Технические статьи

ГлавнаяТехнические статьиКрепежШпилькиПроизводство → Производство шпилек. Накатывание резьбы на шпильки. Остаточные напряжения в резьбе при изготовлении шпилек.

Производство шпилек. Накатывание резьбы на шпильки. Остаточные напряжения в резьбе при изготовлении шпилек.

Резьбонакатной станок UPW-12,5 (70мм), используемый при производстве шпилек.

Резьбонакатной станок UPW-12,5 (70мм), используемый при производстве шпилек.

Для производства высокопрочных шпилек необходимо исследовать влияние различных технологических характеристик процесса накатывания резьбы на прочностные свойства шпилек. Технология изготовления шпилек задаёт предел прочности и предел выносливости шпилек.

Дата публикации: 8 июля 2011

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

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

Остаточные напряжения в резьбе при производстве шпилек

Механический метод определения остаточных напряжений в резьбе шпилек

С. И. Иванов и другие учёные для изучения остаточных напряжений в шпильках и болтах использовали механический метод. Этот метод основывается на:

  1. последовательном удалении слоёв напряжённой части металлического тела,
  2. измерении возникающих при этом перемещений образцов или детали и
  3. определении по ним значения и знака напряжений по сечению исследуемого тела.

Остаточные напряжения в поверхностных слоях резьбы шпилек.

Рисунок 1. Остаточные
напряжения в поверхностных
слоях резьбы шпилек

Микротрещины — одно из наиболее опасных явлений, которые пагубно влияет на крепёж, точнее, на механические свойства шпилек.

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

При этом исследователи свойств шпилек полагали, что остаточные напряжения во впадинах резьбы приблизительно одинаковы из-за
близких и подобных условий формирования впадин.

Связь перемещений волокон образцов шпилек в процессе травления и остаточных напряжений в них устанавливали на основании метода колец и полос, описанного в работах И. А. Биргера.

Остаточные напряжения определялись по 20 образцам с последующей статистической обработкой результатов эксперимента. Образцы могут быть вырезаны из болтов М10 (или шпилек М10), изготовленных из титанового сплава ВТ9.

В начало

Изготовление шпилек для эксперимента

Резьба на шпильках накатывалась на станке UPW: 12,5×70 на упоре с усилием в гидроцилиндре 98100 H при частоте вращения роликов n = 20 мин-1 в течение 1,2 с.

В начало

Накатывание резьбы на шпильках

Сначала на всех шпильках резьба накатывалась в условиях незаполненного контура (читайте статью «Изготовление болтов...»). Затем
на части образцов шпилек производили повторное накатывание резьбы в условиях заполненного контура (ролики сближали на 0,3 мм).

На рисунке 1 показаны кривые изменения осевых σz и окружных σθ напряжений во впадинах резьбы. Сплошные линии соответствуют накатыванию резьбы при изготовлении шпилек с заполненным контуром роликов, штриховые — накатыванию с незаполненным контуром резьбонакатного инструмента; a — толщина стравленного слоя.

Из рисунка 1 видно, что осевые напряжения сжатия в резьбе шпилек в последнем случае в 1,6 раза выше. Эти напряжения способствуют существенному повышению прочности соединений шпилек с резьбой, полученной в условиях незаполненного контура.

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

В начало

Прочность резьбовых соединений шпилек

Прочность резьбовых соединений шпилек или болтов с гайками, как и точность основных размеров резьбы, зависит от степени заполнения контура инструментов и режима накатывания при производстве крепежа.

В начало

Производство высокопрочных шпилек

Предел прочности σв соединений определяется

  1. прочностью заготовки шпильки и
  2. степенью наклёпа после накатывания.

В связи с этим по мере заполнения контура роликов и последующего их радиального перемещения σв шпилек возрастает на 40…60 % по сравнению с пределом прочности материала заготовки.

Повышение прочности при производстве шпилек происходит

  1. за счёт образования объёмного напряженного состояния в резьбе шпильки (как в концентраторе напряжений) и 
  2. вследствие деформационного упрочнения материала в процессе накатывания.

В начало

Предел прочности шпилек

В случае, когда производство шпилек включает накатывание в условиях незаполненного контура, изменение режимов обработки больше влияет на физико-механические свойства поверхностных слоев металла, чем на деформационное упрочнение стержня, поэтому лишь значительное увеличение радиальной подачи приводит к заметному повышению предела прочности резьбовых соединений.

Если же производство высокопрочных шпилек осуществляется с накатыванием резьбы в условиях заполненного контура, по мере внедрения роликов в заготовку увеличиваются степень и глубина наклёпа и, как следствие, предел прочности резьбовых соединений.

В начало

Предел выносливости шпилек

Зависимости предела выносливости соединений шпилек от силы и продолжительности накатывания

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

Предел выносливости σап резьбовых шпилек в большей степени, чем предел прочности, определяется физико-механическими свойствами поверхностных слоев резьбы шпильки, поэтому на прочность соединений при переменном нагружении условия формирования резьбы оказывают решающее влияние.

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 (рисунок 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 на шпильки резьбы.

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 соединений шпилек.

В начало

Скорость накатывания резьбы при изготовлении высокопрочных шпилек

Так как предельная сила, соответствующая началу заполнения контура резьбонакатного инструмента, зависит

  • от скорости радиального движения подачи ролика и
  • частоты вращения заготовки шпильки (окружной скорости инструментов),

то и предел выносливости шпильки 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, следовательно, к снижению предела выносливости шпилек.

Увеличение продолжительности накатывания резьбы приводит в этом случае к осевой вытяжке металла шпильки и ещё 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. По этой причине влияние частоты вращения роликов на параметры процесса аналогично влиянию длительности процесса (рисунок 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 = 2nτ,

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

Результаты исследований показали, что при одинаковой степени заполнения контура инструментов и nτ = 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 шпильки, 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.

При накатывании с заполненным контуром прочность соединений шпилек зависит от длительности процесса. При малой его продолжительности и большой радиальной подаче профиль резьбы шпильки становится эллипсообразным, а заполнение контура носит локальный характер.

По мере увеличения продолжительности накатывания происходит раскатка стержня шпильки, сопровождаемая осевой вытяжкой, и наблюдается резкое снижение предела выносливости соединений (кривая 1 на рисунке 2), связанное с заполнением контура по всему периметру резьбы шпильки.

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

В начало

Оптимальные параметры изготовления шпилек

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

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

Продолжительность процесса накатывания можно указать лишь для сведения.

Резьбу сверхвысокопрочных шпилек болтов накатывают с подогревом заготовок (с целью повышения износостойкости инструмента), хотя при этом несколько снижается сопротивление соединений усталости.

Бесцентровое шлифование заготовок шпилек под накатывание не снижает (по сравнению с точением) предела выносливости соединений шпилек. 

В начало

Список литературы

  1. Ретшер Ф. Детали машин : в 2-х томах.. – М. : Госмашметиздат. 1933-1934г..
  2. Якушев А. И., Мустаев Р. Х., Мавлютов Р. Р. Повышение прочности и надежности резьбовых соединений.. – М. : Машиностроение, 1979. – 214 c.
  3. Якушев А. И. Влияние технологии изготовления и основных параметров резьбы на прочность резьбовых соединений.. – М. : Оборонгиз, 1956.
  4. Биргер И. А., Шорр Б. Ф., Иосилевич Б. Г. Расчёт на прочность деталей машин.. – М. : Машиностроение, 1979. – 702 c.

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

Рейтинг@Mail.ru
Rambler's Top100