Изготовление специализированных гвоздей, заклепок и штифтов на основе стандартного сортамента

При изготовлении крепежных элементов из сортового проката главным условием является правильный выбор исходного прутка или катанки. Для заклепок, гвоздей и штифтов чаще применяются углеродистые марки сталей Ст3, 10, 20 или низколегированные сплавы 09Г2С, где содержание углерода не превышает 0,25 %.

Такой состав обеспечивает пластичность и возможность ковки без трещин при температуре от 950 до 1250 °C для горячей обработки и при комнатных условиях для холодного деформирования.

Чтобы из круглого прутка диаметром 6–12 мм получить заготовку для заклепки, его отрезают на мерные куски. Длина рассчитывается по формуле: L = d × (1,3 + k), где d — диаметр, k — коэффициент запаса на образование головки.

Для гвоздя длина превышает расчетную рабочую часть примерно на 25–30 %, так как дополнительно формируется шляпка. В случае штифта припуск выбирается минимальный, чтобы обеспечить плотную посадку без излишнего утолщения.

Метод горячей ковки применяется там, где требуется сложная форма шляпки или массивная головка. Заготовку нагревают в печи с температурой 1100–1150 °C, используя газовое или индукционное оборудование.

После достижения равномерного прогрева металл приобретает пластичность и может быть осажен в штампе. Пресс или молот прикладывает усилие до 200–300 кН, что позволяет сформировать головку за один удар. При этом важно контролировать нагрев: если температура опустится ниже 900 °C, появляются трещины; если поднимется выше 1250 °C, произойдет пережог.

Холодная ковка применяется для деталей небольшого диаметра, где важна точность. Стержень подается в автомат, где отрезается нужный отрезок, после чего пуансон формирует головку в закрытом калибре.

Для работы требуется усилие в пределах 80–120 кН, в зависимости от диаметра. Такой способ дает высокую чистоту поверхности, не требует дополнительной обработки, а твердость металла возрастает за счет наклепа. Это особенно ценно при изготовлении штифтов, которые должны иметь повышенную износостойкость.

При производстве гвоздей стандартного назначения допускается использование катанки диаметром 2–4 мм. Для строительных нужд чаще выбирают сталь Ст3, обеспечивающую достаточную прочность при цене ниже легированных марок.

Длина гвоздей варьируется от 20 до 200 мм, причем пропорция длины к диаметру обычно составляет от 20 до 40. Формирование острия проводится путем рубки под углом 30–40 градусов, что обеспечивает легкое вхождение в древесину без раскалывания волокон.

Заклепки, применяемые в машиностроении, чаще изготавливаются из сталей 10, 20 или 09Г2С, а для соединений, работающих в агрессивной среде, используется нержавеющая марка 12Х18Н10Т. Длина заготовки выбирается по расчету: L = t × n + 1,5d, где t — толщина соединяемых элементов, n — количество листов, d — диаметр стержня.

В случае штифтов расчет идет из длины посадочного отверстия с минимальным припуском 0,1–0,2 мм на забивку.

Если говорить о технологической оснастке, то для горячей ковки используется штамп из инструментальной стали У8 или Х12М, закаленный до твердости HRC 56–60. Для холодного формования требуется матрица с высокой износостойкостью, чаще применяют сплавы на основе вольфрама и молибдена.

Срок службы штампа при горячей ковке составляет 10–15 тысяч циклов, при холодной — до 50 тысяч.

Поверхность готовых изделий требует защиты от коррозии. Для гвоздей массового производства достаточно оцинковки с толщиной слоя 8–12 мкм.

Заклепки для авиационных и судовых конструкций подвергаются анодированию или фосфатированию. Штифты подвергают цементации на глубину 0,5–1 мм и закалке при температуре 800–850 °C с последующим отпуском при 200 °C. Это позволяет получить твердость поверхности HRC 58–62 при сохранении вязкости сердцевины.

Производственные линии, выпускающие нестандартный крепеж, комплектуются автоматами холодной высадки, прессами усилием 250–400 кН и нагревательными установками мощностью до 200 кВт. В случае небольшого цеха можно ограничиться молотом массой бойка 75–150 кг и муфельной печью объемом 0,3–0,5 м³.

При этом производительность составит около 100–150 единиц в час при горячей ковке и до 500 при холодном формовании.

Особое внимание уделяется точности размеров. Для гвоздей допускается отклонение по длине ±1 мм и по диаметру ±0,1 мм.

Для заклепок, применяемых в корпусах машин, требования жестче: длина должна соответствовать расчету с допуском ±0,5 мм, диаметр — в пределах ±0,05 мм. Штифты изготавливаются с точностью до ±0,02 мм по диаметру, иначе они не обеспечат плотной посадки в отверстии.

При производстве крепежа малых партий часто используется ручная ковка. Заготовку разогревают в горне до 1000–1100 °C, фиксируют в тисках и придают форму при помощи молотка и обжимки.

Головка формируется путем последовательных ударов, а острие вытягивается косыми ударами под углом к оси. Такой метод применим при ремонте или изготовлении уникальных изделий, где автоматизация не оправдана.

Стержни для штифтов подбираются из калиброванного проката диаметром от 3 до 20 мм. Заготовки должны иметь шероховатость поверхности не выше Ra 3,2, иначе при установке в отверстие возникнут зазоры.

В случае горячей обработки поверхность дополнительно очищается пескоструйной обработкой для удаления окалины, а при холодной требуется полировка до класса чистоты не ниже 7-го.

В машиностроении нередко применяются комбинированные методы. Так, штифт сначала подвергают холодной высадке для формирования цилиндра, а затем горячей ковке для создания утолщенной части.

Такой подход позволяет уменьшить расход металла и сократить время на обработку. Для заклепок крупного диаметра, от 12 до 20 мм, горячая ковка остается основным методом, так как усилия холодной высадки становятся чрезмерными.

На практике часто возникает потребность в нестандартных размерах, которых нет в ГОСТах. В этом случае берется ближайший по диаметру сортамент проката и из него выполняется деталь требуемой длины.

При этом важно помнить, что слишком большое уменьшение диаметра вытяжкой ведет к появлению микротрещин, поэтому удлинение не должно превышать 40 % исходного размера без промежуточного отжига.

Если требуется повышенная прочность, заготовку подвергают термической обработке. После ковки изделия закаливают в воде или масле с температуры 850–870 °C, затем отпускают при 200–250 °C.

Это дает предел прочности σв = 700–800 МПа при достаточной пластичности. Для заклепок в авиации используют закалку с последующим старением при 150 °C в течение 10 часов, что обеспечивает стабильные характеристики.

Чтобы облегчить работу, я бы советовал заранее рассчитывать необходимое количество металла. Для партии из 1000 гвоздей длиной 100 мм и диаметром 3 мм требуется около 7 кг стали, учитывая отходы.

Для заклепок длиной 20 мм и диаметром 5 мм на тысячу штук уйдет около 3 кг. Такой расчет помогает избежать лишних затрат и упрощает планирование производства.