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

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]:

F cp =n dL св K г K м Т ср , (1)

где d – наружный диаметр внутренней резьбы; L _св – длина свинчивания резьбового соединения; K г – коэффициент полноты резьбы, характеризующий длину контакта (перекрытие) витков резьбы болта и гайки (для метрической резьбы М5×0,8 K г = 0,8 [2]); K м – коэффициент, учитывающий неравномерность деформирования витков по высоте гайки при наличии пластической деформации ( K м = 0,75 [2]); τ в.г – предел прочности на срез (если сталь 08кп, то τ в.г = 200 МПа [3]).

Длина свинчивания определяется как [4]:

L = h св

1 (0,866P )2 A 2

+ 3,

где h – высота нижней отбортовки; Р – шаг резьбы; Δ – толщина основания отбортовки; δ – 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- 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

δ, мм	Р ос , Н	Т , °С	h , мм	Δ, мм	h 1 , мм	L св	F р , Н	F эк , Н
2,0	440	540	2,5	0,9	1,0	3,7	5780	9400
1,5	220	400	2,3	0,8	0,8	2,3	4330	6300
1,0	150	350	2,2	0,7	–	1,1	1880	2270
0,8	120	300	2,2	0,7	–	0,9	1600	2210

Примечание. Диаметр пуансона d = 4,2 мм, материал пуансона – ВК6, резьба – М5×0,8, материал заготовки – 08кп, 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: δ = 2,0 мм, d = 4,2 мм

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

L , 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: δ = 0,8 мм, d = 5 мм

L , мм	HB	№ 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: δ = 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).