книги из ГПНТБ / Биргер И.А. Резьбовые соединения
.pdfРис. 197. Профили 'резьбы различных типов
объяснено влиянием ударных нагру зок в этих соединениях из-за увели ченных радиальных зазоров при пуль сирующем нагружении.
Выносливость этих соединений была повышена на 50% введением предварительной затяжки.
Резьба с переменным средним диа метром и шагом. Если изменением ра диуса закругления во впадинах или профиле резьбы можно эффективно снизить концентрацию напряжений от местной нагрузки на витки, то спе циальным измейением среднего диа метра или шага резьбы на длине свин чивания можно существенно снизить величину местной нагрузки в наибо лее опасной зоне — в первых рабочих витках.
Улучшения распределения нагруз ки можно добиться с помощью такого изменения среднего диаметра по вы соте гайки, чтобы контакт витков на чинался вблизи свободного торца гай ки. Указанный вопрос исследовался Р. Б. Хейвудом [31], который устано вил, что прямая конусность 1 : 50 (увеличение среднего диаметра от тор
ца |
к головке |
болта, см. рис. 198, а) |
||
дала отрицательный эффект, |
уменьшив |
|||
долговечность |
соединений с |
105 |
цик |
|
лов |
до 6-Ю4 |
циклов. Обратная |
ко |
|
нусность 1 : 100 (рис. 198, б) повысила
долговечность |
до 1,8-105 циклов, а |
||
при большей |
конусности — 1 : 50, |
до |
|
2,1 • 105 циклов. |
|
|
|
Отметим, |
что применение резьбы |
||
с переменным |
средним |
диаметром ог |
|
раничено требованием |
недопущения |
в |
|
резьбе больших -зазоров. С этой точки зрения предпочтительным оказывается применение в паре с конусным болтом конусной гайки.
Разновидностью описанного ме тода является усечение («коррекция») резьбы гайки в области наиболее на груженных витков до или после наре зания резьбы (рис. 199).
Угол а принимают равньім 10— 15°. При усечении нижних витков гайки на 12 Лутандер и Вальгрен по лучили повышение выносливости на 20%. Рекомендации по применению гаек с конической заходной частью приведены в работе Валькера и Мейера [57].
Гайка с увеличенным шагом дает более равномерное распределение на грузки (см. стр. 88). По данным Р. Б. Хейвуда [31], долговечность со-
180
единений с 11,85 витками гайки и 12 витками болта на 1 дюйм повысилась с 105 циклов (для обычного соединения) до 5,8-105 циклов. Разрушения всегда были значительно глубже опорной поверхности гайки, что свидетельствует о более равномерном распределении нагрузки между витками.
Применение переменного шага в сочетании с углом профиля а = 90° дало большое повышение долговечности. Степень влияния увеличенного шага гайки зависит от прочности при рас тяжении материала гайки. У гаек меньшей прочности происходит пере распределение нагрузки вследствие пластических деформаций, и нижние
|
|
a) |
6) |
|
|
|
|
|
|
Рис. |
198. Болты |
с прямой (а) и об |
Рис. |
199. |
Резьбовые |
соединения |
со |
||
|
|
ратной (б) |
конусностью |
|
скосом нижних |
витков: |
|
||
|
|
|
|
|
а — в гайке; б — |
в |
болте |
|
|
витки |
начинают работать так же, как и в обычной |
гайке. Рекомендуется в |
этом |
||||||
случае |
применять |
для болта и гайки одинаковые материалы. |
|
|
|
||||
На |
практике |
иногда применяют |
гайки с |
утопленной резьбой |
(рис. |
200). |
|||
В таких соединениях нижний виток болта более податливый, что снижает на грузку на него.
На рис. 201 показана гайка с прорезями по впадинам витков, которые уве личивают их податливость и улучшают распределение нагрузки. Однако на практике такую конструкцию реализовать крайне сложно.
Рис. |
200. |
Гайка |
с |
Рис. 201. Гайка со специаль- |
утопленной |
резьбой |
|
ной резьбой |
|
Влияние формы гайки. Конструкция гайки оказывает большое влияние на |
||||
распределение |
нагрузки между |
витками |
(см. гл. V), а отсюда и на выносливость. |
|
Например, нагрузка на нижний виток гайки растяжения в 1,7—1,8 раза меньше, чем обычной гайки. Последнее должно привести к столь же существенному повы шению выносливости.
