Резьба - это поверхность, образованная при винтовом движении произвольного плоского контура по боковой поверхности цилиндра или конуса.
К наиболее эффективным конструктивным решениям, повышающим сопротивление усталости резьбы, следует отнести разработку вариантов асимметричной резьбы, резьбы с переменным шагом на длине свинчивания резьбовой пары и увеличение радиуса скругления впадины резьбы. По условиям взаимозаменяемости и ввиду технологических трудностей практическую реализацию в высокопрочных болтах получило только увеличение радиуса скругления впадины резьбы.
ГОСТ 9150-81 на резьбы метрические предусматривает изготовление резьбы болта с закругленной впадиной радиусом R = (0,1 0,144) Р, где Р — шаг резьбы. За рубежом и в некоторых отраслях отечественной промышленности для изготовления крепежных изделий из высокопрочных и титановых сплавов используют резьбу по стандарту ИСО 5855, основной профиль которой для болтов представлен на рис. 1. Радиус скругления впадины резьбы болта R по ИСО 5855 равен (0,150 0,180) Р Дальнейшее увеличение радиуса скругления впадины резьбы не представляется возможным, так как приводит к снижению статической прочности резьбового соединения. Расчеты показывают, что при изменении относительного радиуса впадины резьбы от 0 , 1Р до 0,2Р коэффициент концентрации напряжений в рабочей части резьбы изменяется от 7,75 до 5,35. Резьба по стандарту ИСО 5855 только за счет увеличенного радиуса впадины дает по сравнению с резьбой метрической по
ГОСТ 9150-81 фактическое увеличение малоцикловой усталости на 30 и 43%, много-цикловой усталости в 1,5-5,2 и 1,3-2,7 раза соответственно для болтов из титанового сплава ВТ16 и легированной конструкционной стали 16ХСН. Следует иметь в виду, что увеличение радиуса скругления впадины резьбы на болтах потребовало увеличения внутреннего диаметра гайки с 0,25Н до 0,312Н, где Н — теоретическая высота профиля резьбы (рис. 2).
.png)
|
Рис. 1. Базовый (1), максимальный (2) и минимальный (5) профили резьбы высокопрочных болтов
|
Рис. 2. Базовый профиль резьбы высокопрочных соединений |
Это необходимо для исключения повреждения впадины резьбы болта класса точности 4h6h гайкой при навинчивании, что, безусловно, недопустимо в высокопрочном резьбовом соединении. Полнее использовать конструктивные возможности увеличения сопротивления усталости высокопрочных болтов M l2 и выше позволяет применение гаек с резьбой неполного профиля от опорного торца (рис. 3). При этом малоцикловая усталость болтов увеличивается не менее чем на 20%, предел усталости на 65-70%. Существенное влияние на сопротивление усталости резьбовых деталей оказывает технология изготовления резьбы. Получение резьбы по оптимальным техническим процессам может до десятков раз увеличить циклическую долговечность, предельную амплитуду переменных напряжений цикла, повысить термическую стабильность и коррозионную стойкость.
Большинство исследователей отмечают увеличение сопротивления усталости накатанной резьбы по сравнению со шлифованной и нарезанной. Этому способствует непрерывное расположение волокон металла параллельно профилю резьбы, упрочняющее ее (рис. 4). Например, при переходе от нарезания к накатыванию резьбы на болтах Мб из титанового сплава ВТ16 возрастает минимальное значение малоцикловой усталости с 2600 до 6800 циклов, а предел усталости увеличивается в 2 раза. Влияние технологии изготовления проявляется через ряд факторов качества поверхностного слоя резьбы, среди которых сжимающие остаточные напряжения, их распределение в поверхностном слое впадины резьбы играют первостепенную роль. Роль их особенно велика при накатывании резьбы, упрочнении поверхностным
.png)
| Рис. 3. Гайка для высокопрочных болтов |
|
Рис. 4. Расположение волокон металла накатанной резьбы |
Известно, что термическая обработка болтов с накатанной резьбой снижает их циклическую долговечность до уровня болтов с нарезанной резьбой. Упрочненный поверхностный слой теряет свои преимущества, так как при нагреве происходит снятие сжимающих остаточных напряжений в нем, а при закалке возможно появление в поверхностных слоях растягивающих напряжений из-за неравномерности охлаждения. При этом происходят фазовые превращения, неравномерно распределяющиеся по сечению, что резко снижает сопротивление усталости. Таким образом, для получения максимального сопротивления усталости болтов по резьбе накатывание резьбы должно осуществляться после полной термообработки болтов. Для легированной стали 16ХСН это дает увеличение циклической долговечности в 5 раз, предела усталости в 1,6 раза; для коррозионно-стойкой стали 03X11Н10М2Т-ИЛ увеличение циклической долговечности в 1,76 раза, предела выносливости в 1,22 раза; для жаропрочных сталей 13X11Н2В2МФ-Ши 10X11H23T3MP увеличение циклической долговечности в 4 и 2,5 раза, предела выносливости в 1,6 и 1,34 раза соответственно.
