Крепеж (крепежные изделия) — это детали для разъемного или неразъемного соединения элементов конструкций.
Мировой ассортимент крепежных изделий — это гигантская многомерная матрица параметров. Можно с уверенностью утверждать, что для подавляющего большинства инженерных задач уже существует стандартное крепежное решение. Мировой рынок крепежных изделий весит примерно 70-90 миллионов тонн в год, т.е. в штучном выражении счет может идти на триллионы. Это настоящая «металлическая вселенная», лежащая в основе всей современной промышленности и частью этой пространства является складской терминал «Видное» - профильный логистический и производственный центр МЕТАЛЛСЕРВИС .
В связи с этим, очень важным представляется рассмотрение вопроса о производстве крепежа. Какие технологии используется для столь массового производства металлических изделий? Приступим...
Классификация крепежа
- Резьбовой: болт, винт (саморез), гайка, шпилька
- Нерезьбовой: заклепка, штифт, шплинт
- Специализированный: анкер, скоба, дюбель, стяжка (мебельный крепеж)
Основные технологии производства
Существуют две основные технологии, определяющие качество и экономическую эффективность производства крепежа:
1. Холодная штамповка (холодная высадка)
Формирование изделия в этом случае происходит путем пластической деформации металлической проволоки-заготовки при комнатной температуре или чуть выше (до 250°С) под высоким давлением в специализированных штампах.
Преимущества: высокая производительность (сотни — тысячи изделий в минуту), экономия материала (отходы минимальны), упрочнение металла в процессе деформации, отличное качество поверхности (улучшает внешний вид и усталостные характеристики), точность размеров и повторяемость (идентичность миллионов изделий).
Недостатки: ограничение по материалу — металл должен обладать высокой пластичностью при комнатной температуре, ограничение по размеру заготовки и степени деформации (крепеж диаметром более 30 мм почти всегда производят горячей штамповкой), высокая стоимость оборудования: холодновысадочные многопозиционные автоматы и резьбонакатные станки — это сложное и дорогое оборудование.
Применение: массовое производство ~90% всего стандартного крепежа (болты, винты, шпильки, заклепки).
2. Горячая штамповка (ковка)
В этом случае заготовка (обычно пруток) предварительно нагревается до температуры выше точки рекристаллизации (около 1000-1200°C), а затем формуется, чаще всего - на горизонтально-ковочных машинах или на кривошипных горячештамповочных прессах.
Преимущества: позволяет производить крупногабаритный крепеж (например, анкерные болты больших диаметров), который невозможно деформировать холодным способом, а также дает возможность работы с труднодеформируемыми материалами, улучшает внутреннюю структуру металла.
Недостатки: меньшая точность, более грубая поверхность, окалина, большие энергозатраты.
В случае мелкосерийного производства, а также нестандартного крепежа сложной формы или крепежа с очень высокими требованиями к точности, где штамповка нерентабельна, используют токарную обработку (на станках с ЧПУ). К недостаткам этого метода относится высокая стоимость, большие отходы материала (стружка).
Если нужно создать крепежные изделия из уникальных материалов, изделия сверхсложной геометрии (с внутренними полостями сложной формы), крепежные системы, где крепеж и присоединяемая деталь представляют собой единое целое (например, кронштейн с неразъемной резьбовой втулкой сложной формы), которые невозможно или нецелесообразно изготовить классическими методами (точение, фрезерование, штамповка), то в этом случае используются аддитивные технологии. Недостатки метода — чрезвычайно низкая производительность и высокая стоимость.
Рассмотрим подробнее этапы основных технологий производства крепежа.
Холодная штамповка
Самый распространенный процесс в производстве крепежа, состоит из нескольких последовательных операций.
Этап 1: Подготовка сырья
- Сырье: стальная катанка (проволока) в бухтах.
- Материал: углеродистые или легированные стали.
