книги из ГПНТБ / Биргер И.А. Резьбовые соединения
.pdfСпециальные исследования влияния радиуса закругления во впадинах на выносливость резьбовых соединений проведены Сопфитом и Филдом [54].
Исследовалась |
выносливость болтовых |
соединений с резьбой 3 / 4 " (d = 19 мм, |
|
S = |
2,54 мм) из марганцемолибденовой |
и углеродистой сталей. Радиус закругле |
|
ния |
изменялся |
от r = 0.069S до г = 0.145S. Результаты испытаний приведены |
|
в табл. 37. Данные показывают, что при увеличении радиуса закругления выно сливость соединений возрастает. В некоторых опытах наблюдалось обратное явление, когда увеличение отношения r/S приводило к снижению аап. Послед нее можно объяснить также рассмотрением влияния конструктивного фактора в отрыве от технологии изготовления (режимов нарезания или накатывания
резьбы, |
обусловливающих |
различный наклеп |
в |
поверхностных |
слоях). |
|||||
37. Влияние |
радиуса закругления во впадинах витков на выносливость |
|||||||||
|
|
соединений с метрической |
резьбой |
|
|
|
||||
|
(а = |
60°) и резьбой |
Витворта |
(а = |
55°). Резьба 3 /4 "—10 |
|
||||
Материал болта |
Способ изготов ления резьбы |
Угол профиля а в градусах |
Радиус закруг ления г в мм |
Предельная амплитуда напряжении о в кгс/мм' |
Материал болта |
|
Способ изготов ления резьбы |
Угол профиля а в градусах |
Радиус закруг ления г в ММ |
Предельная амплитуда напряжений а в кгс/мм' ап |
|
|
|
|
|
[ |
|
|
|
|
|
сталь |
(а |
Маргаицемолибденовая |
|
|
) кгс/мм 2 |
|
98,4= |
|
в |
|
0,368 |
10,35 |
|
60 |
0,282 |
8,95 |
|
Шлифо |
0,175 |
8,8 |
|
|
|
||
вание |
0,348 |
9,85 |
|
|
|||
55 |
0,272 |
8,8 |
|
|
0,168 |
7,9 |
|
60 |
0,356 |
21,95 |
|
0,264 |
16,15 |
||
|
|||
Накаты |
|
|
|
вание |
|
|
|
55 |
0,348 |
17,6 |
|
0,256 |
15,45 |
||
|
Углеродистая сталь (а = 61,4 кгс/мм2) 8
|
0,374 |
6 |
|
60 |
0,280 |
5,6 |
|
Нареза |
0,190 |
6,15 |
|
|
|
||
ние |
0,348 |
5,6 |
|
55 |
|||
0,269 |
4,4 |
||
|
0,173 |
5,6 |
|
|
0,343 |
12,15 |
|
60 |
0,254 |
11,4 |
|
Накаты |
0,180 |
11,4 |
|
|
|
||
вание |
0,302 |
9,85 |
|
55 |
|||
0,246 |
12,3 |
||
|
0,165 |
12,5 |
Отметим, что в указанных выше работах рассмотрен лишь узкий диапазон изменения радиуса закругления. Между тем, дальнейшее увеличениерадиуса открывает большие возможности для повышения выносливости как резьбовых соединений из стали, так и особенно соединений из титановых и бериллиевых сплавов.
Авторами * исследовалось |
влияние |
радиуса закругления на |
выносливость |
||||
резьбовых |
соединений в тесной связи с технологией изготовления |
и термической |
|||||
обработкой |
резьбовых деталей. |
|
|
|
|
||
Испытывали |
соединения |
шпилек и |
гаек (MIO X 0,75; |
MIO х 1,0; |
MIO X |
||
X 1,25; MIO X |
1,5; М16 X 1,5 и М16 X 2,0) с различным |
исполнением |
резьбы |
||||
(рис. 186). |
|
|
|
|
|
|
|
Резьба типа / представляет собой обычный профиль метрической резьбы по |
|||||||
ГОСТу 9150—59. В соответствии с этим |
ГОСТом форма впадины |
может |
выпол- |
||||
' Совместно с Ж . А. Ардеевым и Ю. Г. Рысь.
