Заклёпочное соединение

Расчет на прочность заклепочных соединений

Основным критерием работоспособности клепаных соединений – прочность, причем при расчетах предполагается, что напряжения в сечениях распределены равномерно.

Обычно клепаные соединения нагружены силами, действующими параллельно плоскости контакта соединяемых деталей, поэтому разрушение соединения может произойти в результате следующих причин:

• срез заклепок по сечению 1–1 под действием касательных напряжений (рис. 4, а);
• смятие отверстий соединяемых деталей и заклепок под действием сил, вызывающих напряжения смятия (рис. 4, а), в результате чего оси заклепок перекашиваются, возникает внецентровое растяжение, и может произойти отрыв головок от стержня;
• разрыв соединяемой детали по сечению, ослабленному отверстиями под заклепки (рис. 4, б);
• срез соединяемых деталей по двум сечениям 2–2 (рис. 4, б). В результате процесса клепки стержень заклепки осаживается (укорачивается и увеличивается в диаметре), в результате материал заклепки заполняет отверстие.

Рис. 4. Схема действия сил в заклепочном соединении

Поэтому расчет соединения ведут по диаметру d 0 отверстия под заклепку. При этом предполагается, что нагрузка F распределяется между заклепками шва равномерно. Сила трения, возникающая между склепанными деталями, в расчете на прочность не учитывается.

В соединении внахлестку (рис. 4) внешняя сила F образует пару сил, моментом которой, из-за малой толщины δ склепываемых листов, пренебрегаем.

Тогда расчет на прочность клепаного соединения будет состоять:

1. Из расчета прочности заклепок на срез по сечению 1–1 (рис. 4, а)

где А_ср = 0,25iπd ; i – число плоскостей среза; А – площадь среза заклепки; m – число заклепок шва при симметрично действующей нагрузке m ≥ F/(A_ср[τ_ср]).

2. Из расчета прочности соединения на смятие боковой поверхности заклепок и стенок отверстий соединяемых деталей (рис. 4, а)

где A_см = dδ_min; δ_min – меньшая толщина из соединяемых деталей (высота проекции стержня заклепки), число отверстий в опасном сечении листа.

3. Из расчета прочности соединяемых деталей на растяжение (разрыв) по сечению 1–1 (рис. 4, б), ослабленному отверстиями под заклепки

где A_p = (b – dm)δ_min – расчетная площадь в опасном сечении листа.

4. Из расчета прочности соединяемых деталей на срез заклепками по сечению 2–2 (рис. 4, б)

где A‘_ср = 2(е – dm/2)δ_min (здесь длина е сечения 2–2, уменьшенная на d/2, так как вначале материал сминается на эту величину, и лишь затем происходит срез).

Рекомендуемые значения допускаемых напряжений приведены в табл. 2.

Таблица 2. Рекомендуемые значения допускаемых напряжений в заклепочном соединении

Компонент шва	Вид допускаемых напряжений	Способ изготовления отверстий	Значения допускаемых напряжений, МПа
Ст2, Ст10кп	Ст3, Ст20кп
Детали конструкции	Растяжение[σр],		140	160
Срез[ τср]		90	100
Смятие [σсм]		210	240
Заклепки	Срез[ τср]	Пробивка	100	100
Сверление	140	140
Смятие [σсм]	Пробивка	240	280
Сверление	280	320
Примечание. Для латуни и дюралюминия — допускаемые значения напряжений для Ст3/(1,5…2)

Пример. Нахлесточное заклепочное соединение двух полос из дюралюминия b х δ = 350х12 мм с приложенной силой F = 250 кН.

Вычисление

Диаметр заклепок

d ≈ (1,8…2,2)δmin = (1,8…2,2)•12 = 21,6…26,4 мм.

По табл. 1 выбираем d = 25 мм и d0 = 26 мм. Допускаемые напряжения по табл. 2 с учетом примечания:

металл [σ_р] = 160/2 = 80 МПа; заклепки [σ_см] = 320/2 = 160 МПа;

= 140/2 = 70 МПа, при сверленых отверстиях.

