- Дослідження впливу радіуса западини різьблення на довговічність болтів Перші експерименти з болтами
- Результати досліджень западин різьблення кріплення західними лабораторіями
- Вплив радіусу западини на опір втоми кріпильних виробів
- Досліджені профілі різьблення шпильок і болтів. Методи виробництва гайок для досліджень.
- Виготовлення шпильок і гайок для проведених досліджень
- Місце руйнування шпильки
- Вплив діаметральні зазорів на опір кріпильних з'єднань втоми
- Вплив термообробки заготовки перед накочуванням різьблення на кріплення
- Випробування різьблення кріпильних виробів на міцність
- Конструктивний спосіб збільшення радіусу западини різьблення кріплення
- Список літератури
Дослідження впливу радіуса западини різьблення на довговічність болтів Перші експерименти з болтами
Мал. 1. Криві зміни роботи удару
довговічності з'єднань при різних
радіусах западини і внутрішніх діаметрах
різьблення M10
Перше експериментальне дослідження впливу радіуса западини R різьблення на довговічність з'єднань виконано Тумом і Штеделя. Вони встановили, що збільшення радіусу R від 0,1 до 0,2 мм для болтів М10 підвищує в 2 рази роботу удару W (рис. 1). Пізніше А. І. Якушев досліджував залежність опору втоми з'єднань з болтами зі сталі 45 (σв - 720 МПа, σ m = 140 МПа) і болтами зі сталі 40ХН2МА σв - 1300 МПа, σm-250 МПа) від радіуса западини різьблення (табл. 1).
З аналізу наведених даних випливає, що при збільшенні R межа витривалості з'єднань підвищується. Однак в ряді дослідів підвищення міцності при збільшенні відносини R / P не виявлено. Це пов'язано, по-видимому, з різними значеннями залишкових напружень в западинах різьблення при неконтрольованих режимах нарізування.
Таблиця 1
Значення σап в залежності від радіуса западини різьблення
Різьба Матеріал болта (сталь) σап, МПа при R / P 0 0.108 0.144 0.216 M6 40XH2MA 95 120 125 45 M12X1.5 40XH2MA 80 90 90 115 45 65 70 80 110 M24X1.5 45 50 60 -
Результати досліджень западин різьблення кріплення західними лабораторіями
У роботі Р. Спроута, а також в дослідженнях авторів встановлено істотний вплив радіуса западини на довговічність з'єднань. Подібні результати для титанових і сталевих болтів отримані в одній з лабораторій США.
Сопфіт і Філд досліджували опір втоми болтових з'єднань з різьбою 3/4 "- 10 (d = 19 мм, Р = 2,54 мм) з марганцево-молібденової і вуглецевої сталі при R = (0,069 ... 0,145) Р. Результати випробувань наведені в табл. 2.
Таблиця 2
Значення σап для з'єднань з метричної різьбою (α = 60 °) і різьбленням Вітворта (α = 55 °) в залежності від радіуса западиниМатеріал болта
Спосіб виготовлення різьби α, ° R, мм σап, МПа марганцево-молібденова сталь (σв = 984MПа) шліфування 60 0,368 103,5 0,282 89,5 0,175 88,0 55 0,348 98,5 0,272 88,0 0,168 79,0 Накочення 60 0,356 219,5 0,264 161,5 55 0,348 176,0 0,256 154,5 Вуглецева сталь (σв = 614MПа) Нарізування 60 0,374 60,0 0,280 56,0 0,190 61,5 55 0,348 56,0 0,269 44,0 0,173 56,0 Накочення 60 0,343 121,5 0,254 114,0 0,180 114,0 55 0,302 98,5 0,246 123,0 0,165 125,0
Дані показують, що при збільшенні радіуса R міцність з'єднань кріплення зростає. У деяких дослідах спостерігалося зворотне: збільшення відношення R / P призводило до зниження межі витривалості.
Це можна пояснити впливом технології виготовлення (режимів нарізування або накочування різьблення, що обумовлюють різний наклеп в поверхневих шарах).
