Прочность резьбового соединения на срез в отверстиях с отбортовками, образованных вращающимся пуансоном в тонколистовых заготовках

УДК 621.901.621.9

ПРОЧНОСТЬ РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ НА СРЕЗ В ОТВЕРСТИЯХ С ОТБОРТОВКАМИ, ОБРАЗОВАННЫХ ВРАЩАЮЩИМСЯ ПУАНСОНОМ В ТОНКОЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВКАХ

В.И. Гузеев, П.В. Шаламов

STRENGTH OF THE CONNECTING THREAD IN THE FLANGE HOLES MADE BY ROTATING TOOL IN THIN SHEET WORKPIECE

V.l. Guzeev, P.V. Shalamov

Представлены расчетные и экспериментальные данные прочности резьбового соединения на срез в отверстиях с отбортовками, образованных в тонколистовых заготовках вращающимся пуансоном.

Ключевые слова: прочность, нагрев, резьбовое соединение, отверстие с отбортовками.

The calculated and experimental data on the strength of the connecting thread in the flange holes made in thin sheet workpieces by rotating tool are presented.

Keywords: strength, heating, connecting thread, flange hole.

Известен способ формообразования отверстий с отбортовками в тонколистовых заготовках под резьбу, связанный с нагревом материала заготовки за счет сил трения, с последующим пластическим деформированием заготовки [1]. В настоящей работе приведены результаты расчетных и экспериментальных исследований прочности резьбового соединения на срез и микротвердости в зоне деформирования металла.

Разрушение резьбовых соединений (при статических и переменных нагрузках) происходит, как правило, из-за среза витков резьбы, а также из-за разрушения болтов и шпилек по резьбовой части. Сила, вызывающая срез витков резьбы гайки, равняется [2]:

^р =П4вKг^Тср ,

где d - наружный диаметр внутренней резьбы; Lсв - длина свинчивания резьбового соединения; Kг - коэффициент полноты резьбы, характеризующий длину контакта (перекрытие) витков резьбы болта и гайки (для метрической резьбы М5*0,8 Kг = 0,8 [2]); ^ - коэффициент, учитывающий неравномерность деформирования витков по высоте гайки при наличии пластической деформации (Kм = 0,75 [2]); твг - предел прочности на срез (если сталь 08кп, то твг = 200 МПа [3]).

Длина свинчивания определяется как [4]:

\2 '

^св

1

А 2

+ 5,

где h - высота нижней отбортовки; Р - шаг резьбы; А - толщина основания отбортовки; 5 - толщина заготовки.

Для проведения расчетов прочности резьбового соединения на срез необходимо знать высоту отбортовок и толщину их основания. Для этого были образованы отверстия с отбортовками в листовых заготовках толщиной 2; 1,5; 1 и 0,8 мм вращающимся пуансоном диаметром 4,2 мм под резьбу М5*0,8. Режимы формообразования отверстий, а также длина свинчивания и геометрические параметры отбортовок приведены в таблице. Там же приведены расчетные и экспери-

Контроль и испытания

ментальные значения силы, вызывающей срез витков резьбы в образцах. Для определения экспериментального значения прочности резьбового соединения на срез в образцах была нарезана резьба М5*0,8 и ввинчены анкерные болты. Испытание образцов производилось на прессе Tinius Olsen H100KU при скорости нагружения 1,5 мм/мин. Изменение нагрузки до разрушения витков резьбы фиксировалось компьютером, подключенным к прессу.

Влияние геометрических размеров нижней отбортовки отверстия на расчетную и экспериментальную прочность резьбы на срез

5, мм Я ос Р Т, °С h, мм А, мм hl, мм ^св F>, Н F«, Н

2,Q 44Q 54Q 2,5 Q,9 l,Q 3,7 57SQ 94QQ

1,5 22Q 4QQ 2,3 Q,S Q,S 2,3 433Q 63QQ

l,Q 15Q 35Q 2,2 Q,7 - 1,1 1SSQ 227Q

Q,S 12Q 3QQ 2,2 Q,7 - Q,9 16QQ 221Q

Примечание. Диаметр пуансона d = 4,2 мм, материал пуансона - ВК6, резьба - М5*0,8, материал заготовки - 08 кп, материал болта - Ст3.

Из таблицы следует, что для всех образцов расчетная нагрузка на срез витков резьбы меньше экспериментальной. Такое различие может быть связано с пластическим упрочнением в зоне формообразования отверстий. Для проверки данного утверждения были проведены эксперименты на прочность резьбового соединения на срез в заготовках толщиной 2 мм с отверстиями, образованными различными методами. В одном случае отверстие было образовано вращающимся пуансоном с последующим срезом верхней и нижней отбортовок, а в другом - отверстие было образовано сверлом диаметром 4,2 мм. После этого в отверстиях была нарезана резьба М5*0,8 и проведено разрушение резьбы на прессе Tinius Olsen H100KU. Результаты проведения экспериментов приведены на графиках (рис. 1 и 2). Из анализа графиков видно, что прочность резьбового соединения в заготовке, образованного вращающимся пуансоном, составляет 6100 Н, а образованного сверлением - 4110 Н.