170
няться как плоскосрезанной, так и закругленной *. Радиус впадины резьбы Данного типа г ^=0,12 6'. Резьба подобного профиля ( r m a x -= 0,144 5; r m l n = = 0,108 5) применяется в изделиях авиационной промышленности.
|
Рис. 186. Профили резьбы различных типов |
|
|
|
||||
Резьба типа 2 отличается от предыдущей наличием плоскосрезанной |
впадины |
|||||||
(г == 0) и широко применяется в резьбовых деталях |
из сталей. |
|
|
|
||||
Резьба типа 3 имеет радиус закругления в основании |
г — 0,2 5. |
Такое зна |
||||||
чение радиуса близко к рекомендуемому ИСО гт |
= |
0,18 |
S. |
|
|
|
||
* |
В настоящее время |
р а д и у с з а к р у г л е н и я во впадинах |
витков принадлежат |
к |
некон |
|||
тролируемым параметрам резьбы. Стандарт на этот тип |
резьбы |
допускает |
т а к ж е |
неко |
||||
торое |
неконтролируемое скругление впадины д о г т а х «= 0,144 S, получаемое вследствие |
|||||||
износа |
р е з ь б о о б р а з у ю щ е г о |
инструмента. |
|
|
|
|
|
|
171
38. Основные размеры резьбы шпилек и значения пределов выносливости
1
резьбы рис.1S6) |
"s |
|
|
г |
|
Тип (см. |
|
|
/ |
0,1 |
|
2 |
0 |
|
5 |
0,2 |
|
За |
||
|
40,3
4а
50,4
5а
60
20
30,2
40,3
50,4
Д и а м е т р |
резьбы в мм |
Ліини- |
Предельная амплитуда о д п |
|||||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
мальный |
в кгс/мм1 |
для шпилек из |
|
• с |
|
о Е |
- |
|
заяор |
|
|
|
|
|
|
в с о е д и |
|
|
|
||
a * |
ï |
а Э ч |
|
|
стаЛп |
стали |
сплава |
|
>>« * |
X я * - |
нении р |
||||||
ГС л (и |
~ к со |
в мкм |
38ХА |
30Х ГСА |
ВТ9 |
|||
S X |
ч |
я X с; |
и s "а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Резьб ы М10 |
|
|
|
|
|
|
8,02 |
|
8,5 |
0 |
5,5 |
6,5 |
6,5 |
|
|
8,02 |
|
8,5 |
0 |
4,2 |
|
4,5 |
10 |
|
8,32 |
|
8,65 |
0 |
7,0 |
7,5 |
7,5 |
|
|
8,23 |
8,5 |
80 . |
6,8 |
|
|
|
|
|
8,62 |
|
9,05 |
0 |
8,0 |
— |
8,0 |
|
|
8,29 |
|
8,5 |
320 |
7.0 |
|
|
10 |
|
8,92 |
|
9,5 |
0 |
9,2 |
9,5 |
9,0 |
9,7 |
8,32 |
|
8,5 |
620 |
7,5 |
|
|
|
10 |
|
8,95 |
8,5 |
— |
4,0 |
4,0 |
— |
|
|
8,02 |
|
4,5 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Резьба 1MlOxl.25 |
|
|
|
|
|
|
8,47 |
|
8,75 |
|
4,0 |
— |
4,5 |
10 |
|
8,60 |
|
9,16 |
0 |
7,0 |
7,0 |
|
|
8,80 |
|
9,35 |
8,0 |
|
7,8 |
||
|
|
|
|
|
||||
|
|
9,05 |
9,60 |
|
9,5 |
|
8,8 |
|
|
|
|
|
Резьба |
MWxLO |
|
|
|
|
||
1 |
0.1 |
10 |
8,75 |
8,9 |
|
|
0 |
6,5 |
|
— |
4,5 |
2 |
0 |
8,75 |
8,9 |
|
|
4,5 |
|
|
|||
3 |
0,2 |
|
8,88 |
9,1 |
|
|
|
7,5 |
|
|
7,5 |
|
|
|
|
°езьба |
1M10X0J5 |
|
|
|
|
||
2 |
0 |
|
9,08 |
9.16 |
|
|
|
4,5 |
|
|
5,0 |
3 |
0,2 |
10 |
9,16 |
9,31 |
|
|
0 |
7,5 |
|
7,5 |
7,5 |
4 |
0,3 |
|
• 9,2 |
9,45 |
|
|
9,0 |
|
8,5 |
|
|
|
|
|
|
РезьСа М16 |
|
|
|
|
|||
2 |
0 |
|
13,53 |
14,0 |
|
|
|
5,0 |
|
— |
— |
3 |
0,2 |
16 |
13,77 |
14.2 |
|
|
0 |
7,5 |
|
||
4 |
0,3 |
14,17 |
14,8 |
|
|
8,0 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
5 |
0,4 |
|
14,57 |
15,4 |
|
|
|
9,0 |
|
|
|
|
|
|
|
Резьба |
М16Х1.5 |
|
|
|
|
||
2 |
0 |
|
14,2 |
14,5 |
|
|
|
5,0 |
|
— |
— |
3 |
0,2 |
16 |
14,32 |
14,65 |
|
0 |
7,0 |
|
|
|
|
4 |
0,3 |
14,62 |
15,05 |
|
8,0 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||||
5 |
0,4 |
|
14,92 |
15,55 |
|
|
8,8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Резьба |
M |
16x1 |
|
|
|
|
|
2 j |
0 |
і 16 |
1 14,75 1 14,0 |
; |
0 |
) |
4,5 | |
— |
[ |
— |
|
П р и м е ч а н и е . |
Резьба |
нарезана . |
Среднее |
н а п р я ж е н и е |
о = |
20 кгс/мм'. |
|||||
Высота |
гайки |
Н = 0,Ы. |
|
|
|
|
|
т |
|
|
|
172
Резьба этого профиля является основной для крепежных деталей из тита новых сплавов в авиационной и ракетной промышленности в США, во Франции, Англии и ФРГ. Подобный профиль резьбы применяется за рубежом также для болтов из тугоплавких ниобиевых и танталовых сплавов и для болтов из бериллиевых сплавов.
