볼트의 피로도 강화: 최고의 전략 공개

최신 장비에서 볼트는 가변 하중에서 작동하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 내연기관 실린더 헤드 볼트는 반복적인 장력 하에서 가혹한 환경에서 작동합니다.

이 구조는 볼트 크기를 늘릴 수 없기 때문에 강도와 인장 피로 저항성을 향상시켜야 합니다.

즉, 이러한 볼트의 인장 피로 수명에 대한 요구가 더 높습니다.

1. 나사산 패스너의 피로 표준

패스너에 대한 사용자 요구사항의 다양성과 다양한 작동 환경을 고려할 때, 하중 조건이 가장 중요한 요소인 표준화된 환경에서 기대 수명 지표를 설정하고 선택하는 것이 필수적입니다.

1.1 부하 조건

여기서 언급된 하중 조건은 피로 테스트 중 볼트에 가해지는 최대 및 최소 하중 값입니다.

현재 σb≥1200MPa 등급의 볼트에 대한 ISO 및 국내 표준은 모두 최대 하중 값을 볼트의 최소 인장 파괴 하중의 46%, 즉 K 값(하중 계수)으로 설정하고 있습니다.

이 표준은 다양한 직경의 볼트에 대한 최소 고장 하중 표준 값을 지정합니다.

이 값은 정적 인장 강도 허용의 기준이 되며 피로 시험 하중의 기준이 됩니다(최대 피로 인장 시험 하중 = 최소 인장 하중 × 하중 계수 K).

예를 들어 합금강 육각 머리 볼트의 경우 K 값은 0.46으로 설정됩니다.

피로 인장 시험의 최소 하중은 하중 비율 R에 의해 결정됩니다. R = 최소 하중/최대 하중, R = 0.1.

2 수명 지수

앞서 언급한 부하 규정에 따라 통일된 수명 지수가 있습니다. 즉, 규정된 샘플 시편 중 최소 사이클 수는 4.5×10 이상입니다.⁴.

13×10을 초과하는 모든 수⁴ 은 13×10으로 간주됩니다.⁴ 를 사용하여 평균을 구합니다.

2. 나사산 패스너의 인장 피로 수명

2.1 볼트 재료 선택 및 열처리

중국의 관련 표준(예: GB/T 3098.1-2000)에 따르면 피로 성능 요구 사항은 σb≥1200MPa의 볼트에 대해서만 지정되어 있습니다.

피로 성능 요구 사항을 부과하는 주된 이유는 다음과 같습니다. 고강도 강철 의 강도는 향상되었지만 재료의 가소성 보유량은 중강도 및 저강도 강철에 비해 현저히 떨어진다는 것입니다.

이 요구 사항을 강도가 높고 가소성 예비력이 좋은 니켈 기반 합금 및 티타늄 합금과 비교하는 것은 분명히 부적절합니다. 예를 들어 40CrNiMo, 30CrMnSi 등이 있습니다.

더 높은 강도의 합금을 선택하면 강철 소재 1600MPa 이상의 강도를 가질 수 있는 미국산 인코넬 718 합금처럼 일반적인 하중 조건에서 피로 테스트 시 높은 수명 값을 보여줄 것입니다. M6 볼트를 예로 들어보겠습니다.

표준에서 지정한 피로 시험 하중이 11.01kN이고 정적 인장 파괴 하중이 23.93kN인 경우 INCONEL 718 합금의 실제 정적 인장 파괴 하중은 최대 35kN에 도달 할 수 있습니다.

피로 테스트에서 여전히 11.01kN을 Pmax로 사용하면 정적 인장 파괴 하중의 31%에 해당하므로 당연히 수명 값이 더 높아집니다.

그러나 30CrMnSiNi와 같은 고강도 소재의 경우 노치 감도가 매우 높으며 인장 피로 시험 중 수명 값이 매우 낮습니다. 따라서 인장 피로 저항성이 필요한 나사산 부품에 사용하기에 적합하지 않습니다.

특정 재료는 다음과 같은 정적 인장 파괴 하중과 일치할 수 있지만 합금강 30CrMnSi와 마찬가지로 티타늄 합금 Ti6Al4V와 같은 동일한 하중 수준에서 피로 수명 테스트에서 표준 요구 사항을 충족하지 못합니다.

피로 수명 값을 30CrMnSi 및 기타 합금강과 일치시키려면 하중 수준을 40%로 줄여야 하며(즉, 40%에서 K 값을 취함), 다른 유형의 티타늄 합금(예: Ti21523)의 경우 K를 36%로 줄여야 합니다.

하지만 이 접근 방식은 일반적으로 문제가 있습니다, 티타늄 합금 동등한 정적 강도를 가진 볼트는 유사한 강철 볼트보다 피로 성능이 더 우수합니다.

이것은 다양한 재료의 특성에 대한 기본적인 이해입니다. 이 경우 티타늄 합금 볼트의 K 값은 확실히 0.46보다 높을 수 있으며 0.36만큼 낮지는 않습니다.

