
كيف يمكننا جعل البراغي تدوم لفترة أطول تحت الضغط؟ تستكشف هذه المقالة طرق تعزيز قوة إجهاد البراغي الضرورية لمنع الأعطال في البيئات عالية الإجهاد مثل المحركات. تعرف على كيفية اختيار المواد والمعالجات الحرارية وتقنيات التصميم التي يمكن أن تطيل عمر البراغي بشكل كبير. تابع القراءة لاكتشاف الإستراتيجيات الرئيسية التي تضمن أن تظل مثبتاتك موثوقة حتى في أصعب الظروف.
في المعدات الحديثة، غالباً ما تعمل البراغي في المعدات الحديثة تحت أحمال متغيرة. على سبيل المثال، يعمل نوع من مسامير رأس أسطوانة محرك الاحتراق الداخلي في بيئة قاسية تحت شد متكرر.
لا يسمح الهيكل بزيادة حجم البرغي، مما يستلزم تعزيز قوته ومقاومة إجهاد الشد.
بعبارة أخرى، هناك متطلبات أعلى لعمر إجهاد الشد لهذه البراغي.
نظرًا لتنوع متطلبات المستخدم وتنوع بيئات التشغيل المختلفة للمثبتات، فمن الضروري وضع واختيار مؤشرات العمر المتوقع في بيئات موحدة، حيث تكون ظروف التحميل هي العامل الأكثر أهمية.
ظروف التحميل المشار إليها هنا هي قيم الحمل القصوى والدنيا المطبقة على البرغي أثناء اختبار الكلال.
في الوقت الحالي، تحدد كل من معايير ISO ومعاييرنا الوطنية للمسامير ذات تصنيف σb ≥1200MPa قيمة الحمل القصوى بـ 46% من الحد الأدنى لحمل فشل الشد للمسمار - قيمة K (عامل التحميل).
تحدد المواصفات القياسية القيم القياسية للحمل الأدنى للفشل للمسامير ذات الأقطار المختلفة.
تُستخدم هذه القيم كأساس لقبول قوة الشد الاستاتيكية وأساس حمل اختبار التعب (الحد الأقصى لحمل اختبار الشد الناتج عن التعب = الحد الأدنى من حمل الشد × عامل الحمل K).
على سبيل المثال، بالنسبة للبراغي ذات الرؤوس السداسية المصنوعة من سبائك الصلب، يتم تعيين قيمة K عند 0.46.
يتم تحديد الحد الأدنى للحمل في اختبار الشد الناتج عن الإجهاد من خلال نسبة الحمل R. R = الحد الأدنى للحمل / الحد الأقصى للحمل، R = 0.1.
بموجب شروط الحمل المذكورة أعلاه، يوجد مؤشر عمر موحد. وهذا يعني أنه من بين عينات العينات المحددة، لا يقل الحد الأدنى لعدد الدورات عن 4.5 × 104.
أي عدد يتجاوز 13×104 في العينات 13 × 10 × 13 × 104 لأغراض حساب المتوسط.
ووفقًا للمعايير ذات الصلة في الصين (مثل GB/T 3098.1-2000)، يتم تحديد متطلبات أداء الإجهاد فقط للبراغي ذات σb σ≥1200MPa.
السبب الرئيسي لفرض متطلبات أداء الإرهاق على فولاذ عالي القوة هو أنه على الرغم من تعزيز قوته، إلا أن احتياطي اللدونة المادية أدنى بشكل ملحوظ من الفولاذ متوسط ومنخفض القوة.
من الواضح أن مقارنة هذا الشرط مع السبائك القائمة على النيكل وسبائك التيتانيوم، التي تتمتع بقوة أعلى واحتياطي مرونة جيد، غير مناسب. على سبيل المثال، 40CrNiMo، و30CrMnSi، إلخ.