Исследование влияния формы гайки выполнено Вигандом. В его опытах образцы имели резьбу Витворта 3 / 4 " . Результаты испытаний приведены в табл. 43.
|
Как |
и следовало ожидать, наибольшую выносливость имеют соединения |
с |
гайкой |
растяжения, наименьшую — со стандартной гайкой. |
|
Применение гаек с кольцевой выточкой (поднутрением) увеличило прочность |
|
на |
30%. |
Размеры гаек с поднутрением, использованные в опытах, приведены |
на |
рис. |
202. |
|
Повышению прочности соединений при переменных нагрузках будут способ |
|
ствовать |
только гайки с более равномерным распределением нагрузки (гайки |
|
181
13. Влияние конструкции гайки на циклическую прочность резьбовых соединений
з е к и з р е з ь о о в о г о с о е д и н е н и я
. га,
dc = d, + |
Е Е З г |
|
ш |
~$
il < |
|
|
|
|
•4? |
|
Резьба |
гайни |
|
|
|
|||
^ |
-j |
j ) расточена |
на |
|
|
|
конус |
под |
10° |
П р е д е л ь н а я а м п л и т у д а н а п р я ж е н и я
"an |
в к г с / м м ' |
П Р И ö |
m |
2U |
|
|
о |
кгс/мм* |
% |
кгс/мм* |
% |
4 |
100 |
2,85 |
100 |
4 |
100 |
2,85 |
100 |
— |
— |
4 |
1,40 |
7,75 |
194 |
6,5 |
228 |
4,2 |
105 |
— |
— |
5,2 |
130 |
3,5 |
123 |
4,8 |
120 |
3,4 |
119 |
4,0 |
100 |
|
|
|
г—Ч |
|
4,4 |
110 |
— |
— |
|
1 |
|
^ |
|
||||
|
|
|
|
|
|
||
-I |
і |
= г г ф |
Гшіяа |
5,6 |
140 |
5,5 |
193 |
|
|
Y'\ |
чугунная |
||||
k ЧH = |
|
|
|
|
|
||
" т |
Я? с |
Адижяіьняным |
4,85 |
121 |
5,5 |
193 |
|
|
t,0d |
n |
|
|
|
|
|
уплотнением
Рис. 202. Гайки с поднутрением
182
растяжения и сжато-растянутые гайки). На рис. 203 показаны соединения с та кими гайками, применяемые фирмой Роллс-Ройс на авиационных двигателях [31].
Повышение выносливости в случае применения сжато-растянутых гаек, по
данным работы [4], составило 25—30%, а по данным |
Штаудте — до 40%. |
||
Р. Б. Хейвудом [31] описана |
гайка с |
вогнутой |
опорной поверхностью |
(рис. 204). Радиальные компоненты |
нагрузки |
на опорной поверхности гайки, |
|
Л/^=0,47 |
30°вогнутая |
|
Рис. 203. Соединения с улучшенным рас- |
Рис. 204. |
Гайка с |
пределением нагрузки между витками |
вогнутой |
опорной |
|
поверхностью |
|
наклоненной под углом 30°, расширяют гайку вблизи опоры. Последнее улучшает распределение нагрузки и повышает долговечность соединений с углом профиля а = 90° до 25,4 • 105 циклов (долговечность соединений с обычной гайкой со ставила 10& циклоп).
