Kovičeni spoji

Osnove kovičenja in lastnosti kovičnih spojev

Kovičenje je postopek, ki se uporablja za spajanje vsaj dveh spajanih delov z uporabo kovice.

Deli, ki jih kovica povezuje med seboj, so lahko iz med seboj enakih, pa tudi iz različnih materialov – skupaj lahko povezujemo kovino in nekovino. Kovica je vezni element, ki se med postopkom kovičenja deformira (deformacija kovice je ali enostranska ali dvostranska) in s svojo obliko poveže gradiva, pri tem pa nastane nerazstavljivi kovični spoj. Kovica, ki je tako vstavljena v skoznjo luknjo malo večjega premera, kot je sam premer kovice, s svojo deformirano obliko trajno veže spajane dele in prenaša obremenitve, ki tečejo čez njih. Enostavna shema kovičenja je prikazana na Sliki 1.

Kovičenje je postopek, ki ne le, da lahko spoji med seboj različne materiale, temveč tudi ne vpliva na notranjo strukturo materialov spajanih delov, saj pri postopku kovičenja ne pride do temperaturnih deformacij. Po drugi strani pa na osnovni spajani material vseeno vplivamo, saj moramo na mestih kovic pripraviti skoznje luknje, zaradi česar pride do oslabitve prerezov.

Kovičenje je danes splošno uporabljen postopek spajanja različnih delov v različnih panogah: v strojništvu, ladjedelništvu, gradbeništvu … Kovične spoje uporabljamo pri spajanju lahkih kovin (v avtomobilski in letalski industriji), pri izdelavi zavor in sklopk, kovičimo lahko tudi usnje, gumo in keramiko.

Glede na pripravo med seboj ločimo dva različna postopka kovičenja: hladno in vroče kovičenje. Pri vročem kovičenju se običajno ob uporabi jeklenih kovic premera, večjega od 10 mm (uporaba pri jeklenih konstrukcijah), kovice segrejejo na ca. 1000 °C, vstavijo v predpripravljene skoznje luknje in se s silo zakovičijo.

Ko se spoj, ki nasta v vročem stanju, ohladi, se hkrati skrči in stisne zvezne dele tako, da se zunanja sila prenaša s trenjem med stisnjenimi površinami, kovica pa je zaradi prednapetosti, ustvarjene pri ohlajanju, obremenjena na nateg.

Pri hladnem kovičenju, ki se uporablja pri kovicah premerov, manjših ali enakih 10 mm, ali če material kovice ni jeklo (tj. pri bakrenih, medeninastih in aluminijastih kovicah), kovico v hladnem stanju vstavimo v luknjo, jo trajno deformiramo in s tem popolnoma zapolnimo luknjo v kovičenih delih.

Hladno zakovana kovica je tako obremenjena s površinskim tlakom in na strig.

Osnovni element kovičnega spoja, kovica, ima premer stebla d in dolžino stebla l. Steblo kovice je lahko ali polno ali votlo, njegova dolžina, predpisana s standardi, pa je odvisna od debeline spoja Σt in od oblike sklepne glave, ki jo želimo oblikovati ob zakovanju. Premer kovice d je vedno nekoliko manjši od premera luknje v spajanih delih dL, da je lahko kovica brez uporabe sile pred zakovičenjem vstavljena na njeno mesto. Kovice so izdelane v standardnih premerih, praviloma do premera kovice d = 36 mm. V spodnji preglednici so poleg standardnih premerov kovic d podani njim pripadajoči premeri skoznjih lukenj v spajanih delih.

Oblike kovic

Glede na obliko kovice ločimo na polne, polvotle in votle ter glede na njihovo obliko glave.

Polne kovice, izdelane s kakršno koli obliko glave, uporabljamo pri spajanju nosilnih strojnih delov. Kovičenje kovic s polno glavo poteka s posebno hidravlično ali pnevmatsko pripravo, izdelano za kovičenje z enakomernim tlakom. Nasprotno, polvotle in votle kovice uporabljamo za spajanje tanjših pločevin ter elastičnih in krhkih elementov (usnje, keramika, guma), saj so dopustne majhne sile kovičenja, v nasprotnem primeru lahko pride do prevelikih deformacij ali loma spajanih delov na mestu spoja. Primer polne, polvotle in votle kovice v kovičnem spoju je prikazan na Sliki 2.

Po obliki glave med seboj ločimo naslednje oblike kovic (Slika 3):

  • kovice s polkroglo glavo (a), ki se uporabljajo za zvezo profilov in pločevin pri različnih konstrukcijah ter v avtomobilski industriji; 
  • kovice z ugrezno glavo (b), ki se uporabljajo, kadar mora biti končna površina spoja gladka, zaradi dodatne obdelave spajanih delov jih uporabljamo samo tam, kjer je to res potrebno; 
  • kovice z lečasto glavo (c); 
  • kovice s trapezno glavo (d), ki se uporabljajo v ladjedelništvu.