إذا اخترنا سبيكة ذات قوة أعلى مادة الصلب مثل سبيكة INCONEL 718 الأمريكية، والتي يمكن أن تكون قوتها أعلى من 1600 ميجا باسكال، فإنها ستظهر قيم عمر افتراضي عالية أثناء اختبار الكلال في ظل ظروف التحميل النموذجية. لنأخذ البرغي M6 كمثال.
إذا كان حمل اختبار الإجهاد المحدد من قبل المعيار هو 11.01 كيلو نيوتن، وحمل فشل الشد الساكن هو 23.93 كيلو نيوتن، في حين أن حمل فشل الشد الساكن الفعلي لسبائك INCONEL 718 يمكن أن يصل إلى 35 كيلو نيوتن.
إذا كنا لا نزال نستخدم 11.01 كيلو نيوتن كحد أقصى لحمل الشد الساكن لاختبار التعب، فسيكون ذلك مكافئًا لـ 31% فقط من حمل الشد الساكن، وبطبيعة الحال، ستكون قيمة عمره أعلى.
ومع ذلك، بالنسبة للمواد عالية القوة مثل 30CrCrMnSiNi، تكون حساسيتها للشق عالية للغاية، وتكون قيم عمرها أثناء اختبارات إجهاد الشد منخفضة للغاية. وهي غير مناسبة للاستخدام في المكونات الملولبة التي تتطلب مقاومة إجهاد الشد.
في حين أن بعض المواد يمكن أن تتطابق مع حمل فشل الشد الاستاتيكي لـ سبائك الفولاذ مثل 30CrMnSi 30CrMnSi، فإنها تفشل في تلبية المتطلبات القياسية في اختبارات عمر الكلال عند مستوى الحمل نفسه، مثل سبائك التيتانيوم Ti6Al4V.
لمواءمة قيمة عمر إجهادها مع 30CrMnSi وسبائك الفولاذ الأخرى، يجب تخفيض مستوى الحمل إلى 40% (أي أخذ قيمة K عند 40%) وبالنسبة للأنواع الأخرى من سبائك التيتانيوم (مثل Ti21523)، يجب تخفيض K إلى 36%.
ومع ذلك، فإن هذا النهج ينطوي على إشكالية: عادةً ما يكون سبائك التيتانيوم تتمتع البراغي ذات القوة الساكنة المكافئة بأداء إجهاد أفضل من البراغي الفولاذية المماثلة.
هذا هو الفهم الأساسي لخصائص المواد المختلفة. في هذه الحالة، يمكن بالتأكيد أن تكون قيمة K لبراغي سبائك التيتانيوم أعلى من 0.46، وبالتأكيد ليست منخفضة مثل 0.36.
ولذلك، بالنسبة للوصلات المثبتة بمسامير والتي تتطلب قوة شد ثابتة عالية وعمر إجهاد شد أعلى، فإن اختيار المواد يجب أن تحظى بالاهتمام المناسب.
الكسر الناتج عن الإرهاق والكسر المتأخر هما سببان رئيسيان لفشل المكونات الميكانيكية، وهو مفهوم مربك. وغالبًا ما يرجع الكسر المتأخر في البراغي إلى سلوك التلف الناجم عن الهيدروجين الناجم عن الطلاء السطحي، وهو أمر لا علاقة له أساسًا بالكسر الناتج عن الكلال.
وبصفة عامة، عندما تكون قوة الشد للصلب حوالي 1200 ميجا باسكال، تزداد قوة الكلال ومقاومة الكسر المتأخر مع زيادة القوة والصلابة.
ومع ذلك، عندما تتجاوز قوة الشد 1200MPa تقريبًا، فإن قوة الإجهاد تستمر في الزيادة، وتنخفض مقاومة الكسر المتأخر بشكل حاد بدلاً من ذلك.
معظم الفولاذ المستخدم في التصنيع الميكانيكي متوسط سبائك الصلب الكربونيتُستخدم في حالة مخففة، وتتراوح قوة الشد في الغالب بين 800 و1000 ميجا باسكال.