Обращенное распределение |
нагрузки можно получить в случае применения |
||||||
контргайки, |
затягиваемой |
с |
|
большим |
моментом. |
Выносливость соединений |
|
с болтами % " из стали с ад |
= |
92 кгс/мм2, |
затянутых |
гайкой и контргайкой с мо |
|||
ментом 34,5 |
кгс-м, |
по данным |
|
Кросса и Норриса, |
повысилась на 50% в срав |
||
нении с обычным |
соединением. |
|
|
|
|||
————
Резьбе з ь ба шпиль ки
44. Выносливость соединений со спиральными вставками. Материал шпилек — сталь 38ХА ( a f l = U 5 кгс/мм2);
форма впадины — плоскосрезанная
|
Предельная |
ампли |
|
|
Предельная |
ампли |
||||
|
туда |
напряжений |
|
|
туда |
напряжений |
||||
Тип |
о |
а п |
* в |
кгс/мм' |
Резьба |
Тип |
о Д ( 1 * |
в |
кгс/мм' |
|
при |
длине |
свинчи |
шпиль |
при длине |
свинчи |
|||||
соединения |
соединения |
|||||||||
|
|
вания |
l/d |
ки |
|
вания |
l/d |
|||
|
|
1.0 |
|
2,0 |
|
|
1,0 |
|
2,0 |
|
|
Обычное |
I I |
Обычное |
6,5 |
6,5 |
|||
Мб |
9,0 |
5,0 |
5,0 |
|||||
|
М10 |
|
|
|||||
|
16,5 |
|
|
9,5 |
11,0 |
|||
|
Со вставкой |
Со |
вставкой |
|||||
|
15,5 |
8,5 |
10,0 |
|||||
|
|
|
|
|
||||
|
* J3 числителе дроби — предельная |
амп литуда д ля |
гайки, |
изгстовленной |
из дюр - |
|||
алюмин ия Д1 Т (oe = lU кгс/мм'): в знамена геле - из стали -15 |
( а в — -ІЪ кгс/мм' |
|
||||||
Существенное повышение выносливости соединений было получено в случае применения гаек со спиральными вставками. Опытами (табл. 44) установлено, что на величину предельной амплитуды напряжений большое влияние оказывает
183
характер распределения нагрузки по виткам. Обычные соединения имеют менее благоприятное распределение нагрузки по виткам в сравнении с соединениями со спиральными вставками (см. рис. 116) и, как следствие, большую нагрузку на первом рабочем витке (на 40—50% для дуралюминовой и на 70—75% для сталь ной гайки). Поэтому выносливость соединений со вставками значительно выше, чем обычных соединений.
Отметим, что процент повышения нагрузки на первом рабочем витке при близительно соответствует проценту снижения значения предельной амплитуды напряжений. Это подтверждает вывод о том, что оценку выносливости резьбовых соединений можно производить исходя из характера распределения нагрузки между витками.
Влияние материала гайки. Теоретически и экспериментально установлено, что применение гаек с небольшим модулем упругости приводит к более равно мерному распределению нагрузки по виткам и повышению выносливости соеди-
\ нений. |
|
|
|
кгс/мм2) |
Так, в случае применения, дюралюминовых |
гаек |
(£" = |
0,7 • 104 |
|
взамен стальных (Е = 2-Ю4 кгс/мм2) нагрузка на первом витке снижается на |
||||
25—30%. Опыты также свидетельствуют о повышении |
выносливости стальных |
|||
болтов с гайками из дюралюминия (см. табл. 44). |
|
|
|
|
В резьбовых соединениях со спиральными вставками нагрузка на первом |
||||
витке лишь в незначительной степени зависит от |
материала |
корпуса |
(гайки) |
|
из-за большой податливости вставки. Поэтому и выносливость соединений со
вставками мало зависит от материала |
корпуса. |
|
|
|
||||
Повышение |
выносливости |
соединений |
в случае применения |
чугунных гаек |
||||
и гаек с пеньковым уплотнением получено |
Вигандом (см. табл. 43). |
|
||||||
45. Выносливость болтов |
(шпилек) с гайками |
из различных |
материалов |
|||||
Р е з ь ба болта |
|
|
|
|
|
Материал гайки |
с_ |
а |
Материал болта |
|
|
m |
an |
||||
(шпильки) |
|
|
или корпуса |
|||||
|
|
|
|
|
в |
кгс/мм' |
||
|
|
|
|
|
|
|
||
31 " |
Углеродистая |
сталь |
|
Сталь |
20,0 |
4,0 |
||
< 4 |
(о"„ = 40 |
кгс/мм2) |
|
Чугун |
20,0 |
5,5 |
||
М22ХІ.5 |
Хромомолибденовая |
сталь |
Сталь |
20,0 |
7,5 |
|||
( 0 8 = 8О |
кгс/мм2) |
|
Дюралюминий |
20,0 |
9,0 |
|||
|
Хромомолибденовая |
сталь |
Сталь |
13,0 |
10 |
|||
|
( а в =114 |
кгс/мм2) |
|
Электрон |
17,0 |
14 |
||
І3Л>" |
|
|
|
|
|
Сталь |
9,5 |
6,5 |
|
|
|
|
|
Электрон |
13,2 |
9,4 |
|
М20Х2.5 |
|
|
|
|
|
Сталь |
10,5 |
7,5 |
|
|
|
|
|
Электрон |
13,5 |
10,5 |
|
|
Углеродистая |
сталь |
|
|||||
|
|
|
|
|
||||
Аі40х2,5 |
(ств = 56 |
кгс/мм2) |
|
Сталь |
7,5 |
4,5 |
||
|
|
|
|
|
Электрон |
10,0 |
7,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
М72Х6,0 |
|
|
|
|
|
Сталь |