따라서 높은 정적 인장 강도와 높은 인장 피로 수명이 요구되는 볼트 체결부의 경우, 올바른 재료 선택 에 적절한 주의를 기울여야 합니다.

피로 골절 와 지연 파단은 기계 부품의 고장을 일으키는 두 가지 주요 원인으로, 혼동하기 쉬운 개념입니다. 볼트의 지연 파단은 표면 도금으로 인한 수소 유발 손상으로 인해 발생하는 경우가 많으며, 이는 기본적으로 피로 파단과는 관련이 없습니다.

일반적으로 강철의 인장 강도가 약 1200MPa일 때, 피로 강도와 지연 파괴에 대한 저항은 모두 증가함에 따라 증가합니다. 강도 및 경도.

그러나 인장 강도가 약 1200MPa를 초과하면 피로 강도 가 더 이상 계속 증가하지 않고 대신 지연 골절에 대한 저항력이 급격히 떨어집니다.

기계 제조에 사용되는 대부분의 강철은 미디엄입니다. 탄소 합금강인장 강도는 대부분 800~1000MPa로 강화된 상태에서 사용됩니다.

강도를 높이는 것은 어렵지 않지만, 강도 강화에 따른 짧은 수명 문제를 해결하는 것이 가장 큰 과제입니다.

피로 실패 및 지연 파단 문제는 기계 제조에 사용되는 강철의 고강도 및 긴 수명을 방해하는 주요 장애물입니다.

열처리는 매우 중요한 요소이며, 특히 템퍼링 과정에서 담금질 프로세스 의 고강도 볼트를 사용합니다. 고온 템퍼링 영역에서는 유황 및 인과 같은 불순물이 형성될 수 있습니다.

이러한 불순물이 입자 경계에 축적되면 취성 골절로 이어질 수 있으며, 특히 경도가 35 HRC를 초과하면 취성 경향이 크게 증가합니다.

2.2 피로 수명 개선 기술

강화하기 전에 나사산 패스너의 인장 피로 실패 확률은 다음과 같습니다: 65%의 실패는 너트와의 첫 번째 결합에서 발생하고, 20%의 실패는 스레드와 생크 사이의 전환에서 발생하며(이 진술은 대체로 정확하지만 이 지점에서 피로 실패의 근본적인 원인은 여전히 높은 응력 집중으로 인한 것입니다), 그림 1과 같이 볼트 헤드와 생크 사이의 전환 반경에서 15%의 실패가 발생한다는 점에 유의해야 합니다.

이러한 통계는 전체 패스너의 금속 흐름 라인이 손상되지 않은 상태를 기준으로 한 것임을 강조해야 합니다.

인장 피로 수명을 개선하기 위해 볼트 모양과 공정 모두에서 조치를 취할 수 있으며, 현재 가장 효과적인 방법은 다음과 같습니다.

2.2.1 MJ 스레드(즉, 강화 스레드) 사용

그림 2에서 볼 수 있듯이 MJ 스레드와 일반 스레드의 주요 차이점은 외부 스레드의 작은 직경(d1)과 반경(R)에 있습니다.

MJ 스레드의 주요 특징은 일반 스레드보다 작은 직경(d1)이 더 크고 루트 필렛 반경이 증가하여 볼트의 응력 집중을 줄인다는 것입니다.

R에 대한 특정 요구 사항(Rmax=0.18042P, Rmin=0.15011P, P는 피치)이 주어진 반면 일반 스레드에는 이러한 요구 사항이 없으며 직선일 수도 있습니다. 이 중요한 변화는 작은 직경의 인장 피로 성능을 크게 향상시킵니다.

현재 MJ 스레드는 항공우주용 볼트에 널리 사용되고 있습니다.

2.2.2 스레드 피로 성능 개선

나사 압연 공정을 사용하면 냉간 가공 경화의 효과로 인해 표면에 잔류 압축 응력이 발생하여 볼트 내부 금속 섬유의 방향 흐름이 합리적이고 끊어지지 않게 됩니다.

따라서 선삭 가공된 나사산보다 피로 강도가 30%~40% 더 높을 수 있습니다.

열처리 후 실을 압연하면 부품의 표면이 강화되고 잔류 스트레스 층을 추가하여 재료의 표면 피로 한계를 70%에서 100%로 향상시킬 수 있습니다.

이 공정은 높은 재료 활용도, 높은 생산 속도, 낮은 제조 비용 등의 장점도 있습니다. 표 1은 다양한 공정 방식에 따른 피로 수명 값을 보여줍니다.

시험 볼트 재질은 30CrMnSiA, 볼트 표준은 GJB 121.2.3, 6×26(즉, MJ6)은 시험 피로 하중으로 시험 방법에 따라 인장 피로를 시험합니다: Pmax=10.1kN, Pmin=1.01kN. 결과는 표 1에 나와 있습니다.

표 1: 표 1: 다양한 프로세스 방법에서의 피로 수명(사이클 수)

표 1에서 열처리 후 냉간 압연 나사 볼트의 터닝 포인트에서 필렛 r의 인장 피로 저항이 최적임을 알 수 있습니다(그림 1 참조). 냉간 압출에서 r 값에 대한 요구 사항은 엄격하지 않습니다. 기술 사양에는 변형에 대한 상한값만 규정되어 있습니다.

