Технические статьи

ГлавнаяТехнические статьиКрепежПроизводство → Остаточные напряжения в резьбе при производстве крепежа

Остаточные напряжения в резьбе при производстве крепежа

Стальной болт с шестигранной головкой

Стальной болт с шестигранной головкой

Исследование остаточных напряжений методом последовательного удаления слоев напряженной части крепежной детали. Осевые напряжения сжатия в резьбе болтов способствуют повышению прочности соединений с резьбой, полученной в условиях незаполненного контура. Влияние на осевые напряжения на впадинах оказывают скорость радиального движения подачи, частота вращения заготовки, длительность калибрования.

Дата публикации: 16 апреля 2011

Автор: Дроздов М.В., ООО «Инженерный Союз»

Разместите статью о трубопроводах в данном каталоге
Ваша информация на каталоге технических статей

Исследование остаточных напряжений в резьбе крепежных изделий

Возникновение остаточных напряжений в резьбе крепежных изделий исследовали С. И. Иванов и другие ученые. Они использовали механический метод, основанный на последовательном удалении слоев напряженной части металлического тела, измерении возникающих при этом перемещений образцов или детали и определении по ним значения и знака напряжений по сечению исследуемого тела. 

Кривые изменения остаточных напряжений в поверхостных слоях резьбы

Рис. 1. Кривые изменения остаточных
напряжений в поверхностных слоях
резьбы

Связь перемещений волокон и остаточных напряжений болта

Так как наиболее вероятными очагами зарождения трещин являются впадины витков резьбы болта, послойному травлению подвергались лишь поверхностные слои этих зон образцов (стержней и колец, вырезанных из резьбовой части болта), а остальные части поверхностей витков изолировались с помощью лака. 

При этом полагали, что остаточные напряжения во впадинах резьбы приблизительно одинаковы из-за близких и подобных условий формирования впадин. Связь перемещений волокон образцов в процессе травления и остаточных напряжений в них устанавливали на основании метода колец и полос, описанного в работах И. А. Биргера. 

Остаточные напряжения определяли по 17...20 образцам с последующей статистической обработкой. Образцы вырезали из болтов с резьбой М10, изготовленных из титанового сплава ВТ9.

Кривые изменения осевых и окружных напряжений во впадинах резьбы болтов

Резьба на болтах накатывалась на станке UPV — 12,5x70 на упоре с усилием в гидроцилиндре 98,1 кН при частоте вращения роликов n = 20 мин-1 в течение 1,2 с. Сначала на всех образцах резьба накатывалась в условиях незаполненного контура. Затем на части образцов проводили повторное накатывание резьбы в условиях заполненного контура (ролики сближали на 0,3 мм). 

На рис. 1 показаны кривые изменения осевых σ2 и окружных σ0 напряжений во впадинах резьбы. Сплошные линии соответствуют накатыванию с заполненным контуром роликов, штриховые — накатыванию с незаполненным контуром; а — толщина стравленного слоя. Видно, что осевые напряжения сжатия в резьбе болтов в последнем случае в 1,6 раза выше. Эти напряжения способствуют существенному повышению прочности соединений с резьбой, полученной в условиях незаполненного контура.

Согласно результатам экспериментальных исследований, наибольшее влияние на осевые напряжения на впадинах оказывает длительность калибрования, при котором, как и при шлифовании, осевые напряжения сжатия переходят в напряжения растяжения, способствуя снижению пределов выносливости. 

Прочность резьбовых соединений при накатывании резьбы на крепеж

Прочность резьбовых соединений, как и точность основных размеров резьбы, зависит от степени заполнения контура инструментов и режима накатывания резьбы на крепеж.

Предел прочности σв соединений определяется прочностью заготовки и степенью наклепа после накатывания. В связи с этим по мере заполнения контура роликов и последующего их радиального перемещения ав возрастает на 40...60 % по сравнению с пределом прочности материала заготовки. Повышение прочности происходит за счет образования объемного напряженного состояния в резьбе (как в концентраторе напряжений) и вследствие деформационного упрочнения материала в процессе накатывания.

Накатывание резьбы в условиях незаполненного и заполненного контура

При накатывании в условиях незаполненного контура изменение режимов обработки больше влияет на физико-механические свойства поверхностных слоев металла крепежной детали, чем на деформационное упрочнение стержня, поэтому лишь значительное увеличение радиальной подачи приводит к заметному повышению предела прочности резьбовых соединений.

При накатывании в условиях заполненного контура по мере внедрения роликов в заготовку увеличиваются степень и глубина наклепа и, как следствие, предел прочности резьбовых соединений. Предел выносливости в большей степени, чем предел прочности, определяется физико-механическими свойствами поверхностных слоев резьбы, поэтому на прочность соединений при переменном нагружении условия формирования резьбы оказывают решающее влияние.

Предельная сила зависит от нескольких параметров

Зависимости предела выносливости соединений от силы (а) и продолжительности (б) накатывания при различной степени заполнения контура инструмента

Рис. 2. Зависимости предела выносливости соединений от силы (а)
и продолжительности (б) накатывания при различной степени
заполнения контура инструмента λ

В случае накатывания с незаполненным контуром по мере увеличения силы накатывания долговечность и предел выносливости соединений (при np = idem, τ = idem) несколько возрастает к моменту заполнения контура (рис. 2.). При накатывании в заполненном контуре происходит раскатка материала заготовки с интенсивной осевой вытяжкой поверхностных пластически деформированных слоев, приводящая к резкому снижению сопротивления усталости. Это подтверждается и результатами исследований физико-механических свойств накатанной резьбы.