6,0 |
3,0 |
|
|
|
|
|
Электрон |
10,0 |
6,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
В табл. 45 приведены экспериментальные данные по исследованию влияния материала гайки. В опытах со шпильками влияния материала проявилось силь нее, чем с болтами. Последнее связано с тем, что в опытах со шпильками приме нялись футорки (втулки с наружной и внутренней резьбой; см. рис. 162), из электрона (магниевого сплава), жесткость которых приблизительно в 2 раза
184
меньше, чем жесткость шпилек. Распределение нагрузки в таких соединениях существенно отличается от распределения нагрузки в соединениях типа болт-
гайка. Нагрузка на первый виток при футорке из электрона (Е = 0,4-104 |
кгс/мм2) |
|||||||
приблизительно |
в 2 раза |
меньше, чем в стальной гайке, что соответствует |
опыт |
|||||
ным данным. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Влияние материала гайки исследовалось также авторами. Испытывались |
||||||||
соединения |
шпилек с нарезанной резьбой М10 (форма впадины — плоскосрезан- |
|||||||
46. Статическая |
прочность |
соединений |
|
|
|
|||
с гайками из различных материалов |
|
|
|
|||||
(средние |
значения |
по |
результатам |
|
|
|
||
|
пяти |
испытаний) |
|
|
|
|
||
Высота |
Разрушающая нагрузка |
|
|
|
||||
в кгс при материале гайки |
|
|
|
|||||
гайки |
|
|
|
|
|
|
|
|
в мм |
Д16Т |
ВТ9 |
Сталь 45 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|||||
4,5 |
2615 |
4430 |
4410 |
|
|
|
||
8 |
4480 |
5550* |
5550* |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Рис. 205. Влияние материала |
гайки |
||
|
|
|
|
|
на |
выносливость резьбовых |
соедине |
|
* Обрыв шпильки |
по |
резьбовой |
ний |
|
|
|||
части вне |
гайки. |
|
|
|
|
|
|
|
ная) с гайками из стали 45, дуралюмина Д16Т и титанового сплава ВТ9. Резуль
таты испытаний приведены в табл. 46. На рис. 205 показана |
зависимость |
предела |
|||||||||||||||
выносливости |
|
соединения |
от материала гайки; |
в качестве аргумента |
принято |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
отношение модуля упругости мате- |
||||||||||
47. Влияние |
прочности |
материала |
риала |
гайки |
испытываемого |
соедине |
|||||||||||
ния к модулю упругости стали (Ес — |
|||||||||||||||||
гайки на выносливость болтов |
|
||||||||||||||||
|
= |
2,1 |
• 1Ü4 |
кгс/мм2). |
Как видно, |
при |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
°т |
! "an |
менение в резьбовых |
соединениях |
гаек |
|||||||||
Резьба |
|
|
|
из |
титановых |
сплавов |
|
.0,55 и |
|||||||||
в |
|
кгс/мм' в кгс/мм' в |
кгс/мм' |
|
|||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
95 |
12,6 |
9,4 |
алюминиевого сплава Д16Т ^ ? |
= |
0,35j |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
M12xl,5 |
|
137 |
|
|
|
вместо |
стальных, |
позволяет |
повысить |
||||||||
|
|
|
ПО |
11,6 |
8,4 |
выносливость |
соединений |
соответст |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
венно на 27 и 45%. |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
65 |
12,6 |
9,4 |
|
Статическая |
прочность |
(на |
срез |
|||||||
|
|
|
витков) соединений |
стальных |
шпилек |
||||||||||||
М16ХІ.5 |
|
132 |
|
|
|
||||||||||||
|
10,6 |
7,4 |
М10 с гайками из титанового |
сплава |
|||||||||||||
|
|
|
105 |
ВТ9 не ниже |
прочности |
соединений |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
со |
стальными |
гайками (см. табл. 46), |
||||||||
|
|
|
58 |
18,2 10,4 |
поэтому применение гаек из прочных |
||||||||||||
Ѵ - 1 0 |
|
|
титановых |
сплавов |
взамен |
стальных |
|||||||||||
|
99 |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
позволит наряду с некоторым сниже |
|||||||||||||
|
|
|
104 |
17,7 10,0 |
|||||||||||||
|
|
|
нием веса конструкции заметно |
повы |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
сить несущую |
способность |
резьбовых |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
соединений. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Интересно |
отметить, |
что даже |
в |
случае |
применения стальных гаек можно |
||||||||||||
повысить выносливость соединений правильным выбором прочности гайки. Исследования показали, что, применяя гайки из менее прочной стали, можно повысить предел выносливости на 15—20%.