Радиус закругления г = 0,2 S является наибольшим, при котором обеспе чивается частичная взаимозаменяемость болтов с такой резьбой и болтов, имею щих стандартный профиль резьбы.
Резьба типа За имеет тот же профиль, резьбы шпильки, как и предыдущий но резьба гайки соответствует ГОСТу 9150—59. Поэтому для обеспечения полной взаимозаменяемости шпилек и гаек зазор по внут
реннему диаметру был увеличен до е = 80 |
мкм. |
|
|
бдп, кгс/мм |
|
|
|||||||||||||||
|
Резьба |
типа |
4 имеет радиус закругления |
впа |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
дины |
г = 0,3 S. |
Наружный |
диаметр резьбы |
соот |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
ветствует ГОСТу 9150—59. Зазор по условному |
|
|
|
|
1 |
/ |
|
||||||||||||||
среднему диаметру * находится в пределах допу |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
сков |
по 1-му |
классу точности. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Отметим, что резьба с г = |
0,268 S применяется |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
некоторыми американскими |
авиационными |
фирмами |
|
|
|
|
2 |
|
|
||||||||||||
для |
болтов, |
работающих |
в |
критических |
условиях |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
и изготовляемых |
из титановых |
сплавов. |
|
|
|
|
|
|
: |
|
|
|
|||||||||
|
Резьба |
профиля 4а также |
имеет г = |
0,3 S, но |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
в |
соединении |
используется |
|
стандартная |
гайка |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
с резьбой по ГОСТу 9150—59. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Резьба |
типа 5 имеет г = |
0,4 5 |
и минимальные |
|
0 |
|
0,1 |
0,2 |
О,J r/s |
|||||||||||
зазоры по условному среднему диаметру |
в |
соот |
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
ветствии с ГОСТом 9253—59. |
|
|
|
|
|
|
Рис. |
187. Изменение |
пре |
||||||||||||
|
Резьба типа 5а имеет |
тот же радиус, но сопря |
дела |
выносливости соеди |
|||||||||||||||||
гается с гайкой, имеющей резьбу по ГОСТу 9150—53. |
нения |
в |
зависимости |
от |
|||||||||||||||||
|
Резьба типа 6 соответствует профилю резьбы |
радиуса |
закругления |
во |
|||||||||||||||||
типа 5, но имеет плоскосрезанную |
впадину. |
|
|
|
|
|
впадинах: |
|
|||||||||||||
|
Резьба |
типа |
7 |
имеет |
|
одинаковую с профилем |
/ |
— соединения имели |
ми |
||||||||||||
резьбы типа |
|
5 |
резьбу гайки, |
по профиль резьбы |
|||||||||||||||||
|
нимальные |
зазоры |
в резьбе; |
||||||||||||||||||
шпильки совпадает с профилем резьбы типа 2. |
|
2 — то |
же , с увеличенными |
||||||||||||||||||
|
Основные размеры резьбы шпилек и гаек, ис |
|
|
|
зазорами |
|
|
||||||||||||||
пользованных в испытаниях, |
приведены в |
табл. 38. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
Шпильки |
изготовлялись |
из |
сталей |
38ХА |
(ав |
= |
115 |
|
кгс/мм1), |
ЗОХГСА |
||||||||||
(о„ = |
165 кгс/мм2) |
и титанового |
сплава, ВТ9 (ств = |
115 |
кгс/мм2). |
|
|
|
|||||||||||||
Термическая обработка одной партии шпилек производилась до изготовления резьбы, другая партия шпилек проходила термическую обработку после изготов ления резьбы. Термическая обработка во втором случае снимала остаточные напря жения от механической обработки и повышала механическую прочность материала.
