Резьбовые соединения (историческая справка)

Болты и гайки с винтовой нарезкой появились где-то в середине XV в. Тогда их изготавливали вручную, и каждую гайку можно было навинтить только на один, соответствующий именно ей болт. Первое упоминание о винтах встречается в книге, относящейся к началу XV в. [8]

В том же столетии винты наряду с другими крепежными деталями были использованы И. Гуттенбергом в сконструированном им печатном ставке. Вскоре их стали применять часовых дел мастера и изготовители воинских доспехов.

В записных книжках Леонардо да Винчи, относящихся к концу XV – началу XVI вв., есть наброски проектов нескольких винторезных станков. Однако первый такой станок, получивший практическое применение, был изобретен в 1568 г. французским математиком Ж. Бессоном. Первые документированные сведения о гайках с резьбой относятся к концу XVI – началу XVII вв. Как и винты, первые гайки также изготавливались вручную и были плохо обработанными.

Гайки начали соединять с винтами, по-видимому, в начале XVII в. Винты тогда были прямые с торцом без фаски и больше походили на современные болты, чем на конические шурупы. В одной из книг, изданных в Англии в 1611 г., уже используется словосочетание «гайка для винта». Винтом стали называть болт, имеющий резьбу. Подобрать болт и соответствующую ему гайку было делом нелегким, когда удавалось найти такую пару, винт и гайку держали соединенными до их использования в каком-либо механизме или сооружении. [8]

Несомненно, что гайки и болты как крепежные детали получили широкое распространение с началом промышленной революции. Производители первых машин и деталей для них поняли, что резьбовое соединение может принципиально улучшить конструкцию сложных механизмов; значительно облегчить сборку, а также повысить их надежность. В 1801 г. Уитни подсказал еще одну важную идею – о взаимозаменяемости частей в машинах.

Проблема, которую не удавалось решить вплоть до начала XIX столетия, – это отсутствие единообразия резьбы, нарезаемой на болтах и гайках в разных странах и даже на разных заводах в пределах одной страны. До конца XVIII в. резьба больших размеров, как правило, наносилась горячей ковкой: по горячей заготовке болта кузнецы ударяли специальным ковочным штампом или другим формообразующим инструментом. Нарезка более мелкой резьбы производилась на примитивных токарных станках; режущий инструмент при этом приходилось удерживать вручную, и поэтому получить резьбу постоянного профиля не удавалось. [8]

К 1800 г. токарный станок был усовершенствован: у него появились подвижный суппорт и зубчатая передача, так что нарезка резьбы с помощью ходового винта (осуществляющего подачу режущего инструмента), производилась с достаточно высокой точностью. Однако пока еще не было такой системы, которая бы задавала размер резьбы пропорционально диаметру заготовки. Насмит указывал:

"Все болты и соответствующие им гайки нужно было специально маркировать, чтобы легко определялась их принадлежность друг другу. Всякое смешивание гаек и болтов... вызывало бесконечные хлопоты и дополнительные расходы, эффективность производства при этом падала, в работе появлялась путаница, особенно при ремонте сложных машин, когда их приходилось разбирать на части". [8]

Ситуация изменилась в 1800 г., когда английский изобретатель Г. Модсли построил первый токарно-винторезный станок, на котором можно было изготовлять винты любого диаметра с любым шагом резьбы. (Шаг резьбы – это расстояние вдоль оси винта между верши-нами двух соседних витков. Наружный диаметр резьбы равен диаметру цилиндра, описанного относительно вершин, а внутренний – диаметру цилиндра, описанного относительно впадин резьбы.

Так как первоначально широкое развитие и распространение резьбовые детали получили в Великобритании, то и размерность параметров резьбы инженерам-изобретателям всего мира пришлось использовать английскую. Североамериканские Соединённые Штаты до конца XVIII века находились в колониальном владении Великобритании и, поэтому, тоже использовали английскую систему мер.

Базовой единицей английской системы мер является дюйм. Дюйм (от голландского слова «duim» – большой палец) – ширина большого пальца взрослого мужчины. Основным был признан английский дюйм.

В то же время во Франции, часто воевавшей с Англией (Великобританией), как непосредственно, так и на территории колоний, давно вынашивалась идея воспрепятствовать продвижению армии Великобритании в случае возможного нападения на Францию или французские колонии. Использование какой-то другой (не дюймовой) системы мер при изготовлении деталей машин и механизмов, а в том числе и крепежа, позволило бы нарушить только что принятую систему взаимозаменяемости и сделать невозможным ремонт и сборку английской техники и оружия с использованием французских запчастей. В результате, в конце XVIII – начале XIX вв. во Франции получает широкое распространение метрическая система мер.