Результаты таких испытаний приведены в табл. 47. Заметим, что подобный эффект был описан выше при рассмотрении статической прочности соединений.
185
48. Пределы выносливости резьбовых соединений (соответствуют вероятности разрушения р = 50%) в зависимости от высоты гайки.
Среднеквадратичное отклонение 5 „ e = 0,6 кгс/мм2; SvW—Q,Z кгс/мм2. Среднее напряжение ат = 0,70т
|
Предельная амплитуда нап[)яжений о„ |
||
Материал гайки |
H |
в кгс/мм1 для |
резі |
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
Мб |
М10 |
М16 |
Сталь |
S/37 |
(о"а = 43,5 |
кгс/мм2) |
Сталь |
S/50 |
(а 0 = 53,6 |
кгс/мм2) |
Чугун ÜG22
(а в = 23,5 кгс< мм2)
Алюминиевый сплав AICuMg 1 Fe 40
( 0 ä = 47,4 кгс/мм2)
2,0 10,8
1,25 10,5
0,8 10,0
2,0 10,6
1,25 9,8
0,8 9,0
2,0 11,0
1,25 10,8
0,8 9,7
2,0 11,9
1,25 10,8
0,8 10,3
• 7,51 8,0 6,81 8,0 6,01
12
6,81
8,0"
6,81
8,0
6,21
7,2
7,51
9,3
7,01
9,3
0,01
6,3
7,91
9,3
7,71
Я 7
ö , '
6,51
7,0
6,5
6,5
6,2
6,8
6,8
6,2
7,0
7,0
6,5
7,5
7,0
П р и м е ч а н и е . |
К л а с с прочности болтов SC |
(o"ß = 87-^91 кгс/мм'). |
В числителе |
|
дроби |
для М10 указаны |
значения для болтов 8G, |
а в знаменателе —для |
болтов 1UK |
( 0 в = |
1О4 кгс/мм1). |
|
|
|
Влияние высоты гайки. Теоретически (см. гл. V) было показано, что увели чение высоты гайки свыше (0,5—0,6) d не должно приводить к существенному повышению выносливости соединений, так как при этом нагрузка на первом витке изменяется незначительно.
