Вплив радіусу западини різьблення шпильок та болтів на надійність різьбових кріпильних з’єднань,
Різьблення шпильки. У западинах різьблення кріпильного виробу виконано заокруглення.
При збільшенні радіусу западини різьблення шпильок і болтів межа витривалості з'єднань підвищується. Однак у ряді дослідів підвищення міцності зі збільшенням радіусу западини не виявлено. Експерименти дозволяють підвищити межу витривалості різьбових кріпильних сполук зі сталі, титанових та берилієвих сплавів.
Автор: Дроздов М.В., ТОВ «Інженерний Союз»
Дослідження впливу радіусу западини різьблення на довговічність болтів
Перші експерименти з болтами
Мал. 1. Криві зміни роботи удару довговічності з'єднань при різних радіусах западини та внутрішніх діаметрах різьби M10
Перше експериментальне дослідження впливу радіуса западини R різьблення на довговічність сполук виконано Тумом та Штеделем. Вони встановили, що збільшення радіусу R від 01 до 02 мм для болтів М10 підвищує в 2 рази роботу удару W (рис. 1). Пізніше А. І. Якушев досліджував залежність опору втоми з'єднань зболтами із сталі 45 (σв - 720 МПа, σ m = 140 МПа) і болтами зі сталі 40ХН2МА σв - 1300 МПа, σm-250 радіуса западини різьблення (табл. 1).
З аналізу наведених даних випливає, що зі збільшенням R межа витривалості сполук підвищується . Однак у ряді дослідів підвищення міцності зі збільшенням відношення R/P не виявлено. Це пов'язано, мабуть, з різними значеннями залишкових напруг у западинах різьблення при неконтрольованих режимах нарізування.
Результати досліджень западин різьблення кріплення західними лабораторіями
Сопфіт і Філд досліджували опір втоми болтових з'єднань зрізьбленням 3/4" - 10 (d = 19 мм, Р = 2,54 мм) з марганцево-молібденової та вуглецевої сталей при R = (0,069. 0,145) Р. Результати випробувань наведені в табл. 2.
Дані показують, що при збільшенні радіусу R міцність сполуккріплення зростає. У деяких дослідах спостерігалося протилежне: збільшення відношення R/P призводило до зниження межі витривалості.
Це можна пояснити впливом технології виготовлення (режимів нарізування або накочування різьблення, що зумовлюють різну наклеп у поверхневих шарах).
Зазначимо, що у зазначених вище роботах вивчено порівняно вузький діапазон зміни радіусу западини.
Вплив радіусу западини на опір втоми кріпильних виробів
Тим часом подальше збільшення радіуса 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. Ардєєвим і Ю. Г. Рисем досліджували вплив радіусу западини на опір втоми з'єднань у зв'язку з технологією виготовлення татермічною обробкою кріпильних деталей (болтів, шпильок). Випробовували сполукишпильок і гайок з різним профілем різьблення М10; М10х0, 75; М10Х1; М10X 1,25; М16Х1, 5; М16Х2 (рис. 2).
Досліджені профілі різьблення шпильок та болтів. Методи виробництва гайок для досліджень.
Мал. 2. Профілі різьблення
Різьблення з профілем / являло собою звичайне метричне різьблення за ГОСТ 9150-81, відповідно до якого форма западини може виконуватися як плоскозрізаною, так і закругленою, причому радіус западини відноситься до неконтрольованих параметрів різьблення.
Стандарт допускає також деяке неконтрольоване закруглення западини до R max = 0,144 Р ,пов'язане з зношуванням різьбоутворювального інструменту. Різьблення цього типу мало R = 0,12 Р .
Різьблення з профілем II відрізнялося від попередньої наявністю плоскозрізаної западини (R = 0). Таке різьблення широко застосовується в малонавантажених різьбових деталях зі сталей.
Мал. 3. Залежність межі витривалості з'єднань від радіусу западини: 1- з'єднання з мінімальними зазорами в різьбленні, 2 - з'єднання зі збільшеними зазорами
Радіус R = 0,2 Р є найбільшим, при якому забезпечується часткова взаємозамінність зболтами, що мають стандартний профіль різьблення.
Профіль IlIa різьблення шпильки ідентичний профілю III , а різьблення гайки відповідало ГОСТ 9150-81, тому для забезпечення повної взаємозамінності шпильок і гайок зазор по внутрішньому діаметру збільшили до 80 мкм. Різьблення з профілем IV мала радіус западини R = 0, ЗР.