Количество заклепок:

m ≥ F/(A_ср[τ_ср]m). А_ср = mπd2 /4 = 1•3,14•262 /4;

m ≥ 250/(1•3,14•262/4)•70 = 7,9.

Прочность на смятие:

σсм = F/(A_смm) ≤ [σ_см];

m ≥ F/(A_ср[σ_см]) = 250/(1•3,14•262 /4)•160 = 5,01.

Принимаем 8 заклепок.

Основные параметры заклепочного шва: шаг заклепок

t ≈ (3…6)d = (3…6)25 = 75…150 мм;

при b = 350 мм можно разместить в ряду 3 заклепки при р = 115 мм;

расстояние от края листа до центра заклепки a ≈ (1,5…2)d = (1,5…2)25 = 37,5…50 мм;

расстояние между рядами, расположенными в шахматном порядке,

t ≈ (2…3)d = (2…3)26 = 52…78 мм;

проверка соединяемых листов на растяжение в опасном сечении при m = 3

σ_р = F/(b – dm)δ_min = 250/(350 – 26•3)12 = 76,5 МПа ≤ [σ_р] = 80 МПа, что приемлемо.

Клепание металла

Процесс клепки металлов состоит из двух этапов: подготовительного и собственно установки метизов. Подготовка — сверление отверстий, при необходимости раззенковка под потайные головки

Обратите внимание, что потайные головки могут быть с одной (любой) стороны или с двух

Сам процесс клепки такой:

• вставить заклепку;
• стянуть соединяемые детали;
• сформировать при помощи инструмента замыкающую головку;

проверить и зачистить соединение.

Так устанавливаются вытяжные заклепки

При хорошем инструменте работа идет быстро. Для частного применения и разовых работ обычно применяют ручные заклепочники. И даже с ними сам процесс (без сверления отверстий) занимает считанные секунды. Если говорить об установке профлиста или металлочерепицы, каждое сделанное отверстие рекомендуется промазать краской — для предотвращения коррозии. Именно эти процессы — сверление и покраска, занимают много времени.

Вообще, есть два способа установки заклепок: холодный и горячий. При горячем место соединения предварительно разогревается до определенной температуры (определяется металлом и толщиной деталей). На практике применяется при монтаже заклепок большого диаметра — 12 мм и более.

Заклепки ставят рядами. Минимальное расстояние между соседними — 4 диаметра, от края листа до центра метиза — не менее чем 1,5 диаметра заклепки. При креплении профлиста, ставят в выемку, не в волну.

Сфера использования заклёпок

В основном заклепка применяется в машиностроении, авиастроении, кораблестроении, строительстве домов, креплении вентилируемых фасадов, производстве детских игровых площадок, креплении декоративных конструкций и элементов.

Преимущественно данный крепеж используют в строительной сфере и ремонтных работах. Тяжеловесные конструкции данным видом метизов не скрепляют.

Примечание. Очень важно, чтобы заклепка обладала гибкостью и прочностью одновременно. Учитывая этот факт, для ее производства применяют сталь малоуглеродистую сталь, сплавы алюминия и медь

7 лучших строительных и мебельных магазинов!

Определение длины заклёпки

Правильная установка заклёпки предусматривает создание полной формы замыкающей головки и отсутствие при этом каких-либо избыточных зазоров и наплывов. Для правильной установки заклёпки необходимо определить длину тела заклёпки, зависящую от толщины склёпываемых материалов и типа заклёпки.

«Справочник конструктора-машиностроителя» под редакцией Анурьева В.И. предлагает пользоваться одной универсальной формулой для всех форм головок заклёпок. Здравый смысл подсказывает, что такой подход ошибочный — поэтому воспользуемся формулами из другого источника: «Основы конструирования» под редакцией Орлова П.И., 1988 года.