(ав |
Гайки |
изготовляли из стали 45 (ов = 95 кгс/мм2) |
и титанового сплава ВТ9 |
|||||
= 115 |
кгс/мм2). |
нарезалась метчиками, размеры |
резьбы контролировались |
|||||
|
Резьба |
шпилек |
||||||
10 пробками со средними |
диаметрами |
от d2n |
= d2 — 0,005 мм до d2n |
— d2 + |
||||
+ |
0,105 мм. Для испытаний отбирались |
гайки |
с минимальными зазорами. |
|||||
|
Резьба |
одной |
партии |
шпилек нарезалась |
на токарно-винторезном |
станке |
||
резцами с пластинами из твердых сплавов Т15К6 и ВК6, заточенными на оптикошлифовальном станке. Профиль резьбы шпилек контролировался на инструмен тальном микроскопе.
Резьба второй партии накатывалась на резьбонакатном станке при неиз менном режиме.
Размеры резьбы шпилек измерялись на резьбовом пассаметре и инструмен тальном микроскопе.
Испытания проводились на машине резонансного типа при частоте 90—98 гц.
Результаты испытаний |
представлены на рис. 187 и в табл. |
38. |
* Условным средним |
диаметром назовем диаметр, равный |
п о л у с у м м е н а р у ж н о г о |
и внутреннего диаметров |
резьбы. |
|
173
Установлено, что разрушение резьбовых соединений всегда происходило во впадите между первым и вторым рабочими витками. При этом усталостная трещина зарождалась, как правило, в точках, близких к началу перехода от дуги впадины к прямолинейному участку. Последнее свидетельствует о существенной концентрации напряжений от изгиба витков.
Рис. lcfe. Образец с незагруженной (в централь ной части) резьбой
Исследования выносливости специальных образцов с незагруженными в центре витками (рис. 188) подтвердили вывод о превалирующем влиянии кон центрации напряжений от изгиба над концентрацией напряжений от растяжения.
Предел |
выносливости |
таких |
образцов в 3 раза выше, чем резьбовых |
соединений |
||||||||||||
при одинаковой |
геометрии |
резьбы. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
кгѴмм |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
|
|
Y** |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
У0,1 |
J |
0,2 |
0,3 |
|
r/s |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
а) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. |
189. |
Влияние |
радиуса закругления и технологии |
изготовления |
на |
|||||||||||
выносливость |
резьбовых соединений |
с |
накатанной (а) и нарезанной (б) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
резьбой |
MIO: |
|
|
|
|
|||
/ — заготовки |
термически |
обработаны, |
о |
40 кгс/мм2; |
2 |
— готовые |
шпильки |
|||||||||
термически |
обработаны, |
о |
40 |
кгс/мм*; |
3 — заготовки |
термически |
обрабо - |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ш . |
°"~ |
= |
"0 |
кгс/мм2 |
|
|
|
|
С увеличением радиуса.закругления в основании резьбы концентрация |
||||||||||||||||
напряжений |
уменьшается |
и |
выносливость |
соединений |
существенно |
возрастает |
||||||||||
(см. рис. 187). Так, |
например, при переходе от резьбы с плоской впадиной (тип 2) |
|||||||||||||||
к резьбе с г — 0.1S |
(тип |
|
1) при d, — idem |
предельная |
амплитуда увеличивается |
|||||||||||
на 23% . В случае перехода от плоской впадины (тип 6) к резьбе с г = |
0.4S |
(тип 5) |
||||||||||||||
при dv = |
idem предельная амплитуда |
напряжений возросла в 2,25 раза. |
|
|||||||||||||
Выносливость соединений с увеличенными диаметральными зазорами в резьбе существенно ниже прочности соединений с минимальными зазорами, о чем гово рят также данные табл. 38 для соединений из стали 38ХА.