Экспериментальное исследование влияния высоты гайки было проведено Вигандом, Иллгнером и Беелихом [59]. Результаты испытаний, которые приве дены в табл. 48, показывают, что для стальных резьбовых соединений увеличение высоты гайки свыше Н— \,2Ы практически не повышает выносливости соеди нений. При изменении высоты гайки в пределах 0,8—l,25d наблюдается повыше ние пределов выносливости на 5—12%. Последнее может быть объяснено приме нением малопрочных гаек и высоким средним напряжением, приводящим к появ-
18в
лению местных пластических деформаций в резьбе и улучшению |
распределения |
||||||||||||||||
нагрузки. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Подобный результат был получен и А. И. Якушевым [34] для соединении |
|||||||||||||||||
болтов из стали 40ХНМА (сг„ = |
150 кгс/ммг) |
и гаек из стали 45 (ов |
= |
87кгс/ммг). |
|||||||||||||
При |
сближении механических ха |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
рактеристик материалов болта и гайки |
|
49. |
Влияние высоты |
гаек |
|
||||||||||||
влияние |
высоты |
не |
проявляется |
в |
|
|
|||||||||||
на выносливость резьбовых соединений |
|||||||||||||||||
столь явном виде. Об этом свидетель |
|||||||||||||||||
|
|
из |
стали |
45 |
|
|
|
||||||||||
ствуют |
результаты, |
приведенные |
в |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
табл. |
49. |
Отметим, |
что |
результаты |
|
|
П р е д е л ь н а я |
амплитуда на |
|||||||||
эксперимента |
[34] |
по |
изучению влия |
|
|
||||||||||||
|
|
п р я ж е н и й |
а а |
п |
в кгс/мм* |
||||||||||||
ния высоты гайки |
не |
имеют стабиль |
|
Резьбезьба |
|
при |
H/d |
|
|||||||||
ного характера. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
0,4 |
0,6 |
0.8 |
1.0 |
2,0 |
||||||
В |
опытах |
А. И. Якушева выяв |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
лено интересное явление. При малой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
высоте |
гайки |
усталостное |
разрушение |
|
Мб |
|
6,0 |
8,0 |
8,0 |
12,5 |
|||||||
также |
начиналось^' |
в |
болте. Последнее |
|
М12х1,0 |
— |
6,0 |
6,5 |
6,5 |
— |
|||||||
объясняется тем, что витки |
гайки |
и |
|
М12ХІ.5 |
5,0 |
5,0 |
6,0 |
6,0 |
8,0 |
||||||||
болт воспринимают |
одни |
и те же уси |
|
М24х1,5 |
— |
4.0 |
4,5 |
6,5 |
|
||||||||
лия, но виток резьбы болта оказы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
вается |
в поле |
растягивающих |
напря |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
жений, что снижает его выносливость. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Следует отметить, что в случае применения гаек из материалов с меньшим модулем упругости, чем у болта, влияние высоты гайки сказывается в большей степени, чем при одинаковых (по модулю упругости) материалах (см. табл. 44 и 48).
6. ВЛИЯНИЕ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛА БОЛТА
Резьбовым деталям присущи высокие коэффициенты концентрации напря жений, поэтому при выборе материала болта или шпильки следует исходить из результатов испытаний образцов с надрезом.
В связи с высокой концентрацией напряжений наибольшее распространение Для динамически нагруженных соединений получили легированные стали.
50. Выносливость болтов из стали 40ХНМА при различной
термической обработке
8
|
Твердость |
|
а в |
б в % |
|
|
HRC |
в |
в кгс/мм' |
||
7 |
|
кгс/мм' |
|
||
|
|
|
|
|
* І |
I |
I |
I |
I |
25—27 |
100 |
12 |
13 |
||
32—35 |
127 |
10 |
18 |
|||||||
100 |
120 |
Ѣ0 |
бвв,кіс/мм2 |
|||||||
39—41 |
154 |
|
8 |
21 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
Рис. 206. |
Влияние |
прочности |
49—51 |
200 |
|
6 |
24 |
|||
болтов из стали 38ХГСА на вы |
|
|
|
|
|
|||||
носливость |
соединений |
|
|
|
|
|
|
|||
Основное |
преимущество таких сталей |
состоит в |
более высоких |
(в |
сравнении |
|||||
с углеродистыми) пределах текучести и прочности |
при достаточно высокой пла |
|||||||||
стичности, что необходимо для применения высоких напряжений |
затяжки. |
|||||||||
Следует иметь в виду, что при повышении |
конструкционной |
прочности |
||||||||
материала |
болта |
возрастает |
и выносливость соединений. В табл. |
50 |
приведены |
|||||
187
данные влияния прочности болтов из стали 40ХНМА на выносливость соеди нений с накатанной резьбой M12 X 1,5 и гаек из стали 45 при среднем напря жении ат = 25 кгс/мм2, высота гаек H — 0,8d [34].
Исследованиями обнаружено существенное повышение прочности при уве личении твердости материала. Подобный результат был получен авторами на ' соединениях шпилек из стали ЗОХГСА с нарезанной резьбой М10(л = 0.15S) и гаек из стали 45 (H = 0,8d) (рис. 206).
Накатка существенно повышает выносливость соединений из высокопрочных сталей, однако практическое использование ее при твердости HRC > 36 затруд нено из-за низкой стойкости резьбонакатного инструмента.
Для болтов с высокой твердостью (HRC > 36) следует применять более плавные переходы от головки к стержню и при выходе резьбы, так как такие болты часто разрушаются по указанным местам.
