Aumentare la resistenza alla fatica dei bulloni: Rivelate le strategie migliori

Nelle apparecchiature moderne, i bulloni operano spesso sotto carichi variabili. Ad esempio, un tipo di bullone per la testa del cilindro di un motore a combustione interna lavora in un ambiente difficile, sottoposto a tensioni ripetute.

La struttura non consente di aumentare le dimensioni dei bulloni, rendendo necessario un miglioramento della sua forza e della resistenza alla fatica da trazione.

In altre parole, la vita a fatica di questi bulloni è più elevata.

1. Standard di fatica per elementi di fissaggio filettati

Data la diversità dei requisiti degli utenti e dei vari ambienti operativi per gli elementi di fissaggio, è essenziale stabilire e selezionare indicatori di durata in ambienti standardizzati, dove le condizioni di carico sono il fattore più significativo.

1.1 Condizioni di carico

Le condizioni di carico a cui si fa riferimento sono i valori di carico massimo e minimo applicati al bullone durante le prove di fatica.

Attualmente, sia le norme ISO che le nostre norme nazionali per i bulloni con un rating di σb≥1200MPa stabiliscono il valore di carico massimo come 46% del carico minimo di rottura a trazione del bullone - il valore K (fattore di carico).

Le norme specificano i valori standard di carico minimo di rottura per bulloni di diverso diametro.

Questi valori servono come base per l'accettazione della resistenza alla trazione statica e come base per il carico di prova a fatica (carico massimo di prova a fatica = carico minimo di trazione × fattore di carico K).

Ad esempio, per i bulloni a testa esagonale in acciaio legato, il valore K è impostato a 0,46.

Il carico minimo nella prova di trazione a fatica viene determinato dal rapporto di carico R. R = carico minimo / carico massimo, R = 0,1.

1. 2 Indici di durata della vita

In base alle suddette disposizioni di carico, esiste un indice di durata unificato. Cioè, tra i campioni prescritti, il numero minimo di cicli non è inferiore a 4,5×10⁴.

Qualsiasi conteggio superiore a 13×10⁴ nei campioni è considerato pari a 13×10⁴ a scopo di mediazione.

2. Vita a fatica a trazione dei dispositivi di fissaggio filettati

2.1 Selezione dei materiali dei bulloni e trattamento termico

Secondo le norme cinesi in materia (come GB/T 3098.1-2000), i requisiti di prestazione a fatica sono specificati solo per i bulloni con σb≥1200MPa.

La ragione principale per imporre requisiti di prestazione a fatica su acciaio ad alta resistenza è che mentre la sua resistenza è migliorata, la sua riserva di plasticità è nettamente inferiore a quella degli acciai a media e bassa resistenza.

Il confronto con le leghe a base di nichel e di titanio, che hanno una maggiore resistenza e una buona riserva di plasticità, è ovviamente inappropriato. Ad esempio, 40CrNiMo, 30CrMnSi, ecc.

Se scegliamo una lega a più alta resistenza materiale in acciaio come la lega americana INCONEL 718, che può avere una resistenza superiore a 1600MPa, dimostrerà valori di vita elevati durante le prove di fatica in condizioni di carico tipiche. Prendiamo come esempio il bullone M6.

Se il carico di prova a fatica specificato dalla norma è di 11,01kN e il carico di rottura statica a trazione è di 23,93kN, l'effettivo carico di rottura statica a trazione della lega INCONEL 718 può raggiungere i 35kN.

Se usiamo ancora 11,01kN come Pmax per la prova di fatica, sarebbe equivalente solo a 31% del carico statico di rottura a trazione, naturalmente il suo valore di vita sarà più alto.

Tuttavia, per i materiali ad alta resistenza come il 30CrMnSiNi, la sensibilità all'intaglio è estremamente elevata e i valori di vita durante le prove di fatica a trazione sono molto bassi. Non sono adatti all'uso in componenti filettati che richiedono resistenza alla fatica da trazione.

Mentre alcuni materiali possono raggiungere il carico di rottura a trazione statica di acciai legati come il 30CrMnSi, non soddisfano i requisiti standard nelle prove di durata a fatica allo stesso livello di carico, come la lega di titanio Ti6Al4V.

Per allineare il loro valore di vita a fatica con il 30CrMnSi e altri acciai legati, il livello di carico deve essere ridotto a 40% (cioè prendendo il valore K a 40%) e per altri tipi di leghe di titanio (come il Ti21523), K deve essere ridotto a 36%.

Tuttavia, questo approccio è problematico: in genere, lega di titanio I bulloni con resistenza statica equivalente hanno prestazioni a fatica migliori rispetto a bulloni simili in acciaio.

Si tratta di una conoscenza di base delle proprietà dei diversi materiali. In questo caso, il valore K per i bulloni in lega di titanio può essere certamente superiore a 0,46, e sicuramente non inferiore a 0,36.

Pertanto, per le giunzioni bullonate che richiedono un'elevata resistenza alla trazione statica e una maggiore durata alla fatica da trazione, la corretta selezione del materiale deve essere prestata la giusta attenzione.