Отметим, что подобная зависимость предела выносливости от радиальной нагрузки на ролики сохраняется и при изменении параметров режима накатывания (радиальной подачи, частоты вращения инструментов и т. п.). При одинаковых параметрах режима накатывания большей степени заполнения контура соответствует большее значение σап, накатывание в условиях заполненного контура приводит к снижению предела выносливости крепежных соединений.

Предел выносливости резьбовых крепежных деталей в зависимости от скорости радиального движения подачи и частоты вращения заготовки при производстве крепежа

Так как предельная сила, соответствующая началу заполнения контура (при прочих равных условиях), зависит от скорости радиального движения подачи ролика и частоты вращения заготовки (окружной скорости инструментов), то и предел выносливости оказывается зависимым от этих параметров.

С увеличением скорости радиального движения подачи сокращается длительность заполнения контура, увеличивается эллипсообразность профиля резьбы, которая при больших радиальных подачах может привести к локальному заполнению контура и, как следствие, к снижению предела выносливости. Увеличение продолжительности накатывания резьбы при производстве крепежа приводит в этом случае к осевой вытяжке металла и еще большему снижению значения σап.

При повышении частоты вращения роликов уменьшается продолжительность процесса заполнения контура инструментов, т. е. при неизменных длительности и силе накатывания с увеличением частоты вращения инструментов увеличивается глубина внедрения роликов в тело заготовки. Поэтому влияние частоты вращения роликов на параметры процесса аналогично влиянию длительности процесса (рис. 2, б).

Для комплексной оценки влияния частоты вращения заготовки n3 (мин)-1 и длительности процесса τ (мин) введем условное число циклов деформирования металла при накатывании 

Nд = 2n3τ,

где множитель 2 учитывает, что в течение одного оборота каждая точка заготовки дважды касается роликов (т. е. подвижного и неподвижного).

Результаты исследований В. Г. Петрикова показали, что при одинаковой степени заполнения контура инструментов и n3τ = idem пределы выносливости резьбовых соединений практически одинаковы. 

Так как упор ограничивает максимальное перемещение подвижного ролика при силе накатывания, превышающей предельную, и существенно уменьшает отклонения размеров резьбы, с его помощью можно исключить накатывание резьбы в заполненном контуре и обеспечить высокое сопротивление усталости резьбовых соединений независимо от колебаний параметров режима накатывания, например, из-за нарушений работы гидросистемы или реле времени.

Таблица 1.

Значения σап для резьбовых соединений в зависимости от степени заполнения контура витков резьбонакатных роликов
Материал болта σв, MПа Резьба τ, с σап,MПа при
λ<1 λ>1
Сталь 30 ХГСА 1281 M6 0.8 174.6 150.0
1176 M6 2.0 108.0 87.8
1176 M10 1.2 117.1 88.2
Сплав ВТ16 ВТ9 1017 M6 0.8 98.1 61.3
1176 M10 1.2 120.6 81.6
Сплав ВНС-17 1608 M6 0,8 191,2 150,0
1443 M6 0.8 154.9 123.6
Сталь 45 620 M6 0.8 98.1 67.1
12X18H9 589 M6 0.8 118.7 87.8
Сплав Д1П 195 M6 0.8 28.3 20.7

Влияние длительности процесса накатки резьбы на прочность болтов и шпилек

При накатывании с заполненным контуром прочность болтов и шпилек зависит от длительности процесса. При малой его продолжительности и большой радиальной подаче профиль резьбы шпилек и болтов становится эллипсообразным, а заполнение контура носит локальный характер. По мере увеличения продолжительности накатывания происходит раскатка стержня, сопровождаемая осевой вытяжкой, и наблюдается резкое снижение предела выносливости соединений (кривая 1 на рис. 2), связанное с заполнением контура по всему периметру резьбы.

При накатывании с незаполненным контуром по мере увеличения продолжительности накатывания возрастает τк и снижается σап резьбовых соединений (кривая 2 на рис. 2) вследствие уменьшения осевых остаточных напряжений сжатия. Если в процессе калибрования происходит (хотя и небольшое) внедрение инструментов в тело заготовки, то при заполнении контура предел выносливости резьбовых соединений уменьшается в большей степени.

Столь же существенное влияние степени заполнения контура инструментов на предел выносливости резьбовых соединений характерно и для других материалов (табл. 1).

Выводы для повышения прочности при производстве крепежных изделий

На основании анализа результатов экспериментальных исследований механики процесса накатывания и прочности соединений можно рекомендовать следующие контролируемые параметры режима накатывания резьбы при производстве крепежных изделий:

  • максимальное сближение инструментов от начала касания заготовки с инструментами (0,95 ... 0,99) h мм;
  • радиальная подача более 0,4 мм/об;
  • продолжительность калибрования 1/n3, с;
  • смазочный материал — эмульсия.

Продолжительность процесса накатывания можно указать лишь для сведения.

Заключение

Отметим, что резьбу сверхвысокопрочных болтов накатывают с подогревом заготовок (с целью повышения износостойкости инструмента), хотя при этом несколько снижается сопротивление соединений усталости. Заметим также, что бесцентровое шлифование заготовок крепежа под накатывание не снижает (по сравнению с точением) предела выносливости соединений.

Список литературы

  1. Якушев А. И., Мустаев Р. Х., Мавлютов Р. Р. Повышение прочности и надежности резьбовых соединений.. – М. : Машиностроение, 1979. – 214 c.
  2. Якушев А. И. Влияние технологии изготовления и основных параметров резьбы на прочность резьбовых соединений.. – М. : Оборонгиз, 1956.

Получив доступ к данной странице, Вы автоматически принимаете Пользовательское соглашение.

Rambler's Top100