Отметим, что стремление к большим величинам |
аа и аТ не всегда оправдано. |
|||
Например, для углеродистой |
стали 45 при закалке |
с 830—850° С и отпуске при |
||
200° С |
можно получить ав= |
160 -f- 180 |
кгс/мм2 |
и ат = 135 -f- 160 кгс/мм2. |
Однако |
относительное удлинение составит |
всего 2—3%. Материал с такой пла |
||
стичностью не пригоден для машиностроительных конструкций. При температуре
отпуска 600° С получается о„ = 85 -f- 90 кгс/мм2, ат |
= 65 -т- 75 кгс/мм2 и |
Ô = 12 -=- 14%, что допустимо для материала резьбовой |
детали. |
В работе Валькера и Мейера [57] показано, что стремление к высокой проч ности и твердости иногда приводит к существенному снижению предела вынос ливости резьбовых соединений, термически обработанных после изготовления резьбы. Последнее связано с обезуглероживанием поверхностных слоев. У болтов с резьбой, накатанной на термообработанных заготовках, уменьшение предела выносливости при высокой твердости не наблюдается.
На практике при изготовлении болтов и шпилек из легированных сталей (38ХА, 40ХНМА и др.) применяют высокий отпуск при температуре 500—550" С. При этом получают о„= 110-ь 120 кгс/мм2. Повышение пластичности после высокого отпуска благоприятно сказывается на работоспособности соединений при сложных условиях нагружения (при дополнительных изгибающих нагруз ках, динамических перегрузках и т. д.).
|
Наряду с указанными сталями в ряде отраслей |
машиностроения применяют, |
||||||
для |
изготовления |
болтов, шпилек и |
гаек |
нержавеющие стали аустенитного |
||||
и |
аустенитно-мартенситного |
классов |
(Х18Н10Т, |
1Х17Н2, СН-2а, |
ВНС-5 |
|||
и др.). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Перспективными из них |
являются |
стали СН-2а и ВНС-5 [23]. Структура |
|||||
этих сталей |
после |
закалки |
на воздухе с |
температуры растворения |
карбидов |
|||
в основном |
аустенитная. Последующей |
обработкой |
холодом (при —70°С 2 ч или |
|||||
при —50° С 4 ч) достигается упрочнение, в процессе которого происходит мартенситное превращение.
Эти стали отличаются высокой коррозионной стойкостью, вязкостью, пла
стичностью при достаточно большой прочности |
(а„ = 125 |
кгс/мм2 |
для стали |
СН-2а и ав = 145 кгс/мм2 — для стали ВНС-5), |
а также |
малой |
чувствитель |
ностью к действию значительных концентраторов напряжений. Последнее имеет важное значение для динамически нагруженных соединений.
Исследования показали, что предельная |
амплитуда напряжений соединений |
|||
с накатанной |
резьбой |
М8 составила аап = |
13,5 кгс/мм2 для болтов |
из стали |
СН-2а и а 0 „ = |
9 кгс/мм2 |
для болтов из стали |
1Х17Н2 при одинаковой |
техноло |
гии изготовления.
В последние годы широкое распространение получили болты из титановых сплавов. Эти сплавы имеют более высокие пределы выносливости, нежели стали с такой же прочностью на гладких образцах. Однако малая пластичность и высо кая чувствительность к качеству поверхностного слоя приводят к резкому сни жению выносливости резьбовых соединений из этих сплавов.
Авторами проведено исследование влияния конструктивных факторов на
выносливость резьбовых |
соединений из сплава ВТ9 (ов = 115 ч- 120 кгс/мм2; |
о , = 103 н- ПО кгс/мм2; |
Ô -= 6 ч- 8%. |
Испытывались соединения шпилек и гаек с различными исполнениями резьбы: MIO X 0,75, MIO X 1,0, MIO X 1,25 и MIO X 1,5 (см. рис, 186).
188
Резьба одной партии шпилек нарезалась на токарно-винторезном станке резцами с пластинами из твердого сплава ВК8, заточенными на оптико-шлифо вальном станке. Профиль резьбы контролировался на инструментальном микро скопе. Основные размеры профилей резьбы при различных шагах приведены в табл. 38. Чистота поверхности резьбы соответствовала б-му классу. Резьба дру гой партии шпилек накатывалась на резьбонакатиом станке GWR-80 роликами диаметром D = 170 мм, изготовленными из стали Х12Ф1 с наибольшей радиаль ной подачей. В качестве смазочно-охлаждающей жидкости применялся сульфофрезол.