إن زيادة قوته ليست صعبة، ولكن التحدي الأكبر يكمن في حل مشكلة قصر العمر الافتراضي بعد تعزيز القوة.
فشل التعب والإجهاد ومشكلات الكسر المتأخر هي العوائق الرئيسية التي تحول دون استخدام الفولاذ عالي القوة والعمر الطويل في التصنيع الميكانيكي.
تُعد المعالجة الحرارية عاملاً حاسمًا، وخاصةً التقسية أثناء عملية التبريد من البراغي عالية القوة. في منطقة التقسية ذات درجة الحرارة العالية، من المحتمل أن تتكون شوائب مثل الكبريت والفوسفور.
عندما تتراكم هذه الشوائب على حدود الحبيبات يمكن أن تؤدي إلى الكسر الهش، خاصةً عندما تتجاوز الصلابة 35 HRC، يزداد الميل إلى الهشاشة بشكل كبير.
قبل التعزيز، يكون احتمال فشل إجهاد الشد في السحابات الملولبة على النحو التالي: 65% من حالات الفشل تحدث عند أول اشتباك مع الصامولة، و20% من حالات الفشل تحدث عند الانتقال بين الخيط والساق (على الرغم من أن هذا البيان دقيق بشكل عام، إلا أنه يجب ملاحظة أن السبب الأساسي لفشل الإجهاد عند هذه النقاط لا يزال يرجع إلى تركيز الإجهاد العالي)، والذي يكون في نهاية الخيوط، و15% من حالات الفشل تحدث عند نصف قطر الانتقال بين رأس البرغي والساق، كما هو موضح في الشكل 1.
يجب التأكيد على أن هذه الإحصائيات تستند إلى شرط عدم تلف خطوط التدفق المعدني للقفل بأكمله.
ولتحسين عمر إجهاد الشد، يمكن اتخاذ تدابير في كل من شكل البرغي ومعالجته، حيث إن أكثر الطرق فعالية حاليًا هي كما يلي
2.2.1 استخدام خيوط MJ (أي الخيوط المقواة)
يكمن الفرق الأساسي بين خيوط MJ والخيوط العادية في القطر الصغير (d1) ونصف القطر (R) للخيوط الخارجية، كما هو موضح في الشكل 2.
الميزة الرئيسية للسنون اللولبية MJ هي القطر الصغير (d1) الأكبر من السنون اللولبية العادية، مع زيادة نصف قطر الشريحة الجذرية، مما يقلل من تركيز الضغط في البرغي.
يتم إعطاء متطلبات محددة لـ R (Rmax=0.18042P، Rmin=0.15011P، P هي درجة الانحدار)، في حين أن الخيوط العادية ليس لها مثل هذه المتطلبات ويمكن أن تكون مستقيمة. هذا التغيير الكبير يعزز بشكل كبير أداء إجهاد الشد للقطر الصغير.
في الوقت الحالي، تُستخدم خيوط MJ على نطاق واسع في مسامير الفضاء الجوي.
2.2.2 تحسين أداء التعب الخيطي
باستخدام عملية دحرجة الخيط، وبسبب تأثيرات تصلب الشغل على البارد، يوجد إجهاد انضغاطي متبقي على السطح، مما يسمح بالتدفق الاتجاهي للألياف المعدنية الداخلية في البرغي ليكون عقلانيًا وغير منقطع.
وبالتالي، يمكن أن تكون قوة الإجهاد من 30% إلى 40% أعلى من تلك الخاصة بالخيوط التي يتم تشكيلها عن طريق الخراطة.
إذا كان الخيط ملفوفًا بعد المعالجة الحرارية، فإنه يقوي سطح الجزء ويخلق الإجهاد المتبقي طبقة، والتي يمكن أن تعزز حد إجهاد السطح للمادة بمقدار 70% إلى 100%.
