В статье дается описание истории изготовления, использования и видов конструкций гвоздей в России и мире. Представлены технические характеристики и преимущества новой конструкции стержня и головки супергвоздя, а также результаты прочностных расчетов нового гвоздя и рекомендации по выбору способа и оборудования для изготовления супергвоздей.

УДК 691.88

В.Г. ПОПОВ, канд. техн. наук, Череповецкий государственный университет, г. Череповец, А.В. ПОПОВ, директор ООО «Златовест», г. Москва, Т.Н. ЖИГУЛИНА, исполнительный директор ООО «Научно-экспертный центр «Эврика», г. Череповец

Ключевые слова: гвоздь, шляпка гвоздя, стержень, проволока, листовой прокат, жесткость, коррозия
Keywords: nail, nail head, stud, wire, sheet metal, rigidity, corrosion

Без гвоздей трудно себе представить любые строительные или ремонтные работы. Гвоздь – простейший крепежный инструмент, известный с древности. В обиходе человека гвоздь находится около 5 тыс. лет.

Гвоздь подпадает под термин «деталь» – изделие, изготовленное из одного материала без сборочных операций. За счет разнообразия видов, размеров, форм и материала изготовления гвозди стали универсальными креплениями, которые отлично подходят для наружных и внутренних работ. При выборе гвоздей стоит ориентироваться не только на их вид, длину, размер шляпки и прочие параметры, но и на то, где они произведены.

Строительный гвоздь – самый обычный из гвоздей, используется довольно часто, в основном для крепления деревянных деталей между собой. Это стержень с заостренным концом, а диаметр шляпки в 2-3 раза превосходит диаметр стержня. Еще одна особенность – наличие выступающих насечек на стержне гвоздя около шляпки. Они предназначены для лучшего закрепления в материале и улучшения посадки.

В зависимости от назначения различают гвозди: кровельные, толевые, шиферные, винтовые, ершенные, финишные, плинтусные, декоративные, отделочные, гвозди-скобки, штукатурные, гвозди типа игла, гвоздь-гарпун, дюбель, гвозди для гипсокартона, гвозди с двойной шляпкой, сапожные, подковные, корабельные и баржевые, стекольные и замковые гвозди, сфера применения многих из которых понятна из названия.

Гвозди различают еще и по форме шляпки. Потайная шляпка лучше тем, что такой гвоздь мало заметен на поверхности, его можно вбить вровень, не нарушая структуры самого материала. Если же гвоздь с непотайной шляпкой, то при попытке вбить его вровень с поверхностью можно разрушить ее: так, например, шпоновое покрытие МДФ плиты наверняка лопнет. Выбирать подходящий вариант нужно, отталкиваясь от того, куда будет забиваться гвоздь и что нужно крепить. Существуют определенные правила при забивании гвоздей различных конструкций.

Первые так называемые гвозди вырезались из древесины твердых пород или изготавливались из шипов растений и рыбьих костей.

Выдержка из Библейской энциклопедии гласит о том, что «гвозди и костыли, необходимые для вешания платья, занавесей и других разных потребностей, не вбиваются в стену, но выделываются из железа или дерева вместе с самою стеною во время сооружения оной…» Такие гвозди имели значительную длину, сильно вдаваясь внутрь постройки. Извлечь их без повреждения стены не представлялось никакой возможности, кроме как отпиливанием.

Первые металлические гвозди стали известны в бронзовом веке и изготавливались путем отливки или ковки. Уже позже основой при производстве гвоздей стала медная или железная проволока. Упоминание о закупке для гвоздей железа царем Давидом имеется в Библии. В Древнем Египте и некоторых других древних культурах изготавливали бронзовые гвозди. Подтверждением этого служат находки при раскопках древних строений. В Римской империи гвозди использовали для прибивания преступников к деревянным крестам.

В России первые упоминания о мастерах-гвоздарях датируются XIII веком. Первые шаги в производстве гвоздей заключались в ручном способе изготовления и были дорогостоящими. Только в 1790 г. запатентовали и в начале 1800-х гг. массово стали применять в производстве машину для изготовления гвоздей, как кованых, так и проволочных.

