.
• Приложения: Крупные мостовые стальные соединения (башни вантовых мостов), высотные стальные каркасы, стрелы кранов, морские платформы.

4.0Процесс производства болтов: от сырья до готового продукта

Процесс производства болта определяет его механические свойства, размерную точность и срок службы. Основные этапы процесса следующие:

4.1Подготовка сырья

• Выбор материала:

• Стандартные болты (≤ISO 8.8): средне/низкоуглеродистая сталь (Q235, 45#).
• Высокопрочные болты (≥ISO 10.9): Легированная сталь (40Cr, 35CrMo, 42CrMo или 40CrNiMoA для сопротивления усталости).
• Коррозионностойкие болты: нержавеющая сталь (304, 316), латунь, нейлон.
• Высокотемпературные болты: Жаропрочные сплавы (Inconel 718, ASTM A193 B7).
  • Предварительная обработка: Используйте стальные прутки (большие болты) или проволоку (средние/маленькие болты); очистите поверхности (удалите ржавчину/масло) и осмотрите материал на предмет дефектов (например, трещин, включений).

4.2Формовка: формирование головки и хвостовика

• Холодная высадка: Наиболее распространено для болтов среднего/маленького размера; заготовки формируются при комнатной температуре с использованием многопозиционных станков (высокая эффективность, хорошее качество поверхности).
• Горячая ковка: используется для больших/толстых болтов; нагревает сталь выше температуры рекристаллизации (~800–1200 °C) и прессует в формы (позволяет использовать высокопрочные материалы).

4.3Снятие фаски

• Цель: Резьбовой конец болта имеет фаску под углом 45°–60°, длина которой составляет примерно 0,5–1 шаг резьбы. Эта конусность способствует плавному вхождению болта в отверстия и предотвращает повреждение резьбы при монтаже.
• Процесс и оборудование: Снятие фаски обычно выполняется после формовки и перед нарезанием резьбы для обеспечения точности размеров. В промышленном производстве Станок для снятия фаски с прутков часто используется, так как обеспечивает равномерные углы, гладкую отделку и более высокую эффективность по сравнению с ручной обработкой.

4.4Протягивание нити

• Накатка резьбы: Для высокопрочных болтов резьба чаще всего нарезается с помощью Резьбонакатная машинаВ этом процессе предварительно сформированные заготовки прессуются между валками со спиральными канавками, что вызывает пластическую деформацию металла и формирование резьбы. Этот метод не удаляет материал, что позволяет получать более прочную резьбу с повышенной усталостной прочностью. Для болтов из высокопрочных сплавов может потребоваться предварительный отжиг для снижения твёрдости и минимизации износа роликов.
• Нарезание резьбы: Для болтов, выпускаемых небольшими партиями или изготавливаемых по индивидуальному заказу, резьба может быть нарезана на токарных станках, метчиками или плашками. Хотя этот метод обеспечивает гибкость производства, он позволяет получить резьбу с относительно меньшей прочностью по сравнению с накатанной резьбой и, как правило, сопряжен с более высокими затратами на обработку.

4.5Термическая обработка

• Стандартные болты (≤ISO 8.8): Нормализация (улучшает пластичность, снижает внутренние напряжения).
• Высокопрочные болты (≥ISO 10.9): Закалка (нагрев до 800–900 °C, быстрое охлаждение) + отпуск (нагрев до 400–600 °C, медленное охлаждение) для повышения прочности и вязкости.
• Специальные болты: Обработка на твердый раствор (нержавеющая сталь, повышает коррозионную стойкость) или цементация (износостойкие болты, например, для сельскохозяйственной техники).

4.6Обработка поверхности

• Цинкование (гальваническое/горячее цинкование): Устойчивость к коррозии для использования в помещениях/сухих средах; горячее цинкование обеспечивает лучшую защиту при использовании на открытом воздухе.
• Никелирование/хромирование: Декоративность + устойчивость к коррозии (например, мебель, бытовая электроника).
• Покрытие Дакромет: Превосходная коррозионная стойкость в морских/химических средах (отсутствие риска водородной хрупкости).
• Чернение/фосфатирование: Недорогое средство защиты от ржавчины для внутренних помещений с низкой степенью коррозии (например, внутренние болты машин).

4.7Контроль качества

• Проверки размеров: Проверьте диаметр резьбы (основной/второй/шаг), длину, фаску и допуск (например, IT8 для среднего диаметра).
• Механические испытания: прочность на растяжение, предел текучести, твердость (по Роквеллу/Бринеллю) и прочность на сдвиг.
• Поверхностные проверки: Осмотрите покрытие на предмет дефектов (отслоения, вздутий) или трещин.