Конструкция заклёпки	Припуск «Н» для заклёпок без зазора	Припуск «Н» для заклёпок с зазором
	H=1,2d	H≈1,2d+0,1S
	H=0,54d	H≈0,5d+0,1S
	H=0,6d	H≈0,5d+0,1S
	H=0,8d	H≈0,7d+0,1S
	H=d	H≈0,9d+0,1S
	H=1,2d	H≈1,1d+0,1S

Вычислив по формуле необходимый размер припуска, можно определить длину заклёпки L, прибавив к толщине склёпываемых материалов S значение припуска H. Затем необходимо выбрать ближайшее значение длины заклёпки из стандартного ряда длин. Для заклёпок утверждён стандартный ряд длин, согласно которого они и производятся (в мм):

2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 45, 48, 50, 52, 55, 58, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180

Виды заклёпочных соединений

Заклёпочные соединения делятся на:

• прочные (рассчитанные только на восприятие и передачу силовых нагрузок),
• плотные (герметичные) (обеспечивают герметичность конструкций в резервуарах с невысоким давлением),
• прочноплотные (восприятие силовых нагрузок и герметичность соединения).

По конструкции заклёпочные соединения делятся на однорядные и многорядные с цепным или шахматным расположением заклёпок, а в зависимости от количества плоскостей среза — одно- и многосрезные.

По характеру воздействия нагрузки на заклёпочное соединение — швы с поперечной нагрузкой, перпендикулярной оси заклёпок, и продольной, параллельной оси заклёпок.

Заклёпочные соединения по конструкции близки к паяным, сварным и клеевым соединениям. Наиболее распространены соединения внахлёстку (внакрой) и встык со стыковыми планками.

Герметичность соединения обеспечивается нанесением различных герметиков на поверхность стыка или подкладыванием под стык различных пластичных материалов. Заклёпки герметичных соединений имеют усиленные головки.

В зависимости от требований к поверхности, заклёпки могут иметь полукруглую головку, потайную, полупотайную или плоскую (в процессе клёпки для создания внутренних усилий сжатия, которые снижают возможность усталости материала).

Заклёпки изготовляют для разных способов установки. Для односторонней клепки существует множество видов заклёпок, в том числе отрывные и взрывные.
Обычная клёпка может выполняться, когда наковаленка-поддержка находится с лицевой стороны и когда наковаленка находится с тыльной стороны. Последний способ стал наиболее распространенным, поскольку требует меньшей массы наковаленки-поддержки.

Обзор видов

Широкое распространение получили изделия с полукруглой головкой. Этот предмет отвечает требованиям ГОСТа 10299-80. Сечение стержня составляет от 0,1 до 3,6 см. Стальная заклепка под молоток с потайной головкой должна соответствовать ГОСТу 10300-80. Для изделий с плоской головной частью применяют стандарт 10303-80. Наконец, для полупустотелых образцов применяют ГОСТ 12641-80.

Для изготовления подобных приспособлений применяют сталь таких типов:

• 10кп;
• 15кп;
• Ст2;
• Ст3.

Заклепки с цельнометаллическим стержнем имеют превосходную способность переносить нагрузки. Однако установить их достаточно трудно. Полупустотелый тип формируется с таким расчетом, чтобы участок стержня вблизи закладной головки был частично пуст. Наконец, пустотелое изделие не составит труда расклепать. Оборотной стороной такого преимущества оказывается недостаточная надежность соединения. Полукруглые головки могут иметь различную высоту. Их использование считается оптимальным решением с точки зрения надежности и стабильности формируемого шва.

В агрессивных средах применяют заклепки с цилиндрической или выполненной в виде конуса головкой. Потайной, а также полупотайной типы нужны, если требуется исключить образование выступа над поверхностью. Такие конструкции используют только в тех случаях, когда достойной альтернативы им нет. Универсальный тип крепежа под заклепочник по форме напоминает контуры гриба. Отдельная категория — закладные, вытяжные, тяговые и отрывные изделия. Подобные метизы состоят из двух основных частей. Необходимости придерживать их с другой стороны шва нет. Это обстоятельство очень привлекательно при создании заборов и формировании кровельного покрытия.

Иногда встречаются так называемые резьбовые заклепки. Их используют, когда надо соединить детали с особо тонкими стенками (не более 0,03 см). Внутри находится специальная резьба, а снаружи — вертикальная насечка, которая блокирует поворот вокруг своей оси. Что касается забивных заклепок, то они обычно делаются из:

• латуни;
• алюминия;
• меди (и все такие продукты рассчитываются под заколачивание молотком, не требуют заклепочника).