- Подготовка:
1. Травление: удаление окалины и загрязнений с поверхности проволоки с помощью соляной или серной кислоты.
2. Отжиг: нагрев для снятия внутренних напряжений и придания металлу пластичности.
3. Осаждение: покрытие проволоки тонким слоем цинк-фосфатного покрытия, которое служит твердым смазочным материалом, с последующей нейтрализацией мылом проводят методом химического осаждения из раствора в рамках непрерывного технологического процесса. Это критически важный этап, предотвращающий истирание и растрескивание как проволоки, так и инструмента (матриц и пуансонов) в процессе высокоскоростной штамповки.
Этап 2: Холодная высадка на высадочных автоматах (холодновысадочных прессах)
Автомат режет проволоку на мерные отрезки и последовательно формирует заготовку в нескольких ручьях (позициях).
Пример изготовления болта М10:
1. Проволока протягивается, обрезается на точную длину.
2. Формирование тела будущего болта и головки: отрезок проволоки помещается в матрицу (неподвижную часть). Пуансон (подвижная часть) ударяет по торцу заготовки, расплющивая металл и формируя "шайбообразную" головку.
3. Формирование шестигранной головки: заготовка перемещается в следующую матрицу, где пуансон с шестигранным углублением выдавливает готовую форму головки. Металл под давлением заполняет полость матрицы.
На выходе из автомата получается заготовка — болт без резьбы.
Этап 3: Накатка резьбы
Резьба не нарезается, а накатывается — это процесс холодной пластической деформации: заготовка болта зажимается между двумя плоскими плашками или пропускается через два вращающихся ролика с зеркальным профилем резьбы.
Результат: металл выдавливается, образуя витки резьбы. Волокна металла не перерезаются (как при нарезании), а изгибаются, что значительно увеличивает прочность резьбы на срез и усталостную выносливость.
Этап 4: Термическая обработка (Закалка + Отпуск)
Для придания крепежу необходимой прочности его подвергают термообработке.
1. Закалка: нагрев до ~800-850°C с последующим быстрым охлаждением (в масле или воде). Это делает сталь очень твердой, но хрупкой.
2. Отпуск: нагрев до более низкой температуры (~300-500°C) и медленное охлаждение. Это снимает внутренние напряжения и придает металлу требуемое сочетание прочности и вязкости.
Этап 5: Нанесение защитно-декоративных покрытий для защиты от коррозии и придания товарного вида.
- Гальваническое цинкование (самый популярный метод): детали погружаются в электролит, где под действием тока на их поверхности осаждается слой цинка. Часто сопровождается пассивацией — созданием защитной пленки, которая придает покрытию цвет (желтый, синий, черный, радужный).
- Горячее цинкование: погружение деталей в ванну с расплавленным цинком. Покрытие получается толстым, грубым, но очень стойким. Используется для крепежа, работающего в агрессивных средах (на улице, в химической промышленности).
- Фосфатирование, оксидирование: химические методы создания защитной пленки.
Этап 6: Контроль качества
Готовые изделия проходят строгий контроль:
- Визуальный осмотр: на наличие сколов, трещин, дефектов покрытия.
- Измерение геометрии: калибрами и измерительными приборами (диаметр, шаг резьбы, длина).
- Механические испытания.
- Испытание на растяжение: (определение пределов прочности и текучести).
- Испытание на твердость: по методам Роквелла или Виккерса.
- Испытание на крутящий момент: для винтов с внутренним шлицем.
Оборудование
Основное оборудование, используемое в производстве крепежа методом холодной штамповки — это многопозиционные холодновысадочные автоматы, станки для накатки резьбы, печи для термообработки и гальванические линии. Современные производства высокоавтоматизированы и роботизированы.
Горячая штамповка
Это процесс пластической деформации металлической заготовки (прутка), нагретой до температуры выше точки рекристаллизации (для стали обычно 1000-1250 °C). В этом состоянии сталь становится очень пластичной, что позволяет формировать сложные формы за один или несколько ударов пресса с минимальными усилиями и без упрочнения металла.