5.0Основная терминология и интерпретация спецификаций болтов

Понимание технических параметров критически важно для определения совместимости и несущей способности болтов. Ниже приведены основные термины и методы определения спецификации:

5.1Термины, связанные с темой

(1) Диаметр резьбы

• Большой диаметр (d): Наибольший диаметр резьбы (от вершины до вершины); равен номинальному диаметру болта (например, M10 = 10 мм). Определяет выбор гайки (наружный диаметр гайки должен соответствовать наружному диаметру болта).
• Малый диаметр (d1): Наименьший диаметр резьбы (от корня до корня); напрямую влияет на прочность на сдвиг (больше d1 = больше площадь сдвига).
• Диаметр шага (d2): Среднее значение основного/вспомогательного диаметров; ключ к посадке резьбы (отклонение приводит к ослаблению/затягиванию сборки, контролируется по классу IT8).

(2) Шаг и количество ниток на дюйм (TPI)

• Шаг (P, метрический): Осевое расстояние между соседними гребнями (мм). Крупный шаг используется по умолчанию (например, M10 = 1,5 мм); мелкий шаг обозначен явно (например, M10×1,0).
• ТПИ (имперский): Количество нитей на дюйм (1 дюйм = 25,4 мм). Пример: 1/4”-20 = 20 TPI (шаг ≈ 1,27 мм).

(3) Направление и профиль резьбы

• Направление: Правосторонний (RH, стандартный); левосторонний (LH, маркированный, например, M10×1.0×50-LH).
• Профиль: треугольная резьба 60° (стандартная метрическая/UNC/UNF); дюймовая резьба 55° (трубная, редко используется для болтов).

5.2Термины, связанные с измерениями

(1) Номинальная длина (L)

• Определение: Осевая длина болта, измеренная по-разному в зависимости от типа головки:

• Шестигранная/круглая головка: от опорной поверхности головки (нижней плоскости) до конца хвостовика.
• Потайная головка: от верхней поверхности головки (заподлицо с материалом) до конца стержня.
  • Правило выбора: Убедитесь, что болт проходит через все компоненты, при этом 1–3 витка резьбы выступают из гайки (слишком короткий = низкая сила зажима; слишком длинный = отходы материала/помехи).

(2) Диаметр хвостовика (d)

• Диаметр гладкого стержня (равен номинальному диаметру, например, M10 = 10 мм). Размер отверстия в деталях: на 0,1–0,3 мм (метрическая система) или на 0,004–0,012 дюйма (имперская система) больше диаметра стержня (для плавной установки).

(3) Фаска (C)

• Конический конец хвостовика (угол 45°/60°, длина 0,5–1× шаг) служит для направления установки и защиты резьбы.

5.3Примеры спецификаций

Метрический болт (стандарт ISO): M12-1.75×60-8.8-Zn

• М: Метрическая резьба
• 12: Номинальный диаметр (12 мм)
• 75: Шаг (грубый, по умолчанию для M12)
• 60: Номинальная длина (60 мм)
• 8: Класс прочности (предел прочности ≥800 МПа, предел текучести ≥640 МПа)
• Zn: Оцинкованная поверхность

Болт имперской резьбы (стандарт SAE): 5/16”-18×3”-класс 5-HD

• 5/16”: номинальный диаметр (~7,94 мм)
• 18: TPI = 18 (шаг ≈1,41 мм)
• 3”: Номинальная длина (~76,2 мм)
• Класс 5: Класс прочности (на растяжение ≥120 ksi, предел текучести ≥92 ksi)
• HD: Шестигранная головка

6.0Классы прочности болтов: понимание «цифровых маркировок»

Классы прочности отражают предел прочности болта на растяжение/текучесть, и стандарты различаются в зависимости от региона. Наиболее распространёнными являются ISO (метрическая система), SAE (имперская система) и ASTM (специальное применение).

6.1Стандарты ISO (метрические болты, глобальное применение)

Определено стандартом ISO 898-1 и обозначается двумя числами, разделенными точкой (например, 8.8):

• Первая цифра: Минимальная прочность на растяжение (UTS) в МПа × 100 (например, «8» = ≥800 МПа).
• Второе число: отношение предела текучести (предел текучести/UTS) × 0,1 (например, «8» = предел текучести ≥800 × 0,8 = 640 МПа).

6.2Стандарты SAE (болты Imperial, преобладают в США)

Определено SAE J429, обозначается как «класс + номер» (например, класс 5), единицы измерения в тысячах фунтов на кв. дюйм (1 тысяча фунтов на кв. дюйм = 6,89 МПа):

6.3Стандарты ASTM (специального применения, преобладают в США)

Сосредоточьтесь на сценариях с высокими температурами, высоким давлением или устойчивостью к коррозии:

6.4Принципы выбора классов прочности

• Избегайте чрезмерной детализации: Высокопрочные болты стоят дорого и требуют соответствующих гаек/шайб (например, для мебели достаточно 4,6/5,8).
• Соответствие нагрузки/окружающей среды: Сдвиговые/динамические нагрузки (шасси автомобиля) требуют ≥ISO 8.8; высокие температуры (котлы) требуют ASTM A193; коррозия требует использования нержавеющей стали (304/316) с соответствующей прочностью.
• Нет смешивания классов: Не заменяйте класс 8 классом 2 (недостаточная прочность) и наоборот (чрезмерное усилие зажима деформирует компоненты).