Frattura da fatica e la frattura ritardata sono due ragioni principali per il cedimento dei componenti meccanici, un concetto che crea confusione. La frattura ritardata nei bulloni è spesso dovuta a un comportamento di danneggiamento indotto dall'idrogeno causato dalla placcatura superficiale, che non è sostanzialmente correlato alla frattura per fatica.

In generale, quando la resistenza alla trazione dell'acciaio è di circa 1200MPa, sia la resistenza alla fatica che la resistenza alla frattura ritardata aumentano con l'aumento della temperatura di esercizio. forza e durezza.

Tuttavia, quando la resistenza alla trazione supera i 1200MPa circa, la resistenza alla fatica non continua più ad aumentare e la resistenza alla frattura ritardata diminuisce drasticamente.

La maggior parte degli acciai utilizzati nella produzione meccanica è di qualità media. acciaio legato al carbonio, utilizzato allo stato temperato, con una resistenza alla trazione per lo più compresa tra 800 e 1000MPa.

Aumentare la sua forza non è difficile, ma la sfida maggiore consiste nel risolvere il problema della breve durata di vita dopo l'aumento della forza.

Rottura per fatica e i problemi di frattura ritardata sono i principali ostacoli all'alta resistenza e alla lunga durata dell'acciaio utilizzato nella produzione meccanica.

Il trattamento termico è un fattore critico, in particolare il rinvenimento durante la fase di processo di tempra di bulloni ad alta resistenza. Nella zona di rinvenimento ad alta temperatura è probabile che si formino impurità come zolfo e fosforo.

Quando queste impurità si accumulano sui bordi dei grani, possono portare alla frattura fragile, soprattutto quando la durezza supera i 35 HRC, la tendenza alla fragilità aumenta significativamente.

2.2 Tecniche per migliorare la vita a fatica

Prima del rafforzamento, la probabilità di cedimento a fatica per trazione negli elementi di fissaggio filettati è la seguente: 65% di cedimenti si verificano al primo innesto con il dado, 20% di cedimenti si verificano alla transizione tra la filettatura e il gambo (sebbene questa affermazione sia ampiamente accurata, va notato che la causa fondamentale del cedimento per fatica in questi punti è comunque dovuta all'elevata concentrazione di tensioni), ovvero all'estremità della filettatura, e 15% di cedimenti si verificano al raggio di transizione tra la testa del bullone e il gambo, come mostrato nella Figura 1.

Va sottolineato che queste statistiche si basano sulla condizione che le linee di flusso metalliche dell'intero dispositivo di fissaggio non siano danneggiate.

Per migliorare la durata della fatica da trazione, si possono adottare misure sia nella forma che nel processo di produzione dei bulloni; attualmente i metodi più efficaci sono i seguenti.

2.2.1 Uso di filettature MJ (cioè filettature rinforzate)

La differenza principale tra le filettature MJ e le filettature regolari risiede nel diametro minore (d1) e nel raggio (R) delle filettature esterne, come mostrato nella Figura 2.

La caratteristica principale delle filettature MJ è un diametro minore (d1) più grande rispetto alle filettature normali, con un raggio di raccordo maggiore, che riduce la concentrazione delle sollecitazioni nel bullone.

Sono previsti requisiti specifici per R (Rmax=0,18042P, Rmin=0,15011P, dove P è il passo), mentre le filettature normali non hanno tali requisiti e possono anche essere diritte. Questo cambiamento significativo migliora notevolmente le prestazioni di fatica a trazione del diametro minore.

Attualmente, le filettature MJ sono ampiamente utilizzate nei bulloni aerospaziali.

2.2.2 Miglioramento delle prestazioni a fatica della filettatura

Utilizzando il processo di rullatura dei filetti, grazie agli effetti dell'indurimento a freddo, si ha una tensione di compressione residua sulla superficie, che consente di mantenere razionale e ininterrotto il flusso direzionale delle fibre metalliche interne del bullone.

Di conseguenza, la resistenza alla fatica può essere da 30% a 40% superiore a quella dei filetti lavorati per tornitura.

Se la filettatura viene rullata dopo il trattamento termico, si rafforza la superficie del pezzo e si crea una sollecitazione residua che può aumentare il limite di fatica superficiale del materiale da 70% a 100%.

Questo processo presenta anche vantaggi come l'elevato utilizzo del materiale, l'alta velocità di produzione e il basso costo di produzione. La tabella 1 mostra i valori di vita a fatica con i diversi metodi di lavorazione.

Il materiale del bullone di prova è 30CrMnSiA, lo standard del bullone è GJB 121.2.3, e 6×26 (cioè MJ6) è testato per la fatica da trazione secondo il metodo di prova, con carico di fatica di prova: Pmax=10,1kN, Pmin=1,01kN. I risultati sono riportati nella Tabella 1.