174
Интересно отметить, что уменьшение перекрытия витков (за счет увеличения диаметра отверстия в гайке под резьбу) приводит к некоторому увеличению выносливости соединений. Последнее можно объяснить увеличением податливо
сти витков болта и, как следствие, |
А Г . |
|
, |
|
_ |
|
, |
|
, |
n 4 , , |
|||||||||
более |
благоприятным |
распределе |
& бап,, |
|
|
|
|||||||||||||
нием нагрузки |
|
по |
виткам |
резьбы. |
|
à |
1 |
йб |
|
> |
|
|
% |
||||||
На рис. 189 показано измене |
|
|
6 |
— |
) |
|
|
|
|||||||||||
ние предельной |
амплитуды |
напря |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
жений |
<зап для |
соединений |
с |
нака |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9,5 |
|||||
танной |
и нарезанной резьбой. |
|
Как |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
показано на графиках, на вынос |
|
|
|
|
|
|
|
0,3I Nг/$ |
|||||||||||
ливость |
резьбовых |
соединений |
су |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
щественное влияние |
оказывает |
тех |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
нология |
изготовления |
|
резьбовых |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
деталей. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
В случае |
накатывания |
резьбы |
|
о |
0,1 |
|
|
0,2 |
|||||||||||
на термически |
обработанных |
заго |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
товках (без последующей |
термиче |
Рис. |
190. |
Влияние |
радиуса |
|
закругления |
||||||||||||
ской обработки шпилек) имеет ме |
во впадинах на |
приращение |
предела |
вы |
|||||||||||||||
сто снижение |
аап при |
увеличении |
носливости и степень пластической дефор |
||||||||||||||||
отношения -с свыше 0,2. |
Это |
|
свя- |
|
мации |
при накатывании |
резьбы |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зано с уменьшением |
величин |
компонентов |
сжимающих |
напряжений в резьбе от |
|||||||||||||||
накатывания (нарезания) и пояснено кривыми рис. 190 для приращения пре
дельной амплитуды |
переменных напряжений |
До и степени пластической дефор |
|
мации ô при накатывании |
резьбы. Последняя |
д>0'3 • |
|
может быть приближенно найдена по соот- |
|||
ношению |
|
|
кгс |
b = d r m |
~ d \ . |
100%, |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,5 |
0,6 а;, |
мм |
|
|
|
0,2 |
0,3 |
|
r/s |
||
Рис. |
|
191. Изменение |
микротвердости |
во |
Рис. 192. Влияние радиуса |
|||||||||||||
впадинах резьбы |
М10 шпилек |
из |
стали |
закругления |
во впадинах |
на |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
38ХА: |
|
|
|
|
|
статическую |
прочность |
сое |
||||
; |
_ |
г |
я, 0; 2 |
— г |
= |
0,18 |
мм; |
3 |
— г = 0,3 |
мм; |
динений |
шпилек |
из |
стали |
||||
4 |
— |
г |
— 0,45 |
мм;~5 |
— г |
= 0,6 |
мм; |
6 — |
шпиль |
38ХА и гаек из стали |
45: |
|||||||
|
ки |
|
термически |
обработаны, |
г = |
0,3 |
мм |
/ — М10; |
2 — MIO с |
увеличен |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ными |
зазорами в |
резьбе |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(светлые |
точки — р а з р у ш е н и е |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
внтког резьбы; темные — обрыв |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с т е р ж н я |
по резьбе) |
|
|
||
где d] — внутренний |
диаметр |
резьбы; dcm |
— диаметр заготовки шпильки |
(болта) |
||||||||||||||
для |
накатывания |
резьбы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Аналогичный характер имеет кривая изменения микротвердости во |
впади |
||||||||||||||||
нах |
резьбы для шпилек |
с различными |
радиусами закругления (рис. 191). |
|||||||||||||||
175
Однако при увеличении напряжения предварительной затяжки, с3 :> 0,5аг , сжимающие напряжения от накатывания большей частью компенсируются растя
гивающими напряжениями от затяжки. Кривая |
1 на рис. 189, а |
опускается |
|||||||
вниз и идет эквидистантно (несколько выше) кривой 2. |
|
|
|
||||||
Таким образом, при |
0 , 2 г 0,5ог , |
предельная |
амплитуда также |
возрастает |
|||||
с увеличением отношения |
r/S. |
|
а а п для |
|
|
|
|||
Значения |
предельной |
амплитуды |
напряжений |
различных |
средних |
||||
напряжений приведены в табл. 39. |
|
|
|
|
|
||||
39. |
Влияние |
радиуса закругления и среднего напряжения |
|
||||||
|
|
|
на |
выносливость соединений |
|
|
|
||
Материаатериал |
|
|
г |
аап в к г с / м м |
2 п р и а т / а |
Г |
|
||
|
|
~ і Г |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
0,2 |
0,4 |
0,7 |
|
0,9 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
0 |
|
9,5 |
5,5 |
|
|
Сталь |
38ХА |
|
|
0,12 |
16,5 |
11,0 |
7,5 |
|
7,5 |
|
|
0,2 |
18,5 |
12,5 |
8,5 |
|
8,5 |
||
(сгв = 115 |
кгс/мм2) |
|
|
|
|||||
|
|
0,3 |
|
11,0 |
9,5 |
|
|
||
|
|
|
|
0,4 |
15 |
10 |
10 |
|
10 |
Титановый |
сплав ВТ9 |
|
0,12 |
15,5 |
6 |
4 |
|
|
|
(ов = 115 |
кгс/мм2) |
|
|
0,2 |
18,5 |
9,5 |
6 |
|
— |
П р и м е ч а н и е . |
Резьба |
MIO накатана на термически |
обработанных |
заго - |
|||||
товках. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Наряду с усталостными испытаниями для оценки эффективности увеличения радиуса закругления во впадинах витков проведены статические испытания. Результаты испытаний показаны на рис. 192 и в табл. 40.