Создание во впадине резьбы сжимающих остаточных напряжений может быть реализовано не только накатыванием или обкатыванием резьбы, но и другими методами ППД. Циклическая долговечность и предел выносливости повышаются после упрочнения резьбы микрошариками. Этот вид упрочнения создает стабильные остаточные напряжения сжатия при малой степени и небольшой глубине наклепанного слоя. Обдувка микрошариками может стать незаменимым способом упрочнения резьбы при изготовлении болтов из высокопрочных сталей σв = 1850 МПа и выше, таких как 03Н18К9М5Т-ЭЛ и другие, когда накатывание резьбы после упрочняющей термической обработки осложняется ввиду малой стойкости резьбо-образующего инструмента.
Существенно влияет на сопротивление усталости резьбы химико-термическая обработка и состояние покрытия. Азотирование, цементация, анодное оксидирование приводят к появлению в поверхностных слоях резьбы сжимающих остаточных напряжений, что повышает сопротивление усталости болтов. Причем этот эффект может достаточно широко изменяться в зависимости от режимов обработки, исходного состояния поверхности и т. д.
КЛАССИФИКАЦИЯ РЕЗЬБ
Все резьбы можно разделить на следующие группы:
1) по форме – цилиндрические, у которых вершины профиля лежат на цилиндрической поверхности, и конические, у которых вершины профиля лежат на конической поверхности;
2) по расположению – наружная резьба, расположенная по наружной поверхности детали (винт, труба и т. д.) и внутренняя—расположенная по внутренней поверхности детали (гайка, муфта);
3) по форме профиля – треугольная, трапецеидальная, упорная, круглая;
4) по числу заходов – однозаходная и многозаходная;
5) по направлению нарезки – правая и левая;
6) по размерности – метрическая и дюймовая;
7) по назначению – общего и специального назначения.
ОСНОВНЫЕ СТАНДАРТЫ РЕЗЬБЫ
SAE - (Society of Automotive Engineers) – американский стандарт, дюймовая резьба (60°);
JIC - (Joint Industrial Counsil) - американский стандарт, дюймовая резьба (60°);
JIS - (Japanese Industrial Standard) - японский стандарт;
DIN - (Deutsche Institute fur Normung) - немецкий стандарт, метрическая резьба (60º);
BSP - (British Standard Pipe) - английский стандарт;
BSPT - трубная коническая (Tapered) резьба (55°);
BSPP - трубная цилиндрическая (Parallel) резьба (55°);
BSW - ( British Standard Whitworth) - английский стандарт, цилиндрическая резьба Витворта (55°);
UN - (Unified thread) - американский стандарт (60°);
UNF - мелкая (Fine) дюймовая резьба;
UNC - крупная (Coarse) дюймовая резьба;
UNS - специальная (special) резьба;
NPT - (National Pipe Tapered) - американский стандарт (60°);
NPTF - трубная коническая резьба для топлива (fuel);
NPSM - трубная цилиндрическая ( Straight Mechanikal) резьба;
SF - (Straight Flange) - прямое фланцевое соединение ORFS – фланцевое соединение с уплотнительным О-Ring;
ГОСТ 9150-81 - метрическая резьба (60°) - аналог ISO;
ГОСТ 25229-82 - метрическая коническая резьба (60°);
ГОСТ 6111-52 - коническая дюймовая резьба (60°) - аналог NPTF;
ГОСТ 6357-81 - трубная цилиндрическая резьба (55°) - аналог BSPP;
ГОСТ 6211-81 - трубная коническая резьба (55°) – аналог BSPT;
ГОСТ 633-80 - трубы гладкие, высокогерметичные и с высаженными; наружу концами, и муфты к ним (NKT).