К этому времени гвозди стали общедоступны. Производили гвозди из железного прута, который накаливали в горне, затем ударами молота оттягивали его на наковальне. С одного конца такой железный стержень заостряли, со второго – делали утолщение для головки. После этого прут помещался в гвоздильню (некоторый брусок с отверстием), где ударами молотка головка расплющивалась. В истории известны рекордсмены-гвоздари, достигавшие больших скоростей. Так, некто Джеймс Лейстон за 14 дней изготовил 17000 единиц продукции.

Существовал и другой способ производства гвоздей, так называемых костыльков. Следуя данной технологии, полосы нарезали таким образом, чтобы один конец получался заостренным, а тупую сторону загибали в гвоздильне, образуя шляпку гвоздя. Головки костыльков получались более узкими и благодаря этому качеству использовались в столярном деле. Позже гвозди ковали из холодного и накаленного железа машинным способом. Литые гвозди производили из чугуна с последующим отжигом. К концу XIX века практически перестали изготавливать кованые гвозди. В 1721 г. Петр I издал указ о наборе и переселении в новую столицу плотников, «годных для судовой работы». Переселенцы из Вологды, Белоозера, Каргополя и Устюга поселились на Большой и Малой Охте, превратившихся впоследствии в пригороды Северной столицы. Журнал «Кустарный труд» в 1912 г. писал: «Охта – это большая мастерская, живущая своим кустарным промыслом. Это столярная, токарная и резная мастерская столицы». Однако о гвоздильном кустарном производстве упоминаний нет. Скорее всего, кованые гвозди были привозными, в том числе и из Уломской волости Череповецкого уезда Новгородской области.

В 1910 г. появилась проволока, и это дало возможность делать круглые проволочные гвоздики. Стальную проволоку закладывали в машину, которая отрезала гвоздь, делала ему шляпку и заостряла кончик за одну операцию. Для производства требовался всего один человек, который включал и выключал машину. Гвозди стали дешевыми, доступными и почти сразу появились в каждом доме.

В Российской империи первое упоминание о гвоздильных станках можно отнести к 1835 г., когда, вернувшись из Англии, Ефим Александрович Черепанов (1774-1842 гг.) и его сын Мирон Ефимович Черепанов (1803-1849 гг.) спроектировали и построили на тагильском заводе «гвоздарный» (гвоздильный) станок. Массовое использование в России гвоздильных станков началось в конце XIX века. В основном оборудование для производства гвоздей поставлялось из Германии и Англии.

В современной промышленности в большинстве случаев производят стальные гвозди. По необходимости они могут изготавливаться из бронзы, меди, цинка, латуни, пластика. Технический прогресс активно развивался, увеличивались объемы строительства, и гвоздей требовалось все больше и больше. Их массовое заводское производство началось в конце XVIII века в Англии, где были созданы первые гвоздильные машины, работающие по принципу прокатных валков. В наше время поточное производство гвоздей полностью автоматизировано. Современное гвоздильное производство использует ротационные прессы. Практически все этапы изготовления гвоздей, включая снятие заусениц и противокоррозионное покрытие, автоматизированы.

Известны конструкции строительных гвоздей [1], включающие головку, стержень круглого сечения, верхняя часть которого снабжена неровностями, а нижняя часть заострена в виде пирамиды или конуса.

Недостатком гвоздей вышеуказанной конструкции является малая площадь поверхности контакта, небольшая прочность на устойчивость, дорогое оборудование для изготовления. Если в поперечном сечении стержня гвоздя использовать сечение – звезду [2], то поверхность контакта увеличивается на 85% и повышается прочность на устойчивость, что в целом повышает прочность соединения скрепляемых деталей.

Производство разнообразного листового стального листа с покрытием и без покрытия навело на мысль: кто сказал, что сечение гвоздя должно быть только круглым или близким к круглому? Если гвозди изготавливать из листового материала, оборудование для их производства технологически проще, надежнее, дешевле, а изделие – супергвозди новой конструкции обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционной продукцией.

Разработана конструкция супергвоздя (см. рис.), содержащая стержень 1, заостренную нижнюю часть 2 и открытые пазы 3, выполненные в верхней части стержня, расположенные симметрично оси супергвоздя [3].