Рис. 1. Диаграмма разрушения резьбового соединения М5х0,8 в образце толщиной 2 мм

со срезанными отбортовками

Рис. 2. Диаграмма разрушения резьбового соединения М5х0,8 в образце толщиной 2 мм, отверстие в котором образовано сверлением

Для подтверждения вышеприведенных результатов были проведены исследования микротвердости металла в зоне отверстия, в котором производилось нарезание резьбы. Для этого были изготовлены образцы отверстий с отбортовками в заготовках, полученных из стали 08кп толщиной 2,0 и 0,8 мм вращающимся пуансоном диаметром 4,2 мм, на которых было произведено измерение микротвердости (рис. 3 и 4). Образцы распиливались по оси отверстия. Распиленные поверхности шлифовались и полировались на двухшпиндельном шлифовальном станке ПШСМ-2 и с помощью твердомера марки ПМТ-3 замерялась микротвердость поверхности образцов на различном расстоянии от отверстия. Результаты измерения микротвердости приведены на рис. 5 и 6.

Рис. 3. Образец шлифа для измерения микротвердости в зоне деформированного металла отверстия: б = 2,0 мм, d = 4,2 мм

Рис. 4. Образец шлифа для измерения микротвердости в зоне деформированного металла отверстия: б = 0,88 мм, d = 4,2 мм

Контроль и испытания

Ь, мм НВ № точки

0,1 169 1

0,5 144 2

1 136 3

1,5 127 4

2 128 5

2,5 134 6

3 132 7

Рис. 5. Микротвердость металла образца при удалении от поверхности деформирования:

б = 0,8 мм, d = 5 мм

Ь, мм НВ № точки

0,1 187 1

0,5 162 2

1 148 3

1,5 136 4

2 136 5

2,5 136 6

3 133 7

3,5 130 8

4 130 9

4,5 127 10

5 127 11

5,5 127 12

6 126 13

Рис. 6. Микротвердость металла образца при удалении от поверхности деформирования:

б = 2,0 мм, d = 5 мм

Анализируя данные, представленные на рис. 5 и 6, можно увидеть, что в зоне деформации, прилегающей к внутренней поверхности отверстия, изготовленного вращающимся пуансоном в листовой заготовке толщиной 2,0 и 0,8 мм, происходит упрочнение металла. Зона упрочнения отверстия заготовки толщиной 0,8 мм составляет 1 мм (рис. 5), а для отверстия, образованного в заготовке 0,8-2,5 мм (рис. 6). Высота резьбы в обеих ситуациях составляет 0,52 мм при Р = 0,8.

Следовательно, резьба в отверстии находится в зоне упрочнения, что объясняет более высокие значения нагрузки разрушения витков резьбы в проведенных экспериментах, по сравнению с расчетными значениями (см. таблицу).

Литература

1. Шаламов, П. В. Формирование отверстий вращающимся пуансоном в листовой заготовке / П.В. Шаламов //Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». - 2011. - Вып. 18. - № 31 (248). -С. 81-84.

2. Иванов, М.Н. Детали машин: учеб. для вузов / М.Н. Иванов. - М. : Высш. шк., 1984. -336 с.

3. Общетехнический справочник / под ред. Е.А. Скороходова. - М. : Машиностроение, 1982. -416 с.

4. Гузеев, В.И. Определение параметров отбортовки и длины свинчивания при изготовлении отверстия вращающимся пуансоном в тонколистовом металле / В.И. Гузеев, П. В. Шаламов, С.Е. Радийчук // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2010. - № 2. - С. 25-29.

Поступила в редакцию 15 февраля 2012 г.

Гузеев Виктор Иванович. Доктор технических наук, профессор, почетный машиностроитель России, заведующий кафедрой «Технология машиностроения», Южно-Уральский государственный университет. Область научных интересов - совершенствование технологических процессов для станков с ЧПУ. Тел.: (351) 267-92-73; е-mail: tbikump@susu.ac.ru

Viktor I. Guzeev. The doctor of engineering science, professor, the head of Engineering techniques department, South Ural state university. The area of scientific interests - improving the efficiency of operations face milling on CNC machines. Те1.: (351) 267-92-67; е-mail: tbikump@susu.ac.ru

Шаламов Павел Викторович. Старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения», Южно-Уральский государственный университет. Область научных интересов - формообразование резьбовых соединений в тонколистовых заготовках. Тел.: (351) 267-92-67; е-mail: traktor1977@mail.ru

Pavel V. Shalamov. Assistant professor of Engineering techniques department, South Ural state university. The area of scientific interests - manufacturing carving connection in sheet metal. Те1: (351) 267-92-67; е-mail: traktor1977@mail.ru