7.0Рекомендации по выбору и установке болтов

При выборе болта необходимо учитывать условия эксплуатации, соответствие параметров и контроль затрат. Следуйте этой пошаговой логике:

7.1Уточнить условия эксплуатации

(1) Тип и величина нагрузки

• Тип нагрузки:

• Натяжение (например, подъемные болты): болты с полной/частичной резьбой (обеспечьте достаточное зацепление резьбы).
• Сдвиг (например, стальные соединения): болты с частичной резьбой (гладкий стержень распределяет усилие сдвига, предотвращает разрушение корня резьбы).
• Комбинированное растяжение-сдвиг (например, приводные валы): высокопрочные болты (≥ISO 8.8) с гладкими стержнями.
  • Величина нагрузки: Рассчитайте требуемый предел прочности на растяжение/текучесть (например, ≥600 МПа → ISO 8.8).

(2) Среда установки

• Коррозионная (влажная/кислотная/морская) среда: Болты из нержавеющей стали (304/316) или с покрытием Dacromet.
• Высокотемпературный (>200°C): Болты ASTM A193 B7/B16 или Inconel.
• Высокая вибрация (двигатели): Фланцевые болты (с зубцами) + стопорные гайки/клеи для фиксации резьбы.

(3) Потребности в сборке/обслуживании

• Частая разборка: Шпильки (фиксированный конец защищает резьбовые отверстия).
• Ограниченное пространство: Низкопрофильные шестигранные болты или болты с потайной головкой.
• Управление одной рукой: Болты с квадратной головкой (квадратная шейка предотвращает вращение).

7.2Соответствие основным параметрам

• Сопоставление размеров:

• Диаметр: Соответствует сквозному отверстию компонента (на 0,1–0,3 мм больше, чем хвостовик).
• Длина: общая толщина компонента + толщина гайки + 1–3 витка резьбы (например, компоненты 20 мм + гайка 8 мм → болт 30 мм).
• Тип резьбы: метрическая/имперская (не взаимозаменяемы).
  • Соответствие материала и обработки поверхности:
• Общее применение: сталь 45# + цинковое покрытие.
• Коррозия: нержавеющая сталь 316.
• Наружная поверхность: горячее цинкование.

7.3Контроль затрат

• Предпочитаю стандартные размеры: M6/M8/M10 (массовое производство, более низкая стоимость) по сравнению с индивидуальными размерами.
• Оптимизировать материал/процесс: Углеродистая сталь (дешевле легированной стали) + холодная высадка (дешевле горячей ковки) + накатка резьбы (дешевле нарезания).

7.4Замечания по установке

• Используйте правильные инструменты: Подберите подходящий размер гаечного ключа/головки (избегайте использования разводных ключей, которые соскальзывают и повреждают головки).
• Контроль момента затяжки: Следуйте таблицам моментов затяжки (например, M10×8,8 → 35–45 Н·м; избыточный момент = поломка/деформация болта; недостаточный = низкая сила зажима).
• Предотвратить водородную хрупкость: Высокопрочные болты (≥ISO 10.9) требуют удаления водорода после нанесения покрытия (200–230 °C в течение 2–4 часов).
• Регулярный осмотр: Болты, подверженные вибрации (двигатель) → периодическая подтяжка.

8.0Заключение

Болты, несмотря на небольшие размеры, являются основой механической и структурной безопасности. Их проектирование, производство и выбор основаны на точной инженерной логике: от «гладкого стержня для сдвигающих нагрузок» до «ISO 12.9 для исключительной прочности» — каждая деталь соответствует реальным требованиям.

Чтобы обеспечить надёжность соединения, избегайте заблуждений вроде «болты — это стандарт» или «чем выше прочность, тем лучше». Вместо этого систематически анализируйте нагрузки, условия окружающей среды и параметры, а также связывайте терминологию (например, «фаска») с производством (например, «снятие фаски после формовки») и установкой (например, «направляемая вставка»).

Для инженеров, техников и операторов овладение этими знаниями не только повышает эффективность, но и обеспечивает устойчивость оборудования/конструкции в долгосрочной перспективе.

Ссылки

wilsongarner.com/what-is-a-bolt/

www.fastenright.com/blog/bolts-and-screws-what-is-the-difference

www.iqsdirectory.com/articles/bolts/types-of-bolts.html

www.bwindustrialsales.com/resources/difference-between-screw-and-bolt