Зовнішній діаметр різьблення відповідав ГОСТ 9150-81. Зазор за умовним середнім діаметром, що дорівнює напівсумі зовнішнього і внутрішнього діаметрів різьблення, знаходився в межах допусків, відповідних посадці 4H/4h. Зазначимо, що різьблення з R = 0,268 Р застосовується рядом авіаційних фірм США для високонавантажених болтів із титанових сплавів.
Різьблення з профілем IVa також мало R = 0,З Р, але в поєднанні використовувалася стандартна гайка з різьбленням за ГОСТ 9150-81.
Різьблення з профілем V мала R = 0,4 Р - мінімальні зазори за умовним середнім діаметром відповідали ГОСТ 16093-81. Різьблення шпильки з профілем Va мала такий самий радіус, але при виробництві гайок різьблення виготовлялося відповідно до ГОСТ 9150-81.
Профіль VI різьблення був аналогічний профілю V, але в цьому випадку різьблення мало плоскозрізану западину. Профіль VII гайки різьблення не відрізнявся відпрофілю V, а профіль різьблення шпильки збігався з профілем II.
Виготовлення шпильок та гайок для проведених досліджень
Мал. 4. З'єднання з незавантаженим (у центрі) різьбленням
Виготовлення шпильок здійснювалося зі сталей 38ХА (σв = 1150 МПа), З0ХГСА (σв = 1650 МПа) та титанового сплаву ВТ9 (σв = 1150 МПа).
Термообробку однієї партії шпильок проводили до виготовлення різьблення, шпильки іншої партії піддавали термообробці після виготовлення різьблення. Термічна обробка у другому випадку знімала залишкові напруги від механічної обробки.
Гайки виготовляли із сталі 45 (σв= 95 МПа) та титанового сплаву ВТ9 (σв = 1150 МПа). Різьблення гайок нарізали мітчиками, розміри різьблення 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 d.
Різьблення на шпильках однієї партії нарізали на токарно-гвинторізному верстаті різцями з пластинами з твердих сплавів Т15К6 і ВК6, заточеними на оптикошліфувальному верстаті. Профіль різьблення шпильок контролювали за допомогою інструментального мікроскопа. Різьблення на шпильках другої партії накочувалося на різьбонакатному верстаті при незмінному режимі. Розміри різьблення шпильок вимірювали із застосуванням інструментального мікроскопа. Випробування проводили машиною резонансного типу з частотою 90 . 98 Гц. Результати випробувань представлені на рис. 3. та в табл. 3.
Примітка: 1. Різьблення М10 накатана на термооброблених заготовках. 2. У дужках наведені дані для з'єднань зі сплаву ВТ9 (σв=1150 МПа).
Місце руйнування шпильки
Встановлено, що руйнування різьбових з'єднань завжди відбувалося у западині між першим та другим робочими витками різьблення шпильок. Втомнатріщина зароджувалася, як правило, поблизу початку переходу від дуги западини радіусу до прямолінійної ділянки, що свідчило про суттєву концентрацію напруги від вигину витків.
Результати досліджень опору втоми зразків з ненавантаженими робочими гранями витків (рис. 4) підтвердили висновок про превалюючий вплив концентрації напруги від вигину над концентрацією напруги від розтягування.
Межа витривалості таких зразків у 3 рази вища, ніж для різьбових з'єднань з однаковою геометрією різьблення.
Зі збільшенням радіуса западини різьблення концентрація напруг зменшується і міцність сполук суттєво зростає (див. рис. 3).
Наприклад, при переході від різьблення з плоскою западиною (профіль II на рис. 2) до різьблення з R = 0,1 P (профіль I ) при dx = idem межа витривалості збільшується на 23 %. У разі переходу від плоскої западини (профіль VI) до різьблення з R = 0,4 Р (профіль V) при d1 = idem гранична амплітуда циклу зростає в 2,25 рази.
Вплив діаметральних зазорів на опір кріпильних з'єднань втоми
Опір втоми з'єднань зі збільшеними діаметральними зазорами в різьбленні істотно нижче опору втоми з'єднань з мінімальними зазорами , що підтверджують дані для з'єднань зі сталі 38X А.
Зазначимо, що зменшення перекриття витків (за рахунок збільшення діаметра отвору в гайці під різьблення) призводить до деякого збільшення σап. Це можна пояснити підвищенням податливості витків болта і, як наслідок, сприятливішим розподілом навантаження між витками різьблення.
Вплив термообробки заготовки перед накочуванням різьблення на кріплення
Мал. 5. Збільшення межі витривалості та пластичної деформації при накочуванні різьблення від радіусу западини
У разі накочування різьблення на термооброблених заготовках (без подальшої термообробки шпильок) при R/P > 0,2 межа витривалості знижується. Це пов'язано зі зменшенням значень компонентів напруги стиснення в різьбленні від накочування або нарізування. На рис. 5 наведені криві зміни збільшення σап і ступеня пластичної деформації при накочуванні різьблення в залежності від радіусу западини. Значення δ, % можна обчислити за формулою
де d1 - Внутрішній діаметр різьблення; dc - діаметр стрижня шпильки (болта) під накочування різьблення.
Мал. 6. Криві зміни мікротвердості у западинах різьби
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 у западинах різьблення для шпильок з різними радіусами (рис. 6).
Однак при напрузі попередньої затяжки σ0≥ 0,5σт напруги стиснення, викликані накочуванням, переважно компенсуються напругою розтягування від затягування.
Таким чином, при σ0≥ 0,5σт межа витривалості також зростає зі збільшенням відношення R/P. Значення σап при різних середніх напругах і радіусах западини різьблення наведено в табл. 3.
Мал. 7. Залежність несучої здатності кріплення від радіусу западини: 1— з'єднання з зазорами в різьбленні, що відповідають посадці 6H/6G; 2 — те саме зі збільшеними зазорами в різьбленні
Випробування різьблення кріпильних виробів на міцність
Поряд із випробуваннями на втому для оцінки впливу радіусу западини витків проведено випробування на міцність. Випробовували з'єднання шпильок зі сталі 39XA і гайок зі сталі 45 з різьбленням М10. Результати випробовуваньпредставлені на рис. 7 (світлі точки відповідають руйнуванню витків різьбленнякріпильних виробів, темні - обриву стрижня з різьблення) .
Аналіз показує, що з R > 0,З Р межа міцності сполук знижується (переважно для дрібних різьблень).
Це пов'язано із зменшенням перекриття витків та збільшенням концентрації напруг у найбільш навантажених перерізах витків. Однак сила, що руйнує різьблення в з'єднаннях з R = 0,З Р і Н = 0,8 d практично не відрізняється від сили, що руйнує стрижень шпильки з різьбленням за ГОСТ 9150-81. Міцність різьбових з'єднань із збільшеними радіусами западини можна підвищити, збільшивши висоту гайки до Н = 1,2 d. У динамічно навантажених сполуках радіус западини різьблення доцільно збільшити до R = 0,2Р.
Конструктивний спосіб збільшення радіуса западини різьблення кріплення
Мал. 8. Спеціальний профіль кріплення різьблення M10
Один із конструктивних варіантів різьблення з великим радіусом западини показаний на рис. 8. Межа витривалості аналізованого різьблення, без зменшення перекриття витків, приблизно в 2 рази більше межі витривалості звичайного метричного різьблення.
Межа витривалості аналізованого різьблення, без зменшення перекриття витків, приблизно в 2 рази більше межі витривалості звичайного метричного різьблення. Однак різьблення з таким радіусом западини складна у виготовленні при виробництві кріплення . При її виготовленні необхідне ретельне виконання переходів від заокруглення прямолінійної частини. Просте збільшення радіуса прийнятніше, хоча також вимагає ретельного виконання цього переходу.
Список літератури
- Якушев А. І., Мустаєв Р. Х., Мавлютов Р. Р. Підвищення міцності та надійності різьбових з'єднань. – М.: Машинобудування, 1979. – 214 c.
- Якушев А. І. Вплив технології виготовлення та основних параметрів різьблення на міцність різьбових з'єднань .. - М.: Оборонгіз, 1956.
- Sproat R. Z., Walker R. A. Radiused-root threads-are they realey better // Assembly Engng. 1965. N 4.
Отримавши доступ до цієї сторінки, Ви автоматично приймаєте Угоду користувача.
- Фланці
- Фланці комірні
- Фланці плоскі
- Фланці судин та апаратів
- Заглушки фланцеві
Виготовимо фланці литі, заготовки зі сталі 09Г2С, сталь 20, Ст 08Х18Н10Т, 15Х5М