2.2.3 최종 치수의 엄격한 관리

그림 1에서 볼 수 있듯이 볼트 스레드와 매끄러운 로드 사이의 전이 영역은 피로의 중요한 원인 중 하나입니다. 전이 영역을 형성하기 위해 최종 치수를 엄격하게 제어하는 것은 이 영역의 피로 수명을 향상시키는 데 중요한 척도입니다.

따라서 스레드 롤링 휠을 설계하고 제조하는 동안 표준에 따라 끝을 엄격하게 연마하고 공정 중에 스레드 롤링 위치를 엄격하게 제어하는 것이 필수적입니다.

구체적인 조치로는 그림 3a와 같이 더 큰 트랜지션 필렛, 그림 3b 및 3c와 같이 언로딩 구조물 생성, 나사산 끝에 공구 인출 홈을 절단하는 것도 응력 집중을 줄일 수 있습니다(그림 3b 및 3c의 개략도는 오해의 소지가 있을 수 있습니다). 전환 영역에서 필렛을 늘리면 실제로 국소 응력 집중을 완화하는 데 도움이 됩니다.)

그림 1과 같이 볼트의 터닝 포인트에서 필렛 R을 냉간 압출하면 이 지점에서 인장 피로 수명을 향상시킬 수 있습니다. 표 1에서 볼 수 있듯이 2.2.1, 2.2.2 및 2.2.3의 강화 조치만 취하는 경우 피로 파괴는 볼트의 선회 지점에서만 발생합니다.

따라서 필렛 R의 냉간 압출 강화는 볼트의 전반적인 인장 피로 수명을 개선하기 위한 중요한 조치 중 하나입니다.

2.3 추가 굽힘 응력 발생 방지

잘못된 설계, 제조 및 조립으로 인해 볼트에 편심 하중이 발생할 수 있습니다. 편심 하중은 볼트에 추가적인 굽힘 응력을 유발하여 볼트의 피로 강도를 크게 감소시킬 수 있습니다. 따라서 추가 토크 발생을 방지하기 위해 적절한 구조 및 공정 조치를 취해야 합니다.

(1) 볼트의 카운터싱크 각도는 정확해야 하며, 0°~0.5°의 양의 편차만 허용하고 음의 편차는 허용하지 않습니다.

(2) 볼트의 베어링 표면은 평평하고 볼트 구멍 축에 수직이어야 합니다.

(3) 육각 헤드용 구멍과 같이 공작물의 조립 구멍의 경우 구멍의 모따기는 국제 표준을 준수해야 합니다.

2.4 프리로드 어셈블리

축력은 나사산 연결에서 가장 중요한 문제 중 하나입니다. 이론과 실제에 따르면 볼트와 결합 부품의 강성이 일정하게 유지된 상태에서 예압을 적절히 증가시키면 인장 피로에 대한 저항력이 크게 향상됩니다. 볼트 예압 응력이 항복 응력(σs)의 최대 0.7~0.8까지 도달할 수 있는 이유도 바로 이 때문입니다.

따라서 예압을 정확하게 제어하고 그 값을 유지하는 것이 중요합니다. 프리로드 크기는 사전 설정된 토크 렌치 또는 프리로드 표시 와셔로 제어됩니다.

필요한 프리로드는 조건에 따라 다르며, 일반적으로 사전 경험에 기반한 경험적 공식을 사용하여 프리로드를 추정합니다.

일반적인 기계적 프리로드의 경우: σ_p = (0.5 ~ 0.7)σ_s고강도 연결의 경우: σp = 0.75σs(수율 한계). 이 프리로드 표현 방법은 앞서 언급한 46% 접근 방식과 모순됩니다.

최근에는 볼트 연결 볼트를 항복점까지 프리로드하여 볼트가 플라스틱 영역 내에서 작동할 수 있도록 하는 방법이 개발되었습니다. 자세한 내용은 1988년 "기계 연구" 40권 12호에 게재된 마루야마 이치로(Ichiro Maruyama)의 "플라스틱 나사 영역 연결" 논문을 참조하세요. 피로에 대한 중요한 프리로드 연결의 경우, 정확하고 사용 가능한 프리로드 값을 결정하기 위해 다양한 프리로드 하에서 피로 수명 테스트를 수행해야 합니다.

3. 결론

이 문서는 실험 데이터와 실제 경험을 통해 볼트의 인장 피로 강도를 향상시키기 위한 몇 가지 구체적인 방법을 제안하며 재료 선택, 기계 가공 및 조립의 측면을 다룹니다.

이러한 조치 중 일부는 실제 적용에서 그 효과가 입증되었지만, 일부 경험적 데이터와 결론은 추가적인 이론적 탐구와 검증을 기다리고 있습니다.

요약하면 볼트의 인장 피로 강도를 개선하기 위해서는 종합적인 조치를 취해야 하며, 단일 조치로는 피로 저항에 대한 전반적인 요구를 충족시킬 수 없습니다.