تتميز هذه العملية أيضًا بمزايا مثل الاستخدام العالي للمواد، ومعدل الإنتاج العالي، وتكلفة التصنيع المنخفضة. يوضح الجدول 1 قيم عمر التعب في ظل طرق المعالجة المختلفة.
مادة برغي الاختبار هي 30CrMnSiA، ومعيار البرغي هو GJB 121.2.3، ويتم اختبار 6×26 (أي MJ6) لإجهاد الشد وفقًا لطريقة الاختبار، مع حمل إجهاد الاختبار: Pmax= 10.1 كيلو نيوتن، Pmin= 1.01 كيلو نيوتن. النتائج موضحة في الجدول 1.
الجدول 1: عمر التعب (عدد الدورات) في ظل طرق المعالجة المختلفة
رقم الاختبار | A | B | C | D |
قبل المعالجة الحرارية، قم بلف البرغي الملولب على البارد. | قبل المعالجة الحرارية، لا تقم بلف البرغي الملولب على البارد. | بعد المعالجة الحرارية، قم بلف البرغي الملولب على البارد. | بعد المعالجة الحرارية، لا تقم بلف البرغي الملولب على البارد. | |
1 | 17800 | 13800 | 130000 | 130000 |
2 | 11900 | 11600 | 130000 | 93700 |
3 | 13400 | 17400 | 130000 | 70400 |
4 | 20100 | 8700 | 130000 | 103300 |
5 | 15500 | 18100 | 130000 | 98600 |
6 | 18000 | 15200 | 130000 | 51300 |
1 | 14100 | 11300 | 130000 | 95800 |
8 | 8400 | 12000 | 130000 | 88100 |
9 | 18200 | 17300 | 127600 |
من الجدول رقم 1، يتضح أن مقاومة إجهاد الشد للشريحة r عند نقطة تحول البرغي الملولب المدلفن على البارد، بعد المعالجة الحرارية، هي الأمثل (راجع الشكل 1). متطلبات قيمة r في البثق على البارد ليست صارمة. تنص المواصفات الفنية على حد أعلى للتشوه فقط.
2.2.3 الرقابة الصارمة على الأبعاد النهائية
كما هو موضح في الشكل 1، تعتبر المنطقة الانتقالية بين خيط البرغي والقضيب الأملس أحد المصادر المهمة للإجهاد. يعد التحكم الصارم في الأبعاد النهائية لتشكيل المنطقة الانتقالية إجراءً حاسمًا لتعزيز عمر التعب في هذه المنطقة.
لذلك، أثناء تصميم وتصنيع عجلات دحرجة الخيط، من الضروري طحن الأطراف بدقة وفقًا للمعايير، والتحكم الصارم في وضع دحرجة الخيط أثناء العملية.
يمكن أن تشمل التدابير المحددة شريحة انتقالية أكبر كما هو موضح في الشكل 3 أ، وإنشاء هياكل تفريغ كما هو موضح في الشكلين 3 ب و3 ج، ويمكن أن يؤدي قطع أخدود سحب الأداة في نهاية الخيط أيضًا إلى تقليل تركيز الإجهاد (قد تكون المخططات التخطيطية في الشكلين 3 ب و3 ج مضللة. تساعد زيادة الشرائح في منطقة الانتقال بالفعل في تخفيف تركيز الإجهاد الموضعي).
البثق البارد للشريحة ص عند نقطة تحول الترباس، كما هو موضح في الشكل 1، يمكن أن يعزز عمر إجهاد الشد في هذه النقطة. كما يوضح الجدول 1، إذا تم اتخاذ تدابير التقوية الواردة في 2.2.1 و2.2.2 و2.2.3 فقط، فإن كسور التعب ستحدث حصريًا عند نقطة دوران البرغي.
ولذلك، فإن تقوية البثق على البارد للشرائح r هي أحد التدابير المهمة لتحسين عمر إجهاد الشد الكلي للمسمار.