40. Статическая прочность соединений из титанового сплава ВТ9; высота гайки # = 0,8d
(средние значения по 5 испытаниям)
|
Н а г р у з к и , разруша ющие соединение, в кгс при |
r/S |
||||
Резьба |
0 |
0.1 |
0,2 |
|
0,3 |
0,4 |
|
|
|||||
м ю |
'6200* |
6250 * |
6550 |
* |
6100 |
4800 |
МЮХІ.25 |
6900 * |
— |
-7200 |
* |
6700 |
4850 |
м ю х і . о |
7360 * |
7360 * |
7430 |
* |
— |
— |
M 10x0,75 |
7600 * |
— |
7970 * |
7700 |
— |
|
* Разры в шпильки по стержню .
Анализ показывает, что при увеличении радиуса во впадинах г > 0.3S статическая прочность соединений снижается (в большей степени для мелких резьб). Это связано с уменьшением перекрытия витков и увеличением напря жений в наиболее нагруженных сечениях витков. Однако усилие, разрушающее резьбу, в соединениях с г = 0,3S и // = 0,8d практически не отличается от усилия, разрушающего стержень шпильки с резьбой, выполненной по ГОСТу 9150—59. Статическая прочность резьбовых соединений с увеличенными радиу сами закругления во впадинах может быть повышена путем увеличения высоты гайки до H = \,2d.
176
Полученные результаты позволяют сделать вывод о целесообразности увели чения радиуса закругления во впадинах резьбы до г = 0.3S для динамически нагруженных соединений.
Следует отметить, что радиус закругления принадлежит к числу неконтро лируемых элементов в системе предельных калибров. Однако для ответственных резьбовых соединений необходимо ввести выборочный контроль величины г (при помощи проекторов, инструментальных микроскопов и др.). При накаты вании резьб появляется большая возможность выдержать величину г.
Один из вариантов резьбы с большим радиусом закругления, применяв шийся на некоторых поршневых двигателях, показан на рис. 193. Рассматриваемая
резьба не уменьшает перекрытия |
витков и при |
испытаниях |
показала примерно |
в 2 раза большую долговечность, |
чем обычная |
метрическая |
резьба. |
Однако такая резьба сложна в изготовлении и требует тщательного выпол нения переходов от закругления к прямолинейной части. Простое увеличение радиуса закругления более приемлемо, хотя также требует тщательного выпол
нения перехода от закругления к прямолинейной части. |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
Влияние шага резьбы. Анализ результатов, приведенных в табл. 38, |
показы |
|||||||||||||||||
вает, что при одинаковом отношении |
-g, |
шаг |
резьбы практически |
не влияет |
на |
||||||||||||||
выносливость резьбовых соединений. Лишь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
для |
резьбы с диаметром |
10 мм при |
г = |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
наблюдалось небольшое (до 10%) рассея |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
ние |
результатов |
относительно |
среднего |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
„ |
|
|
|
|
|
|
|
г |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
значения. |
При |
других |
отношениях |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
рассеяние |
не превышало |
2—5%. |
Послед |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
нее |
свидетельствует |
о |
том, |
что |
|
резьбу |
|
|
1М- |
|
|
„ |
|
|
|||||
можно рассматривать как «многократные |
Н и с - |
^ 3 - |
^ ™ " П Р ° Ф И Л Ь |
||||||||||||||||
мелкие выточки», |
и |
напряжения в стерж- |
|
|
|
резьбы |
MIO |
|
|
||||||||||
не с такими «выточками» распределяются |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
неравномерно |
лишь |
на |
небольшой |
|
глубине, |
прилегающей к вершине. В этом |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
г |
|
|
|
случае коэффициент |
концентрации |
зависит |
только от отношения |
и не |
зависит |
||||||||||||||
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
от отношения |
- г . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
16 мм и шагами |
|
|
|
||
|
Подобный |
результат |
для |
болтов |
с диаметром |
S = |
0,5; |
1 и |
|||||||||||
1,5 мм получен Лутандером и Вальгреном. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
Если |
разрушающие |
напряжения |
в |
болте |
с |
мелкой |
резьбой такие |
же, |
как |
|||||||||
в болте с крупной резьбой, то разрушающие нагрузки при мелкой резьбе выше
из-за большей |
площади. Так, например, для резьбы |
10 X 1,5 площадь сечения |
Z7! = 55,1 мм2, |
тогда как для резьбы 10 X 1,0 F1= |
62,4 мм2, т . е . на 13% |
выше. |
|
|
Отметим также, что мелкая резьба накатывается на станках меньшей мощ ности, а соединения с мелкой резьбой имеют более высокие стопорящие свойства, что способствовало широкому применению мелкой резьбы в точном машинострое нии.