Иногда для повышения стойкости к коррозии применяется цинковое покрытие. Хорошо показывает себя как «холодное», так и «горячее» цинкование. После такой обработки улучшаются не только эксплуатационные качества, но и визуальное восприятие изделий

Важно: необходимо учитывать образование гальванических пар и электрохимических реакций между ними. Связка «медь-сталь» оборачивается ускоренным разрушением изделия

Виды заклепок и заклепочников

Профессиональный заклёпочный инструмент — дорогостоящее, да и ненужное приобретение для домашнего мастера, если принять во внимание его мощность, которая вряд ли пригодится в бытовых целях. При желании вместо него для решения тех же задач можно использовать приспособление, изготовленное своими руками из подручных средств. https://www.youtube.com/embed/0rL9yk_v5_I

По способу воздействия на заклепку клепальники можно классифицировать на несколько групп:

• Ручные. В основу их работы положен принцип рычага, который оказывает силовое воздействие на заклепку с целью ее деформации. Выглядит такой инструмент как обычные плоскогубцы или пассатижи. Одноручные версии заклепочников рассчитаны на работу с заклепками диаметром до 5 мм, а двуручные — 6,4 мм.
• Пневматические. Рабочий процесс осуществляется за счёт использования силы сжатого воздуха. Поскольку работа таким заклепочником возможна лишь вместе с компрессором, его можно использовать для решения весьма ограниченного круга задач. Современные версии инструмента отличаются компактными размерами, что делает их похожими на ручные модели и позволяет использовать для проведения работ различного масштаба. Пневматические заклепочники главным образом применяются на промышленных производствах.
• Пневмогидравлические. В них демонтаж заклепки обеспечивает поршень гидравлической системы, который во время движения заставляет поступательно перемещаться шток с резьбой.
• Аккумуляторные. Их работу обеспечивает источник постоянного тока, который позволяет пользоваться ими длительное время в автономном режиме.

В свою очередь, можно классифицировать и резьбовые заклепки. По материалу изготовления их можно разделить на стальные, медные и алюминиевые. Каждая из этих разновидностей имеет свою длину и диаметр

Именно на эти параметры и нужно обращать внимание для выбора наиболее подходящего типа инструмента. Так, для ручного резьбового заклепочника рекомендуется использовать алюминиевый или медный крепёж. https://www.youtube.com/embed/s1FbBYv_46M

Как ковать своими руками

Существует два метода изготовления кованых заклепок своими руками. Методы различаются материалами и методом ковки.

Первый метод – с использованием металлического прута:

• Для этого метода потребуется металлический прут с квадратным сечением в 20 миллиметров.
• В металлическом изделии высверливается отверстие, диаметр которого должен быть немного больше диаметра элемента (5 миллиметров).
• Далее потребуется металлический прут с круглым сечением. От него необходимо отсечь небольшой кусок, нагреть его и поместить в отверстие, заготовленное на шаге номер 2.
• Один из концов заготовки необходимо простучать. Таким образом получается деталь с шляпкой круглой формы.

Применять такую заклепку можно для скрепления между собой полос и кругов из металла.

Кованая заклепка с шляпкой в форме пирамиды. Фото Сварог

Второй метод – с использованием металлического уголка.

Данный способ подразумевает использование самодельного приспособления для ковки элементов.

Данное приспособление позволит производить различные элементы диаметром до 5 миллиметров.

• Для изготовления приспособления потребуется уголок на 35 миллиметров. Также, подойдут уголки на 30 и 25 миллиметров. Толщина полки должна равняться 4 миллиметрам (или больше, но не меньше!).
• Берется уголок с длиной равной 42 сантиметрам. Необходимо отрезать от него часть. Далее, необходимо согнуть данную заготовку и просверлить в ней отверстия, имеющие разный диаметр. Одно отверстие должно быть обязательно сквозным.
• Получившуюся заготовку нужно зажать в тисках. Далее берется металлический прут с круглым сечением и помещается в любое из отверстий. Лишнюю часть необходимо отсечь. Далее, как и в первом методе, один из концов заготовки необходимо простучать. В итоге получается заклепка с шляпкой круглой формы.