قد يحدث تحميل غير مركزي للبراغي بسبب سوء التصميم والتصنيع والتجميع. يمكن أن تتسبب الأحمال اللامركزية في إحداث إجهاد ثني إضافي في المسامير، مما يقلل بشكل كبير من قوة إجهادها. لذلك، يجب اتخاذ التدابير الهيكلية والعملية المناسبة لمنع توليد عزم دوران إضافي.
(1) يجب أن تكون زاوية غاطس البرغي دقيقة بحيث لا تسمح إلا بانحراف موجب يتراوح بين 0 درجة و0.5 درجة، ولا يسمح بأي انحراف سلبي.
(2) يجب أن يكون سطح محمل البرغي مسطحًا وعموديًا على محور ثقب البرغي.
(3) بالنسبة لثقوب التجميع على قطعة العمل، مثل تلك الخاصة بالرؤوس السداسية، يجب أن تتوافق شطب الثقب مع المعايير الدولية.
يُعد التحميل المسبق أحد أهم المشكلات في الوصلات الملولبة. وقد أظهرت النظرية والتطبيق العملي أنه مع ثبات صلابة البرغي والأجزاء الموصولة ثابتة، فإن زيادة التحميل المسبق بشكل مناسب يعزز بشكل كبير من مقاومة إجهاد الشد. هذا هو السبب في أن إجهاد التحميل المسبق للمسمار يمكن أن يصل إلى 0.7 إلى 0.8 من إجهاد الخضوع (σs).
لذلك، يعد التحكم الدقيق في التحميل المسبق والحفاظ على قيمته أمرًا بالغ الأهمية. يتم التحكم في مقدار التحميل المسبق عن طريق مفتاح عزم الدوران المضبوط مسبقًا أو غسالات مؤشر التحميل المسبق.
يختلف التحميل المسبق المطلوب في ظل ظروف مختلفة، وعادةً ما يتم استخدام الصيغ التجريبية القائمة على الخبرة السابقة لتقدير التحميل المسبق.
للتحميل الميكانيكي العام: σp = (0.5 إلى 0.7)σ (0.5 إلى 0.7)s؛ للوصلات عالية القوة: σp = 0.75σs (هذا هو حد الخضوع). تتعارض هذه الطريقة للتعبير عن التحميل المسبق مع طريقة 46% المذكورة أعلاه.
في الآونة الأخيرة، طريقة جديدة لـ توصيل البرغي تم تطويرها، والتي تنطوي على التحميل المسبق للمسمار إلى نقطة الخضوع، مما يسمح للمسمار بالعمل داخل منطقة البلاستيك. لمزيد من التفاصيل، يرجى الرجوع إلى الورقة البحثية "توصيلات المجال اللدائني اللولبي" لإيتشيرو ماروياما، المنشورة في "الأبحاث الميكانيكية"، المجلد 40، رقم 12، 1988. بالنسبة للوصلات ذات التحميل المسبق الحرجة ضد التعب، يجب إجراء اختبارات عمر التعب تحت أحمال مسبقة مختلفة لتحديد قيم التحميل المسبق الصحيحة والقابلة للاستخدام.
من خلال البيانات التجريبية والخبرة العملية، تقترح الوثيقة عدة تدابير محددة لتعزيز قوة إجهاد الشد للبراغي، وتتناول جوانب اختيار المواد، والتشغيل الآلي، والتجميع.
وقد أثبتت بعض هذه المقاييس فعاليتها في التطبيقات العملية، في حين أن بعض البيانات والاستنتاجات التجريبية تنتظر المزيد من الاستكشاف النظري والتحقق من صحتها.
وباختصار، يجب اعتماد تدابير شاملة لتحسين قوة إجهاد الشد للبراغي؛ فلا يمكن لأي إجراء بمفرده أن يلبي الحاجة الكلية لمقاومة الإجهاد.