Влияние формы резьбы. Выносливость можно повысить также с помощью специального изменения профиля резьбы. Последнее в ряде случаев не только снижает концентрацию напряжений во впадинах, но и улучшает распределение нагрузки, способствуя большему повышению выносливости соединений.
Влияние угла профиля резьбы. Угол профиля резьбы влияет на распределе ние нагрузки по виткам соединения и напряжения в основании резьбы. При уменьшении угла профиля (исходным угол профиля равен углу для метрической резьбы а = 60°) увеличивается рабочая глубина (перекрытие) витков и, как следствие, осевая податливость резьбы, которая способствует более благоприят ному распределению нагрузки между витками и разгрузке первого витка. С уве личением угла профиля свыше 60° также улучшается распределение нагрузки между витками, но уже за счет увеличения радиальной податливости гайки.
Расчеты показывают, что нагрузка на первый виток резьбы М10 с а — 75° сни-
177
жается на 17% по сравнению со стандартной резьбой, для а = 90° |
снижение |
||
нагрузки составляет 35%. |
|
|
|
Наряду со снижением* нагрузки при увеличении |
угла профиля а |
свыше 60° |
|
существенно уменьшаются напряжения в основании |
витков от «изгиба». При |
||
угле профиля а = |
90° резьба получается как бы «безизгибной» (рис. 194). Послед |
||
нее способствует |
существенному повышению прочности соединений. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
балу/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15 |
|
|
60 |
|
75 |
|
|
|
||
Рис. 194. Профили |
резьбы |
с раз |
Рис. |
195. |
Влияние |
угла |
про |
|||||||||||||
личными |
углами |
при |
вершине |
|
филя |
на усталостную |
прочность |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
соединений |
|
|
|
|
||||
Влияние угла профиля резьбы на выносливость исследовалось авторами. |
||||||||||||||||||||
Шпильки |
с резьбой |
MIO X 1,5 из стали |
38ХА |
(о*„ = |
115 кгс/мм2) |
имели |
углы |
|||||||||||||
профиля |
а = |
45, 60, |
|
75 и 90°. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Резьба на шпильках |
нарезалась на |
токарно-винторезном |
станке |
резцами |
||||||||||||||||
с пластинами |
из твердого сплава Т15К6, заточенными |
на |
профилешлифовальном |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
станке. |
Впадины |
резьбы |
выполняли |
||||||||
41. Основные размеры резьбы МЮ |
|
плоскосрезанными. Резьба в гайках на |
||||||||||||||||||
и предельная амплитуда для резьбовых |
резалась |
специальными |
|
метчиками. |
||||||||||||||||
соединений |
с различными углами |
|
Профили |
исследуемых |
резьб |
показаны |
||||||||||||||
профиля, от = |
20 |
кгс;мм2 |
|
на ряс. 99, |
в табл. 41 приведены ос |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
новные размеры резьб, а также ре |
|||||||||||
|
Диаметр |
резьбы |
|
|
|
зультаты |
испытаний. |
|
|
|
|
|
||||||||
Угогол |
|
|
|
Результаты |
испытаний |
(табл. 41) |
||||||||||||||
|
в мм |
|
|
а |
|
|||||||||||||||
профиля |
|
|
|
|
|
|
|
показывают, |
что увеличение |
угла |
про |
|||||||||
U |
|
|
внутрен |
|
an |
|
филя |
резьбы |
до |
а -- 90" или умень |
||||||||||
в граду |
средний |
в |
кгс/мм |
2 |
шение до а = |
45° (рис. 195) позволяет |
||||||||||||||
сах |
|
ний |
|
|
||||||||||||||||
|
|
d, |
|
d, |
|
|
|
|
повысить |
предел |
выносливости |
сое |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
динения |
на 45—55%. |
|
|
|
|
|
|||||
45 |
8,65 |
|
7,3 |
|
|
8 |
|
Разрушение |
|
соединений |
происхо |
|||||||||
60 |
9,026 |
|
8,02 |
|
|
5,5 |
|
дило, |
как |
правило, |
на |
уровне или |
||||||||
75 |
9,144 |
|
8,49 |
|
|
6,5 |
|
ниже |
опорного |
торца |
гайки. Это по |
|||||||||
|
|
|
|
казывает, что в сечении первого |
витка |
|||||||||||||||
90 |
• 9,374 |
|
8,874 |
|
8,5 |
|
||||||||||||||
|
|
|
произошло |
существенное |
уменьшение |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
максимальных |
напряжений. |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Повышение выносливости |
соедине |
||||||||||
ний при увеличении угла профиля резьбы до а -*= 90° получено также в работе |4].