Відзначимо, що в зазначених вище роботах вивчений порівняно вузький діапазон зміни радіуса западини.
Вплив радіусу западини на опір втоми кріпильних виробів
Тим часом, подальше збільшення радіусу відкриває великі можливості для підвищення межі витривалості різьбових кріпильних з'єднань зі сталі і особливо з титанових і берилієвих сплавів.
І. А. Біргер спільно з Ж. А. Ардеевим і Ю. Г. Рисем досліджували вплив радіуса западини на опір втоми з'єднань в зв'язку з технологією виготовлення і термічною обробкою кріпильних деталей (болтів, шпильок). Відчували з'єднання шпильок і гайок з різним профілем різьблення М10; М10х0,75; М10х1; М10X 1,25; М16х1,5; М16Х2 (рис. 2).
Досліджені профілі різьблення шпильок і болтів. Методи виробництва гайок для досліджень.
Мал. 2. Профілі різьблення
Різьба з профілем / представляла собою звичайну метричну різьбу по ГОСТ 9150-81, відповідно до якого форма западини може виконуватися як плоскосрезанной, так і закругленою, причому радіус западини відноситься до неконтрольованих параметрам різьблення.
Стандарт допускає також деякий неконтрольоване закруглення западини до Rmax = 0,144Р, пов'язане зі зношуванням різьбоутворюючі інструменту. Різьба даного типу мала R = 0,12Р.
Різьба з профілем II відрізнялася від попередньої наявністю плоскосрезанной западини (R = 0). Така різьблення широко застосовується в малонавантажених різьбових деталях з сталей.
Різьба з профілем III мала радіус западини R = 0,2Р, близький до рекомендованого R = 0,18Р. Ця різьблення є основною для титанових кріпильних деталей в авіаційній і ракетній промисловості США, Франції, Великобританії та ФРН. Крім того, різьблення кріпильних виробів з таким профілем застосовується за кордоном для болтів з тугоплавких ниобиевих і танталових сплавів, а також для болтів з берилієвих сплавів.
Мал. 3. Залежність межі витривалості
з'єднань від радіуса западини:
1 з'єднання з мінімальними
зазорами в різьбі,
2 - з'єднання зі збільшеними зазорами
Радіус R = 0,2Р є найбільшим, при якому забезпечується часткова взаємозамінність з болтами, що мають стандартний профіль різьблення.
Профіль IlIa різьблення шпильки ідентичний профілю III, а різьблення гайки відповідала ГОСТ 9150-81, тому для забезпечення повної взаємозамінності шпильок і гайок зазор по внутрішньому діаметру збільшили до 80 мкм. Різьба з профілем IV мала радіус западини R = 0, ЗР.
Зовнішній діаметр різьби відповідав ГОСТ 9150-81. Зазор по умовному середньому діаметру, рівному напівсумі зовнішнього і внутрішнього діаметрів різьблення, знаходився в межах допусків, що відповідають посадці 4H / 4h. Відзначимо, що різьблення з R = 0,268Р застосовується поряд авіаційних фірм США для високонавантажених болтів з титанових сплавів.
Різьба з профілем IVa також мала R = 0, ЗР, але в з'єднанні використовувалася стандартна гайка з різьбленням по ГОСТ 9150-81.
Різьба з профілем V мала R = 0,4Р - мінімальні зазори по умовному середньому діаметру відповідали ГОСТ 16093-81. Різьба шпильки з профілем Va мала такий же радіус, але при виробництві гайок різьблення виготовлялася відповідно до ГОСТ 9150-81.
Профіль VI різьблення був аналогічний профілю V, але в цьому випадку різьблення мала плоскосрезанную западину. Профіль VII гайки різьблення не відрізнявся від профілю V, а профіль різьблення шпильки збігався з профілем II.
Виготовлення шпильок і гайок для проведених досліджень
Мал. 4. З'єднання з незавантаженої (в центрі) різьбленням
виготовлення шпильок здійснювалося з сталей 38ХА (σв = 1150 МПа), З0ХГСА (σв = 1650 МПа) і титанового сплаву ВТ9 (σв = 1150 МПа).