Поперечное сечение гвоздя выполнено в виде гнутого профиля различной конфигурации (например, корытное сечение, волнистое железо, полукольцо, V и W образные формы и т.п.).

Стержень гвоздя в поперечном сечении выполнен в виде гнутого профиля с продольными параллельными линиями гиба. Верхняя часть стержня гвоздя снабжена открытыми пазами, а нижняя имеет заостренную часть. Открытый паз совпадает со средней линией гиба и/или другие пазы совпадают каждый с линией гиба. Нижняя заостренная часть заготовки гвоздя выполнена с углом заострения в нескольких вариантах:

— один угол 45°,
— один угол 60°;
— два угла – 60° и 45°;
— один угол 90°;
— два угла – 90° и 60°.

Для производства супергвоздей можно использовать листовой материал без покрытия и с покрытием, что существенно упрощает процесс их изготовления. Открытые пазы 3, выполненные в верхней части стержня 1, служат для получения головки гвоздя при его забивании в деревянные детали. Как показали испытания образцов гвоздей, головка гвоздя получается на последней стадии забивания (примерно, когда 90% длины гвоздя уже вошла в дерево).

В таблице приведены сравнительные расчеты для гвоздя разных форм сечения: в качестве стандартного гвоздя строительного (аналога) принят гвоздь К 3х70 [1] по ГОСТ 4028-63; а в качестве прототипа сечения стержня гвоздя можно использовать сечение – звезду [2] по определению площади поперечного сечения гвоздя, боковой поверхности гвоздя, момента инерции и критической нагрузки.

Таблица. Результаты сравнительного расчета вариантов конструкции гвоздя

Форма сечения	Площадь поперечного сечения, мм²	%	Боковая поверхность гвоздя, мм²	%	Момент инерции	%	Критическая нагрузка	%
Круглая (аналог)	7,065	100	395	100	3,97	100	400	100
Сечение – звезда (прототип)	7,065	100	659	176	6,3	160	740	185
V-образная	7,065	100	1050	270	9,3 и 13,4	234 и 337	1220	305
W-образная	7,065	100	1050	270	19	478	1400	350

Увеличение поверхности контакта на 270% по сравнению прототипом гвоздя способствует увеличению силы трения, удерживающего гвоздь в массиве древесины при одновременном значительном снижении раздвижения волокон древесины при внедрении, что устраняет вероятность раскола деревянного изделия при небольших поперечных размерах деревянных деталей.

Одновременное увеличение прочности на 350% по сравнению с аналогом и на 156% по сравнению с прототипом на устойчивость позволит значительно сократить брак при забивании и повысить прочность соединяемых деревянных деталей. При расчете применимо ограничение – металлоемкость одного гвоздя любой формы сечения равна const, т.е. постоянна.

Стандарт [4] устанавливает требования и методы испытаний для материалов, геометрии, прочности, жесткости и долговечности (антикоррозионной защиты) механических креплений (гвоздей, винтов, шурупов), используемых в соединениях элементов деревянных конструкций, а также содержит правила по определению прочности и деформативности соединений деревянных конструкций, выполненных с использованием механических креплений (связей) на основе их испытаний.

Как уже отмечалось, для производства гвоздей можно использовать листовой материал без покрытия и с покрытием. Способы изготовления супергвоздя: непрерывный или циклический. Оборудование при непрерывном способе – простое роликовое гибочное устройство для формирования V или W образного сечения супергвоздя, отрезное устройство в виде летучих ножниц. Оборудование при циклическом процессе – пресс одновременно гибочный и отрезной или прессы по отдельности.

Библиографический список

1. ГОСТ 4028-63 Гвоздь строительный.

2. Журнал «Изобретатель и рационализатор», № 7-8, 1992. Новости науки, с. 28.

3. Патент на полезную модель № 127418 РФ. Гвоздь. Попов В.Г., Жигулина Т.Н., Попов А.В., опубл. 27.04.2015. Бюлл. № 28.

4. Стандарт организации. НП «Ассоциация деревянного домостроения». Деревянные конструкции. Соединения на гвоздях, винтах и шурупах. Требования и методы испытаний. СтАДД 3.1-2011.