Poleg navedenih standardnih kovic poznamo tudi kovice posebnih oblik:

  • slepe kovice so votle oblike, v sredini z vloženim trnom, ob potegu katerega se kovica plastično deformira – ob plastični deformaciji nastane glava kovice, steblo pa pritisne na stene luknje kovičnega spoja. Uporabljajo se na težko dostopnih mestih in pri kovičenju votlih profilov;
  • eksplozijske kovice imajo v steblu vstavljen naboj, ki ob segrevanju eksplodira in pri tem sprosti dovolj energije, da se kovica plastično preoblikuje, steblo kovice se razširi in pritisne ob stene luknje kovičnega spoja. Uporabljajo se za zveze tankih pločevin, kjer kovica ni dostopna z obeh strani;
  • drobne kovice imajo glavo nekoliko večjega premera kot je glava normalne, polkrogle kovice, zato da se obremenitev prenese na večjo površino pločevine. Uporabljajo se v finomehaniki.

Materiali za kovice

Izbira materiala pri kovicah je odvisna od materiala, ki ga kovičimo. Material kovice je običajno enak materialu kovičenih delov, saj v nasprotnem primeru, tj. če je material kovice in kovičenega dela različen pri segrevanju obeh materialov, prihaja do različnih raztezkov, kar pa lahko privede do ohlapa med kovico in steno luknje. Poleg tega pri različnih materialih kovice in kovičenih delov v spoju med različnimi materiali lahko nastane termoelektrična napetost, ki vodi do korozije. Tako za kovičenje jeklenih konstrukcij uporabljamo jeklene kovice, za kovičenje bakrenih kovičenih delov uporabljamo bakrene kovice, za kovičenje aluminijastih delov pa aluminijaste kovice.

Vrste in oblike zakovov

Glede na dano velikost in smer obremenitve ter glede na razpoložljivi prostor določimo konstrukcijsko obliko kovičnega spoja. Smiselno je, da kovični spoj (zveza večih kovic) oblikujemo tako, da so obremenitve porazdeljene enakomerno, tj. da vsaka posamezna kovica prenaša enako obremenitev kot ostale. Zveza je izvedena z vsaj dvema kovicama, po potrebi jih je lahko tudi več, te so nameščene v eni, dveh ali več vrstah.

Tako po obliki ločimo:

  • eno-,
  • dvo- ali
  • večvrstne zakovane zveze.

Pri dvo- ali večvrstnih zvezah so kovice lahko med seboj pozicionirane vzporedno ali izmenično. V praksi obstajajo posebni predpisi, koliko morajo biti kovice odmaknjene med sabo in od roba. Primer dvovrstne vzporedne in dvovrstne izmenične oblike kovičnega spoja je prikazan na Sliki 6.

Kovične zveze ločimo tudi glede na medsebojno lego kovičenih delov. Tako ločimo:

  • prekrivni in
  • zaplatni kovični spoj.

Razlika je v tem, da se pri prekrivnem kovičnem spoju obremenitev prenaša z enega kovičenega dela na drugega neposredno preko kovic, pri zaplatnem kovičnem spoju pa se obremenitev prenaša z enega kovičenega dela običajno preko polovice vseh kovic na zaplato, nato pa z zaplate preko preostalih kovic na drugi kovičeni del. Zaplatni kovični spoji so lahko enostranski ali dvostranski, prikazani so na Sliki 7.

Trdnostni preračun kovičnih spojev

Pri kovičnih spojih prenašamo zunanjo obremenitev z enega spajanega oz. kovičenega elementa na drugega preko kovic, pri tem v spajanih delih nastanejo normalne napetosti, v kovicah pa strižne napetosti. Zaradi previsokih napetosti v kovičenih delih, kovicah samih ali pa zaradi površinskega pritiska na stene luknje se tako lahko kovični spoj poruši. Zato je potrebno preračunati, kakšne napetosti se pojavljajo v kovični spojih ter seveda, da so te napetosti nižje od dopustnih napetosti.

Pri strižno obremenjeni kovici mora biti strižna napetost v kovici τs nižja od dopustne strižne napetosti. Strižno napetost v kovici preračunamo po enačbi, kjer F predstavlja obremenitev, A prerez kovice premera d, m je število strižnih ravnin (pri kovičenju dveh delov m = 1, pri kovičenju treh delov m = 2), n pa število kovic v kovični zvezi:

[latex]\tau_s=\frac{F}{A\cdot m\cdot n}=\frac{F\cdot4}{d^2\cdot\pi\cdot m\cdot n}\le\tau_{s,dop}[/latex]

Pogosto moramo določiti potrebno število kovic v spoju, pri čemer pa vrednost vedno zaokrožimo na celo število navzgor:

[latex]n\ge\frac{F}{A\cdot m\cdot\tau_{s,dop}}[/latex]

Kovični spoj se lahko poruši tudi zaradi previsokega površinskega pritiska na stenah luknje. V tem primeru postaja luknja vedno bolj ovalna, dokler se stena ne pretrga in zveza poruši. Običajno to pomeni, da je glede na gradivo kovic izbran premehak material kovičenih delov. Če predpostavimo, da se površinski pritisk po obodu stebla kovice porazdeli enakomerno, ga lahko kontroliramo, da je nižji od dopustnega površinskega tlaka po naslednji enačbi:

[latex]p=\frac{F}{d\cdot t_{\min }\cdot n}\le p_{dop}[/latex]

tmin  je najmanjša debelina pločevine v zvezi, glede na dopustni površinski tlak pa lahko zopet določimo število kovic v zvezi, pri čemer dobljeno vrednost vedno zaokrožimo na celo število navzgor:

[latex]n\ge\frac{F}{t_{\min }\cdot d\cdot p_{dop}}[/latex]