Tabella 1: Vita a fatica (numero di cicli) con diversi metodi di processo

Dalla Tabella 1, è evidente che la resistenza a fatica del filetto r nel punto di rotazione del bullone filettato laminato a freddo, dopo il trattamento termico, è ottimale (fare riferimento alla Figura 1). I requisiti per il valore di r nell'estrusione a freddo non sono severi. Le specifiche tecniche prevedono solo un limite massimo di deformazione.

2.2.3 Controllo rigoroso delle dimensioni finali

Come dimostrato nella Figura 1, l'area di transizione tra il filetto del bullone e l'asta liscia è una delle fonti significative di fatica. Un controllo rigoroso delle dimensioni finali per modellare l'area di transizione è una misura cruciale per migliorare la durata a fatica in questa regione.

Pertanto, durante la progettazione e la produzione delle ruote di laminazione dei filetti, è indispensabile rettificare rigorosamente le estremità secondo gli standard e controllare rigorosamente la posizione di laminazione dei filetti durante il processo.

Le misure specifiche possono includere un filetto di transizione più grande, come mostrato nella Figura 3a, la creazione di strutture di scarico, come mostrato nelle Figure 3b e 3c, e il taglio di una scanalatura di ritiro dell'utensile all'estremità del filetto può anche ridurre la concentrazione di tensioni (i diagrammi schematici delle Figure 3b e 3c possono essere fuorvianti. L'aumento del filetto nell'area di transizione contribuisce infatti ad attenuare la concentrazione locale delle sollecitazioni).

L'estrusione a freddo del filetto r nel punto di rotazione del bullone, come mostrato nella Figura 1, può aumentare la durata della fatica a trazione in questo punto. Come mostra la Tabella 1, se si adottano solo le misure di rinforzo di cui ai punti 2.2.1, 2.2.2 e 2.2.3, le fratture da fatica si verificheranno esclusivamente nel punto di rotazione del bullone.

Pertanto, il rafforzamento per estrusione a freddo del filetto r è una delle misure importanti per migliorare la durata complessiva della fatica a trazione del bullone.

2.3 Evitare di generare ulteriori sollecitazioni di flessione

A causa di una progettazione, una produzione e un assemblaggio inadeguati, possono verificarsi carichi eccentrici sui bulloni. I carichi eccentrici possono indurre ulteriori sollecitazioni di flessione nei bulloni, riducendone significativamente la resistenza alla fatica. Pertanto, è necessario adottare misure strutturali e di processo adeguate per evitare la generazione di una coppia aggiuntiva.

(1) L'angolo di svasatura del bullone deve essere preciso, consentendo solo una deviazione positiva da 0° a 0,5°, senza alcuna deviazione negativa.

(2) La superficie di appoggio del bullone deve essere piana e perpendicolare all'asse del foro del bullone.

(3) Per i fori di montaggio sul pezzo, come quelli per le teste esagonali, lo smusso del foro deve essere conforme agli standard internazionali.

2.4 Gruppo di precarico

Il precarico è uno degli aspetti più critici nelle connessioni filettate. La teoria e la pratica hanno dimostrato che, mantenendo costante la rigidità del bullone e delle parti unite, un aumento appropriato del precarico aumenta significativamente la resistenza alla fatica da trazione. Per questo motivo la sollecitazione di precarico del bullone può arrivare fino a 0,7-0,8 della tensione di snervamento (σs).

Pertanto, il controllo accurato del precarico e il mantenimento del suo valore sono fondamentali. L'entità del precarico è controllata da una chiave dinamometrica preimpostata o da rondelle indicatrici del precarico.

Il precarico richiesto varia a seconda delle condizioni e, di solito, per stimare il precarico si utilizzano formule empiriche basate su esperienze precedenti.

Per il precarico meccanico generale: σ_p = (0,5-0,7)σ_sper i collegamenti ad alta resistenza: σp = 0,75σs (è il limite di snervamento). Questo metodo di espressione del precarico è in contraddizione con il già citato approccio 46%.

Recentemente, un nuovo metodo di connessione a bullone È stato sviluppato un metodo che prevede il precarico del bullone fino al punto di snervamento, consentendo al bullone di lavorare all'interno della regione plastica. Per maggiori dettagli, consultare l'articolo "Plastic Screw Domain Connection" di Ichiro Maruyama, pubblicato su "Mechanical Research", volume 40, n. 12, 1988. Per le connessioni precaricate critiche contro la fatica, è necessario condurre prove di vita a fatica con diversi precarichi per determinare i valori di precarico corretti e utilizzabili.

3. Conclusione

Grazie ai dati sperimentali e all'esperienza pratica, il documento propone diverse misure specifiche per migliorare la resistenza alla fatica a trazione dei bulloni, affrontando gli aspetti della selezione dei materiali, della lavorazione e dell'assemblaggio.

Alcune di queste misure hanno dimostrato la loro efficacia nelle applicazioni pratiche, mentre alcuni dati e conclusioni empiriche attendono un'ulteriore esplorazione e validazione teorica.

In sintesi, è necessario adottare misure globali per migliorare la resistenza alla fatica dei bulloni; nessuna singola misura può soddisfare l'esigenza complessiva di resistenza alla fatica.