Также существуют и другие способы, но независимо от метода исполнителю потребуется кузнечное оборудование и инструмент кузнеца, расходные материалы для изготовления, сборки и покраски кованых элементов, а также знания и навыки в области ковки и сварки.

Имейте, пожалуйста, в виду, тут мы описали два способа лишь вкратце, у нас есть более подробный материал про изготовление заклепок своими руками.

Кованая заклепка с квадратной шляпкой. Фото Харьков-Ковка

Мастеру, решившему изготовить клепки по технологии горячей ковки, следует приобрести широкие теоретические и практические навыки. Для этого нередко требуется получить соответствующее образование в заведениях по обучению кузнечному делу. Обзавестись знания самостоятельно очень сложно, а посещение мастер-классов предоставляет возможность увидеть всю сложность и кропотливость процесса.

Тщательная подготовка к производственному процессу является гарантией изготовления ярких и функциональных кованых заклепок своими руками.

Как пользоваться обычным клепочником правила и рекомендации

Если у вас обыкновенная модель заклепочника, то инструкция по его использованию идентична применению инструмента-гармошки. В отверстие инструмента устанавливается заклепка, предварительно подобрав необходимый патрон (в зависимости от размера шпильки). После закрепленная в патроне пистолета бобышка уплотняется в предварительное отверстие двух листовых материалов. Воздействуя на рукоятку, происходит сжатие стенки бобышки за счет вытягивания внутренней шпильки с наконечником. Стенка с обратной стороны сплющивается, осуществляя тем самым надежное соединение. Если остаются выступающие части бобышки, то их можно удалить кусачками.

Схема принципа работы ручного заклепочника показана на фото ниже.

Специалисты рекомендуют четко подходить к выбору заклепок. От их выбора зависит эффективность соединения. Если длина бобышки будет меньше, чем толщина соединяемых заготовок, то в итоге соединения не получится. Длина самой бобышки должна быть в 2 раза больше толщины соединяемых деталей, но не более того.

Способ соединения

В предварительно подготовленные отверстия в деталях (пакете листов) вставляют заклепки. После производится осадка (клёпка) специальным инструментом второй замыкающей головки.

В процессе клёпки производят стяжку (сжатие) пакета, и за счет поперечной упругопластической деформации стержня происходит заполнение начального зазора между стержнем и стенками отверстия, часто приводящее к образованию натяга.

Диаметры отверстий под заклепки d_отв выбирают по стандарту в зависимости от диаметра заклепки. Для холодной клепки можно рекомендовать:

d_отв = d_з + 0,05d_з ,

где d_з — диаметр устанавливаемой заклепки.

2 Устройство и конструктивные особенности

Вытяжные метизы состоят из тела и стержня. Телом обычно называют корпус, гильзу, втулку или цилиндр. Именно тело является крепежным элементом, который выполняет несущую функцию. Тело состоит из головки (бортика) и плоского пустотелого цилиндра. У герметичных метизов конец цилиндра запаян наглухо. По типу головки (бортика) метизы разделяются на метизы с высоким бортиком, с широким бортиком и потайным бортиком. Широкий бортик, как и высокий, обеспечивают осуществление прочного клепанного крепления. Такие крепления видны со стороны и образуют «выпуклости» на поверхности детали. Потайной бортик обеспечивает почти гладкую поверхность в месте крепления, однако, он менее надежен. Потайной бортик имеет ровную плоскую поверхность и толщину около 1 мм, в этом случае основная массивная часть головки вставляется в крепежное отверстие.

Цилиндр заклепки может быть разной длины и толщины. Именно по наружному диаметру цилиндра указывается диаметр метизов в наименовании при заказе. Размеры цилиндра являются наиболее важными среди всех прочих размеров метизов. Именно размеры цилиндра являются решающими при выборе заклепок. Суть крепления сводится к тому, что крепежный элемент должен обеспечивать подвижное/неподвижное соединение нескольких деталей или элементов. Длина цилиндра рассчитывается по формуле: толщина склепываемого материала1+ толщина склепываемого материала2 + толщина расклепки (указывается изготовителем) + 0,5-1 мм (для подвижного соединения). Диаметр цилиндра берут равным требуемому диаметру отверстий под крепеж (обычно отверстие больше на 0,1-0,2 мм — для свободной установки в него метиза).