Термообробку однієї партії шпильок проводили до виготовлення різьби, шпильки іншої партії піддавали термообробці після виготовлення різьби. Термічна обробка в другому випадку знімала залишкові напруги від механічної обробки.
Гайки виготовляли зі сталі 45 (σв = 95 МПа) і титанового сплаву ВТ9 (σв = 1150 МПа). Різьблення гайок нарізали мітчиками, розміри різьби контролювали десятьма пробками із середніми діаметрами від d2п = d2 - 0,005 мм до d2п = d2 + 0,105 мм. Для випробувань відбирали гайки з мінімальними зазорами Δd.
Різьблення на шпильках однієї партії нарізали на токарно-гвинторізний верстаті різцями з пластинами з твердих сплавів Т15К6 і ВК6, заточеними на оптикошліфувальних верстаті. Профіль різьби шпильок контролювали за допомогою інструментального мікроскопа. Різьба на шпильках другій партії накочувалась на Різьбонакатні верстати при незмінному режимі. Розміри різьблення шпильок вимірювали із застосуванням інструментального мікроскопа. Випробування проводили на машині резонансного типу з частотою 90 ... 98 Гц. Результати випробувань представлені, на рис. 3. і в табл. 3.
Таблиця 3
Значення σап Для з'єднань із сталі 38ХА (σв = 1150 МПа) в залежності від середньої напруги і радіусу западини різьблення
σm / σт σап, МПа при R / P
0 0.12 0.20 0.30 0.40 0.2 - 165 (155) 185 (185) - 150 0.4 95 110 (60) 125 (95) 110 100 0.7 55 75 (40) 85 (60) 95 100 0.9 - 75 85 - 100
Примітка:
1. Різьба М10 накатана на термооброблених заготовках.
2. У дужках наведені дані для з'єднання з сплаву ВТ9 (σв = 1150 МПа).
Місце руйнування шпильки
Встановлено, що руйнування різьбових з'єднань завжди відбувалося в западині між першим і другим робочими витками різьби шпильок. Усталостная тріщина зароджувалася, як правило, поблизу початку переходу від дуги западини радіусу до прямолінійній ділянці, що свідчило про істотну концентрації напружень від вигину витків.
Результати досліджень опору втоми зразків з ненавантаженими робочими гранями витків (рис. 4) підтвердили висновок про превалирующем вплив концентрації напружень від вигину над концентрацією напружень від розтягування.
Межа витривалості таких зразків в 3 рази вище, ніж для різьбових з'єднань з однаковою геометрією різьблення.
Зі збільшенням радіусу западини різьблення концентрація напружень зменшується і міцність з'єднань істотно зростає (див. Рис. 3).
Наприклад, при переході від різьблення з плоскою западиною (профіль II на рис. 2) до різьби з R = 0,1P (профіль I) при dx = idem межа витривалості збільшується на 23%. У разі переходу від плоскої улоговини (профіль VI) до різьби з R = 0,4Р (профіль V) при d1 = idem гранична амплітуда циклу зростає в 2,25 рази.
Вплив діаметральні зазорів на опір кріпильних з'єднань втоми
Опір втоми з'єднань зі збільшеними діаметральними зазорами в різьбі істотно нижче опору втоми з'єднань з мінімальними зазорами, що підтверджують також дані для з'єднань зі сталі 38X А.
Відзначимо, що зменшення перекриття витків (за рахунок збільшення діаметра отвору в гайці під різьбу) призводить х деякого збільшення σап. Це можна пояснити підвищенням піддатливості витків болта і, як наслідок, більш сприятливим розподілом навантаження між витками різьби.
