Винты изучаются как крепежные элементы с разными типами резьбы и назначением в машиностроении.
Винт представляет собой стержень с наружной резьбой на одном конце и конструктивным элементом для передачи крутящего момента на другом, который может представлять собой головку со шлицем, головку с накаткой (на боковой поверхности) или, при отсутствии головки, шлиц в торце стержня [1]. Такие изделия применяются для соединения или закрепления деталей, а также могут выступать как оси вращения для вращающихся деталей, служить направляющей для прямолинейного или вращательного движения, а также использоваться для прочих целей.
Винтовой механизм был известен ещё в Древней Греции (как Архимедов винт). Позднее винт был описан греческим математиком Архитом Тарентским. В I веке до н. э. деревянные винтовые передачи уже широко применялись в странах Средиземноморья в составе масляных и винных прессов. В Европе XV века металлические винты в качестве крепёжных изделий были очень редки, если вообще были известны. Ручные отвёртки (в оригинале — фр. tournevis) появились не позднее 1580 года, хотя широкое распространение они получили только с началом XIX века. Важным этапом стала разработка машин для массового изготовления металлических винтов в период между 1760 и 1770 годами, что позволило перейти от кустарного производства к промышленному масштабу [1].
Ключевое отличие винта от шурупа или самореза заключается в том, что он не имеет конического сужения на конце резьбы и не создаёт внутреннюю резьбу в материале при вкручивании, а используется заранее нарезанная или накатанная внутренняя резьба [1].
Винты подразделяются на две основные категории:
- Крепёжные винты, предназначены для разъёмного соединения деталей.
- Установочные винты, используются для фиксации взаимного положения деталей относительно друг друга.
Такое разделение отражает функциональные особенности крепёжных изделий и условия их эксплуатации.
Крепёжный винт состоит из стержня с резьбой на одном конце и головкой на другом, служащей для прижатия соединяемых деталей и захвата винта отвёрткой, гаечным ключом, шестигранным ключом (шестигранником) или другим инструментом [1]. Головки бывают круглые, шестигранные, квадратные и других форм. Специальные разновидности, секретки, затрудняют демонтаж посторонними лицами за счёт нестандартных шлицов или отверстий.
В СССР на железных дорогах (крепление путевых устройств) часто применялись 5-гранные болты.
Механические свойства болтов, крепёжных винтов и шпилек из углеродистых нелегированных и легированных сталей регламентируются ГОСТ 1759.4-87 (ISO 898/1-78), который выделяет одиннадцать классов прочности:
\[
3.6; \quad 4.6; \quad 4.8; \quad 5.6; \quad 5.8; \quad 6.6; \quad 6.8; \quad 8.8; \quad 9.8; \quad 10.9; \quad 12.9
\]
Первое число, умноженное на \(100\), определяет номинальное временное сопротивление в Н/мм², второе число (отделённое точкой от первого), умноженное на \(10\), — отношение предела текучести к временному сопротивлению в процентах. Произведение чисел, умноженное на \(10\), определяет номинальный предел текучести в Н/мм². Наиболее распространены винты и болты с классом прочности \(8.8\) (нормальной прочности) [1].
Соединения деталей с помощью винта и гайки называются болтовыми, а предназначенные для них винты, соответственно, болтами. При соединении деталей, имеющих неплоскую поверхность, в местах расположения винтов делают приливы или делают местную обработку участка поверхности, чтобы опорные площадки для головки винта и гайки были плоскими. В противном случае возможен перекос соединения, что приведёт к возникновению дополнительных напряжений и может вызвать разрушение винта. В деталях из мягких материалов для винтовых соединений предусматривают прочные втулки. В тонких деталях желательно произвести местное утолщение под резьбу. При соединении материалов с различными электрическими потенциалами могут быть использованы втулки из изоляционных материалов или неметаллические винты [1].
Установочные винты служат для фиксации взаимного расположения деталей относительно друг друга. Для этого на концах имеют различные выступы или углубления. Примеры концов по ГОСТ 12414—94 (ISO 4753:1999):
- Конический конец;
- Плоский конец;
- Цилиндрический конец;
- Засверлённый конец;
- Ступенчатый конец;
- Ступенчатый конец со сферой;
- Ступенчатый конец с конусом.
По другим стандартам также встречаются рифлёный конец, шариковый конец и симметричные установочные винты со шлицами с обеих сторон (применяются при автоматической сборке) [1].
Основными элементами винта являются цилиндрический стержень, частично или полностью покрытый резьбой, и головка, служащая для передачи на него крутящего момента [1]. Длина нарезной части и глубина нарезки определяются в зависимости от материала, из которого изготовлен винт и материала соединяемых деталей, а также от диаметра резьбы.
Формы головок:
- Плоская;
- Выпуклая;
- Круглая — обычно, в декоративных целях;
- Грибовидная — низкая головка сферической формы;
- Потайная: коническая головка с плоской внешней поверхностью, предназначенная для утапливания в материал «заподлицо»;
- Полупотайная: нижняя часть — как у потайной, но верх — не плоский, а закруглённый.
Несмотря на то, что крепёжные резьбы изготавливаются таким образом, чтобы угол подъёма винтовой линии был меньше, чем угол трения, винтовые соединения всё же имеют склонность к самоотвинчиванию из-за динамических нагрузок (вибрация, тряска, удары), которые резко уменьшают трение по резьбе [1].
Способы предотвращения самоотвинчивания:
- Создание повышенного трения (контргайки, разрезные гайки, гайки с упругим уплотнением, резиновые шайбы);
- Поджим соединяемых деталей пружинами (внутри отверстия, куда сажается винт, может быть установлена пружина, которая сжимается при завинчивании винта и затем давит на него, повышая трение по резьбе) [1].
На рынке представлены высокоточные шлифованные винты ШВП (шарико-винтовая передача), изготавливаемые по чертежам с классом точности С3–С7, диаметрами от \(8\) до \(80\) мм с шагом от \(2,5\) до \(40\) [2]. Также существуют специализированные наборы винтов для сборки оборудования, например, для крепления двигателей NEMA 17 или сборки 3D-принтеров [3, 4]. Промышленность предлагает широкий выбор метизной продукции, включая нержавеющие изделия, поставляемые из Европы и Китая [5].
Данный обзор систематизирует ключевые технические характеристики крепёжных изделий типа «винт», раскрывая их историческую эволюцию, стандартизацию прочностных классов согласно ГОСТам и практические аспекты предотвращения отказов при эксплуатации под динамическими нагрузками [1][2][3][4][5].
Создаётся краткое изложение…