Например, заклепка алюминиевая AlMg2.5 4х10. Это означает, что здесь указан тип сплава, цифра 4 — это указатель наружного диаметра в мм, 10 — длины в мм.

Стержень. Осуществляет функцию расклепки. Обычно изготовлен из стали, которая значительно прочнее тела. На конце стержня имеется головка, которая осуществляет расклепку вставляемого конца. При монтаже стержень вытягивается специальным инструментом (пневмозаклепочник) или, если креплений немного (1-3), можно использовать и обычные пассатижи. Однако, в последнем случае придется приложить приличную физическую силу.

Главным достоинством конструкции вытяжных заклепок является то, что они допускают односторонний монтаж (требуется доступ к креплению только с одной стороны), действуя наподобие анкеров.

Более прочная заклепка — резьбовая — отличается от вытяжной наличием внутри цилиндра резьбы. Цилиндр крепежного элемента с резьбой имеет вкрученный стержень, который не вытаскивается с силой, а выкручивается. Для усиления соединения внутрь вкручивается винт или болт. Таким образом, получается условно «закрытая» крепежная деталь. Иногда ее называют заклепка вытяжная глухая.

После того, когда определены размеры и материал для заклепок, а также тип бортика, следует определиться с их видом.

Какие виды заклепок выпускаются

Метод клепки не теряет популярности, даже несмотря на наличие разного сварочного оборудования. Варить сваркой можно далеко не все материалы, поэтому использование заклепок было и будет всегда актуальным. В зависимости от используемого инструмента, заклепки или их еще называют бобышками, классифицируются на такие виды:

• Обычные или классические — это самый простой вид клепок, которые имеют форму грибка. Предназначены для склепывания двух и более листов стали без использования специализированного инструмента. Принцип работы таких заклепок заключается в том, что соединение осуществляется путем сминания шляпки бобышки молотком
• Полутрубчатые — они имеют вид наполовину полого стержня. Достоинство такой оснастки в том, что они не требуют много усилий для соединения, но зато имеют невысокую прочность, что является их минусом. Обычно используются они там, где есть небольшие механические нагрузки
• Вытяжные — их еще также называют закладными, отрывными и тяговыми. Используются совместно с вытяжными заклепочниками, и зачастую применяются не только для соединения листов оцинковки, но еще и при монтаже заборов из профнастила
• Пистонные — используются для обеспечения соединения двух деталей, где имеется малая или вовсе отсутствует нагрузка. Обычно используются на одежде в качестве декоративного материала
• Резьбовые — их еще называют гаечными. Они также предназначены для применения совместно со специализированным инструментом — резьбовым заклепочником. Это самый надежный вид клепочного соединителя

Все виды заклепок используются в разных сферах — машиностроение, ремонт авто, строительство, изготовление сооружений из листовой стали, жестянщики и т.п. В зависимости от типа заклепочника, необходимо выбирать соответствующие бобышки. Если необходимо выполнить разовое соединение методом клепки, то при этом не понадобится покупать специальный инструмент. Для этого применяются классические клепки.

При выборе надо учитывать, что заклепки бывают разных диаметров, что влияет на качество соединения. Стяжные клепки выпускаются следующих типоразмеров:

• 2,4 мм
• 3 мм
• 3,2 мм
• 4 мм
• 4,8 мм
• 5 мм
• 6 мм
• 6,4 мм

Резьбовые заклепки также выпускают разных размеров:

1. М3
2. М4
3. М6
4. М8
5. М10
6. М12
7. М14

Чем больше размер заклепки, тем выше ее стоимость, и соответственно крепче соединение.

Это интересно! Для изготовления заклепок используются такие материалы, как алюминий, нержавейка, латунь, медь и даже сталь.