Вплив термообробки заготовки перед накочуванням різьблення на кріплення
Мал. 5. Збільшення межі
витривалості і пластичної
деформації при накоченні
різьблення від радіуса западини
У разі накочування різьблення на термооброблених заготовках (без наступної термообробки шпильок) при R / P> 0,2 межа витривалості знижується. Це пов'язано зі зменшенням значень компонентів напружень стиску в різьбі від накочування або нарізування. На рис. 5 наведені криві зміни збільшення σап і ступеня пластичної деформації δ при накоченні різьблення в залежності від радіуса западини. Значення δ,%, можна обчислити за формулою
δ = (dc-d1) / dc100,
де d1 - внутрішній діаметр різьби; dc - діаметр стержня шпильки (болта) під накочення різьблення.
Мал. 6. Криві зміни мікротвердості в западинах
різьблення
M10 шпильок зі сталі 38XA: 1 R = 0; 2 - R = 0,18 мм; 3 - R = 0,3 мм;
4 - R = 0,46 мм; 5 - R = 0,6 мм; 6-R = 0,3 мм, після термообробки
Аналогічний характер має крива зміни мікротвердості в западинах різьблення для шпильок з різними радіусами (рис. 6.).
Однак при напрузі попереднього затягування σ0≥ 0,5σт напруги стиснення, викликані накочуванням, здебільшого компенсуються напруженнями розтягу від затяжки.
Таким чином, при σ0≥ 0,5σт межа витривалості також зростає зі збільшенням відносини R / P. Значення σап при різних середніх напружених і радіусах западини різьблення наведені в табл. 3.
Мал. 7. Залежність несучої здатності кріплення від
радіусу западини:
1 з'єднання з зазорами в різьбі, відповідними
посадці 6H / 6G;
2 - те ж зі збільшеними зазорами в різьбі
Випробування різьблення кріпильних виробів на міцність
Поряд з випробуваннями на втому для оцінки впливу радіуса западини витків проведені випробування на міцність. Випробовували з'єднання шпильок зі сталі 39XA і гайок зі сталі 45 з різьбленням М10. Результати випробувань представлені на рис. 7 (світлі точки відповідають руйнуванню витків різьби кріпильних виробів, темні - обриву стрижня по різьбі).
Аналіз показує, що при R> 0, ЗР межа міцності з'єднань знижується (в більшій мірі для дрібних різьблень).
Це пов'язано зі зменшенням перекриття витків та прийдешнім збільшенням концентрації напружень в найбільш навантажених перетинах витків. Однак сила, що руйнує різьблення в з'єднаннях з R = 0, ЗР і Н = 0,8d, практично не відрізняється від сили, яка руйнує стрижень шпильки з різьбленням по ГОСТ 9150-81. Міцність різьбових з'єднань зі збільшеними радіусами западини можна підвищити, збільшивши висоту гайки до Н = 1,2d. У динамічно навантажених з'єднаннях радіус западини різьблення доцільно збільшити до R = 0,2Р.
Конструктивний спосіб збільшення радіусу западини різьблення кріплення
Мал. 8. Спеціальний профіль кріпильної різьби M10
Один з конструктивних варіантів різьблення з великим радіусом западини показаний на рис. 8. Межа витривалості даної різьби, без зменшення перекриття витків, приблизно в 2 рази більше межі витривалості звичайної метричної різьби.
Межа витривалості даної різьби, без зменшення перекриття витків, приблизно в 2 рази більше межі витривалості звичайної метричної різьби. Однак різьблення з таким радіусом западини складна у виготовленні при виробництві кріплення. При її виготовленні необхідно ретельне виконання переходів від заокруглення до прямолінійної частини. Просте збільшення радіусу більш прийнятно, хоча також вимагає ретельного виконання цього переходу.
Список літератури
- Якушев А. І., Мустай Р. Х., Мавлютов Р. Р. Підвищення міцності та надійності різьбових з'єднань .. - М.: Машинобудування, 1979. - 214 c.
- Якушев А. І. Вплив технології виготовлення і основних параметрів різьби на міцність різьбових з'єднань .. - М.: Оборонгиз, 1956.
- Sproat RZ, Walker RA Radiused-root threads-are they realey better // Assembly Engng. 1965. N 4 ..
Отримавши доступ до даної сторінки, Ви автоматично приймаєте Користувача угода .