|
По данным Р. Б. Хейвуда [31] болты с углом профиля а = 90° имели в 10 раз |
|||
большую долговечность, чем стандартные болты. |
|
|||
|
Резьба с углом профиля а = 90° может быть рекомендована для конструкций, |
|||
в |
которых необходима особо |
высокая выносливость (особенно для нарезанных |
||
резьб). Изготовление |
резьбы |
с малой высотой профиля |
при а = 90° легче, чем |
|
резьбы стандартной |
формы профиля. |
|
||
|
Отметим, что увеличение |
угла профиля резьбы свыше 90° может привести |
||
к |
разрушению тела |
гайки из-за высоких радиальных |
давлений, |
|
178
Смещение усилий к оси стержня и уменьшение напряжений от «изгиба» витков может быть достигнуто путем применения для болтов (шпилек) резьбы с несколько большим, чем у гайки, углом симметричного профиля а = 62 -f- 65°, а также применением асимметричного профиля (рис. 196). Резьба в гайке должна иметь при этом стандартный профиль, а для обеспечения свинчиваемости и взаи мозаменяемости следует несколько увеличить зазоры по среднему диаметру [61].
Рис. 196. Асимметричная резьба:
а — профиль; б — долговечность соединений; / — резьба с симметричным профилем; 2 — то ж е с асимметричным профилем
Асимметричный профиль резьбы |
болта |
получил широкое распространение |
|
в Англии и США. По данным Хирониса, |
применение |
такой резьбы позволяет |
|
существенно повысить выносливость |
соединений (рис. |
196, б). |
|
Можно отметить, что применение увеличенного угла или асимметричного профиля для резьбы гайки может привести к снижению выносливости.
Влияние угла профиля и формы резьбы на долговечность резьбовых соеди нений изучалось Итоном. Профили исследуемых резьб показаны на рис. 197. Резьбы типов 1 и 4 наиболее распро-
странены |
в |
США и . имеют |
угол про |
|
42. Относительная |
прочность |
|||||||||||
филя 60°. Резьбы типов 2 и 3 — упор |
|
||||||||||||||||
|
резьбовых |
соединений |
|||||||||||||||
ные, |
причем резьба |
типа |
2 имеет |
угол |
|
||||||||||||
рабочего |
профиля 3° и нерабочего 30°, |
|
|
Относительная |
прочность |
||||||||||||
а резьба типа 3 — угол |
рабочего |
про |
|
|
|||||||||||||
|
Тип |
при |
базе |
испытаний |
|||||||||||||
филя |
0° |
и |
нерабочего —45°. |
|
Рабочая |
|
|||||||||||
|
резьбы |
|
в циклах |
||||||||||||||
высота профиля 3 меньше, чем профиля |
(рис. 197) |
|
|
|
|
||||||||||||
типа 2. |
Резьба |
типа 5 имеет |
угол |
про |
|
|
10» |
|
|
10' |
|||||||
филя |
ос = |
90°. |
Резьбы |
типов |
6 |
и 7 |
|
; |
|
|
|
|
|||||
предназначены |
для воспринятия |
пере |
|
1,00 |
|
1,00 |
1,00 |
||||||||||
менных |
нагрузок. |
Исключение |
кон |
|
|
||||||||||||
такта |
|
по |
вершинам витков |
в |
про |
|
2 |
1,09 |
|
1,01 |
0,98 |
||||||
|
|
3 |
1,06 |
|
1,14 |
1,07 |
|||||||||||
филе |
типа |
7, как |
показали |
экспери |
|
|
|||||||||||
|
4 |
1,21 |
|
1,18 |
1,22 |
||||||||||||
менты, |
повысило долговечность соеди |
|
|
||||||||||||||
|
5 |
1,04 |
|
1,05 |
1,09 |
||||||||||||
нений, |
но |
снизило |
прочность |
резьбы |
|
|
|||||||||||
|
6 |
— |
|
1,25 |
1,12 |
||||||||||||
на |
срез. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
1,31 |
|
1,51 |
1,60 |
||||
|
Резьба типа 7 используется в |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
США |
|
для |
соединений, |
нагруженных |
|
|
|
|
|
|
|||||||
тяжелыми динамическими нагрузками. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
Шпильки изготовлялись из марганцевоникелевойстали (ae =66,8-f- 73 кгс/мм2), |
||||||||||||||||
испытания проводились при пульсирующем нагружении. Результаты |
испытаний |
||||||||||||||||
приведены |
в табл. 42, в которой |
прочность |
резьбы |
с углом профиля а = 60° |
|||||||||||||
и |
плоскосрезанной |
впадиной |
принята |
за |
1. Как |
показано в |
таблице про |
||||||||||
филь, очерченный дугой окружности (с исключенным контактом между вер шиной профиля гайки и впадиной профиля шпильки), позволяет на 60% повысить выносливость соединений. Упорная резьба и резьба с углом профиля а =- 90° дает незначительное (до 10%) повышение выносливости. Последнее может быть
179