Допуски на резьбу шпилек и гаек находились |
в пределах |
1-го класса точ |
|||||||||||||||
ности. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Испытания на выносливость проводили на машине резонансного типа с ча |
|||||||||||||||||
стотой 90—95 гц при средних |
номинальных |
напряжениях |
ат |
= (0,2 ч- 0,7) аТ |
|||||||||||||
(по резьбовой |
части) |
|
на |
базе |
107 цик |
|
|
|
|
|
|
||||||
лов. Напряжения в процессе испыта |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
ний контролировали |
тензометрическим |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
способом. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Результаты исследования |
влияния |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
шага и радиуса закругления во впа |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
динах |
приведены в табл. 38, а на |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
рис. 207 |
показаны |
типичные |
кривые |
|
|
|
|
|
|
||||||||
усталости для соединений с резьбой |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
MIO X |
1,25. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Установлено, |
что |
с |
увеличением |
|
|
|
|
|
|
||||||||
радиуса |
закругления |
|
во |
впадинах |
|
|
|
|
|
|
|||||||
резьбы |
от г -— 0 до |
г — 0.4S |
предел |
|
|
|
|
|
|
||||||||
выносливости |
аап |
повышается ' более |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
чем в 2 раза. При одинаковом |
отноше |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
нии r/S |
шаг резьбы так же; как и для |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
сталей, |
практически |
не |
влияет на вы |
Рис. 207. |
Кривые |
усталости |
резьбо |
||||||||||
носливость соединений. |
|
|
|
||||||||||||||
Интересно |
отметить, |
что выносли |
вых соединений из титанового сплава |
||||||||||||||
ВТ9 (номера кривых соответствуют но |
|||||||||||||||||
вость |
соединений из |
сплава |
ВТ9 и |
||||||||||||||
мерам профилей |
резьб на рис. 186) |
||||||||||||||||
стали |
38ХА |
с |
нарезанной |
резьбой |
|||||||||||||
практически |
|
одинаковая. |
Накатыва |
|
|
|
|
|
|
||||||||
ние резьбы |
при |
радиусе закругления |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
во впадинах |
г= |
0,108S |
не |
повышает выносливости |
соединений, а при |
некото |
|||||||||||
рых режимах может существенно снизить значение |
а а п . |
|
можно |
сущест |
|||||||||||||
Увеличением |
радиуса |
закругления |
до |
г = (0,2 ч- 0,3) S |
|||||||||||||
венно |
повысить |
выносливость |
соединений из |
титановых сплавов (см.табл. 39). |
|||||||||||||
.При возрастании среднего напряжения в соединениях из титановых сплавов
наблюдается более интенсивное |
снижение предельной амплитуды напряжений |
(см. табл. 39), чем в соединениях |
из сталей. Это может быть объяснено меньшей |
глубиной проникновения сжимающих остаточных напряжений от накатывания вследствие низкой пластичности титанового сплава.
Отметим, |
что |
увеличение радиуса |
закругления |
во |
впадинах |
резьбы до |
||
г = (0,2 ч- 0,25) S |
является |
необходимым условием |
для |
применения |
и обеспе |
|||
чения надежной работы ответственных резьбовых |
соединений |
из |
титановых |
|||||
сплавов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Статические испытания (см. табл. 40) показали, что при увеличении радиуса |
||||||||
во впадинах |
резьбы г > 0,3S |
статическая |
прочность |
соединений |
снижается. Это |
|||
связано с уменьшением перекрытия витков и увеличением напряженности в наи
более нагруженных |
сечениях |
витков. |
Однако усилие, разрушающее |
резьбу |
в соединениях с r = |
0.3S и Н |
— 0,8а\ |
практически не отличается от |
усилия, |
разрушающего стержень болта (шпильки). Статическая прочность резьбы соеди
нений с |
0,3S может быть повышена путем увеличения высоты гайки до |
Я = (1 ч- |
1,2) d. |
Важно отметить, что применение стальных гаек взамен титановых (для улучшения свинчиваемости соединений) снижает предел выносливости на 10—15% из-за ухудшения распределения нагрузки между витками.
189