Основные этапы:
Этап 1: Нарезка заготовки.
Стальной пруток (катанка) нарезается на мерные отрезки (шайбы).
Этап 2: Нагрев.
Заготовки быстро и равномерно нагреваются в индукционных или печных нагревателях.
Этап 3: Собственно штамповка.
Горячая заготовка последовательно передается между штампами кривошипного или горизонтально-ковочного пресса.
Особенность для крепежа: используется высадочная штамповка (высадка). Металл не течет свободно, а перераспределяется в закрытой полости штампа под высоким давлением.
Операции: предварительная формовка, черновая высадка (формирование головки), чистовая высадка (окончательная форма), прошивка (если нужно отверстие в гайке).
Этап 4: Обрезка облоя (заусенца)
Излишки металла, выдавленные в зазор между штампами, срезаются.
Этап 5: Термообработка
Для ответственного крепежа обязательна последующая закалка и отпуск для достижения требуемых механических свойств.
Этап 6: Накатка резьбы
Резьба НЕ штампуется в горячем виде (она получится неточной и с окалиной). Ее накатывают на готовой, охлажденной и термообработанной заготовке плашками или роликами методом холодной пластической деформации.
Этап 7: Нанесение покрытия (гальваника, фосфатирование и др.) для защиты от коррозии.
Виды крепежа, производимые горячей штамповкой:
- Крепеж с крупными головками: болты, винты с шестигранной, квадратной или круглой головкой.
- Крепеж повышенной прочности: болты классов 8.8, 10.9, 12.9 для металлоконструкций, машиностроения, мостостроения.
- Крупногабаритный крепеж: болты и шпильки больших диаметров (М24 и выше), которые холодным методом сделать сложно или невозможно.
- Гайки, особенно высокопрочные и крупные.
- Специальный крепеж: Анкерные болты, фундаментные болты, костыли, элементы рельсовых скреплений.
- Заклепки.
Преимущества горячей штамповки для крепежа
1. Высокая производительность: современные автоматы горизонтальной ковки выдают сотни изделий в минуту.
2. Возможность изготовления сложных форм: легко формируются массивные головки, бурты, подголовки.
3. Улучшение механических свойств металла: при правильном режиме горячая деформация измельчает зерно и улучшает структуру стали.
4. Низкое усилие деформации по сравнению с холодной штамповкой.
5. Отсутствие наклепа: металл остается пластичным, что важно для последующей термообработки.
6. Экономичность для крупных серий и больших размеров.
Недостатки
1. Меньшая точность размеров и чистота поверхности, чем при холодной штамповке (присутствует окалина).
2. Необходимость последующей термообработки для высокопрочных изделий.
3. Высокие энергозатраты на нагрев.
4. Более высокий расход металла из-за облоя (излишков материала, остающихся на детали после обработки).
Оборудование и оснастка
Основное оборудование: горизонтально-ковочные машины (ГКМ), кривошипные горячештамповочные прессы.
Вспомогательное: индукционные нагреватели, печи, обрезные прессы, машины для накатки резьбы.
Оснастка: Штамповые блоки, состоящие из матриц и пуансонов, изготовленных из жаропрочной инструментальной стали (например, 5ХНМ, 4Х5МФС). Их стойкость — ключевой фактор экономики процесса.
Заключение
Производство крепежа — это высокотехнологичный процесс, где доминируют два метода: холодная штамповка для массового стандартного ассортимента и горячая штамповка для крупного и высокопрочного крепежа. Успешная работа с этим незаменимым классом изделий требует не только понимания их классификации и технологий изготовления, но и наличия эффективного логистического канала. Компании с собственными складскими комплексами, такие как МЕТАЛЛСЕРВИС, решают эту задачу, обеспечивая промышленность надежным доступом ко всей необходимой товарной номенклатуре крепежных изделий.