Впоследствии Наполеону, завоевавшему почти всю Европу, удалось распространить метрическую систему в подчинённых странах. Великобританию захватить Наполеону не удалось, поэтому англичане, понимающие всё удобство и простоту метрической системы мер, продолжают использовать чуждую для нас, европейцев, дюймовую систему мер. Не менее странную позицию занимают и американцы.

Возможность унифицирования резьбы еще не означала ее общую унификацию, поскольку каждый производитель был заинтересован в том, чтобы иметь собственные стандарты. Со временем появилась настоятельная потребность создания ряда государственных или международных стандартов. Первый важный шаг в этом направлении был сделан в Великобритании в 1841 г., когда Дж. Витворт представил Институту гражданских инженеров свой доклад под названием «Система унифицирования винтовой резьбы».

Витворт предлагал установить для болтов и винтов данного размера единообразие таких параметров резьбы, как профиль, шаг и высота профиля. Он рекомендовал, чтобы угол профиля (угол между сторонами соседних витков) был равен 55°, а число витков на один дюйм должно определяться диаметром болта или винта. Вершины витков резьбы и основания впадин должны быть закруглены на 1/6 высоты исходного профиля. К 1881 г. система Витворта была принята в качестве британского стандарта.

В США стандартизация начала проводиться в 1864 г. У. Селлерс, производитель металлорежущих инструментов в Филадельфии, убедил Институт Франклина учредить комиссию, ответственную за разработку государственных стандартов. У Селлерса было несколько поправок к системе Витворта. Он считал, что угол профиля 55° трудно измерить, и поэтому предлагал заменить его на 60°. К тому же он полагал, что при таком угле резьба будет прочнее. Селлерс также предложил резьбу с уплощенными вершинами витков и основаниями впадин, поскольку, по его мнению, предусматриваемое в стандарте Витворта закругление этих участков профиля приводило к неопределенности соответствия между болтом и гайкой и снижало прочность резьбы. [8]

Институт Франклина принял систему Селлерса и рекомендовал ее в качестве государственного стандарта, гласящего: «Профиль винтовой резьбы должен иметь прямые края, образующие угол 60°, поверхность вершин и впадин должна быть плоской и составлять 1/8 шага». К концу XIX столетия система Селлерса уже обрела статус стандарта не только в США, но и во многих европейских странах.

Таким образом, когда к концу XIX века задача стандартизации резьбы в Англии и США была частично решена, остальной мир работал по собственным произвольным стандартам. Количество национальных стандартов было очень велико. Например, Германия к концу XIX в. имела 11 различных систем резьбы и 274 ее разновидности. [8]

Царская Россия не имела собственной государственной системы стандартов резьбы. На каждом предприятии, применяющем резьбовые соединения, использовался либо один из зарубежных или собственный стандарт.

В 1898 году в Цюрихе (Швейцария) Международный Конгресс по стандартизации резьбы, на основе резьбы Селлерса, утвердил международные стандарты метрической резьбы с метрическими размерами.

Несовместимость систем Витворта и Селлерса стала причиной многих технических осложнений в годы первой и второй мировых войн, когда американская и английская армии сталкивались с необходимостью иметь взаимозаменяемые части вооружения. Начиная с 1918 и вплоть до 1948 г. обе страны делали попытки привести две системы дюймовой резьбы в соответствие. На конференции, состоявшейся в 1948 г. в Вашингтоне, США, Канада и Великобритания приняли Унифицированную систему резьбы, которая включала элементы как системы Витворта, так и системы Селлерса. Существенную роль в стандартизации дюймовой винтовой резьбы сыграл Институт промышленных крепежных изделий, созданный ведущими североамериканскими фирмами, специализирующимися на производстве крепежных деталей.

В том же году Международная организация по стандартизации ИСО (ISO) приступила к разработке системы стандартизации винтовой резьбы, единой для многих стран мира. Когда в 1964 г. эта работа была завершена, международная конференция в Нью-Дели приняла две системы: систему дюймовой резьбы ISO (такую же, как и вышеуказанная Унифицированная система) и систему метрической резьбы ISO, которая должна была заменить множество различных национальных систем.

В советской России только в 1921 г. были сделаны первые попытки стандартизации резьбы: Наркомат путей сообщения издал «Таблицы норм НКПС-1» для резьбы, используемой на железнодорожном транспорте. Эти таблицы были основаны на немецких стандартах метрической резьбы на диаметры от 6 до 68 мм.

В 1927 году на основании таблиц НКПС-1 Комитет по стандартизации при Совете труда и обороны, разработал и принял первый Советский государственный стандарт – ОСТ-32, а немного позже – стандарт для резьбы Витворда – ОСТ-33А.

В 1932 г. на основании модернизированного стандарта Acme был принят ОСТ для трапецеидальной резьбы.

В настоящее время Россия работает по стандартам резьбы ISO, являющимися общепринятыми во всем мире.

Приложение Б

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: