De vermoeiingssterkte van bouten verhogen: Top strategieën onthuld

In moderne apparatuur werken bouten vaak onder wisselende belastingen. Zo werkt een type cilinderkopbout van een verbrandingsmotor in een ruwe omgeving onder herhaalde spanning.

De structuur laat geen grotere boutgrootte toe, waardoor de sterkte en trekweerstand moeten worden verbeterd.

Met andere woorden, er worden hogere eisen gesteld aan de trekvermoeiingslevensduur van dergelijke bouten.

1. Vermoeiingsnormen voor bevestigingsmiddelen met schroefdraad

Gezien de diversiteit aan gebruikerseisen en verschillende gebruiksomgevingen voor bevestigingsmiddelen, is het essentieel om indicatoren voor de levensverwachting vast te stellen en te selecteren onder gestandaardiseerde omgevingen, waarbij de belastingsomstandigheden de belangrijkste factor zijn.

1.1 Belastingsomstandigheden

De belastingsomstandigheden waarnaar hier wordt verwezen, zijn de maximale en minimale waarden van de belasting die tijdens vermoeiingstesten op de bout wordt uitgeoefend.

Momenteel stellen zowel ISO-normen als onze nationale normen voor bouten met een σb≥1200MPa nominale waarde de maximale belastingswaarde vast op 46% van de minimale breukbelasting van de bout - de K-waarde (belastingsfactor).

De normen specificeren minimale standaardwaarden voor breukbelasting voor bouten van verschillende diameters.

Deze waarden dienen als basis voor de aanvaarding van de statische treksterkte en als basis voor de vermoeiingstestbelasting (maximale vermoeiingstrektestbelasting = minimale trekbelasting × belastingsfactor K).

Voor gelegeerd stalen zeskantbouten is de K-waarde bijvoorbeeld ingesteld op 0,46.

De minimale belasting in de vermoeiingstrekproef wordt bepaald door de belastingsverhouding R. R = minimale belasting / maximale belasting, R = 0,1.

1. 2 Levensduurindices

Onder de bovengenoemde belastingsbepalingen is er een uniforme levensduurindex. Dat wil zeggen, onder de voorgeschreven proefstukken is het minimale aantal cycli niet minder dan 4,5×10⁴.

Elke telling groter dan 13×10⁴ in de monsters wordt beschouwd als 13×10⁴ voor middeling.

2. Trekvermoeiingslevensduur van schroefverbindingen

2.1 Keuze van boutmateriaal en warmtebehandeling

Volgens verwante normen in China (zoals GB/T 3098.1-2000) worden vermoeiingseisen alleen gespecificeerd voor bouten met σb≥1200MPa.

De belangrijkste reden om vermoeiingsprestatie-eisen op te leggen aan hoogsterkte staal is dat terwijl de sterkte is verbeterd, de materiaalplasticiteitsreserve duidelijk inferieur is aan staal met gemiddelde en lage sterkte.

Het vergelijken van deze eis met nikkellegeringen en titaanlegeringen, die een hogere sterkte en een goede plasticiteitsreserve hebben, is duidelijk ongepast. Bijvoorbeeld 40CrNiMo, 30CrMnSi, enz.

Als we een legering met een hogere sterkte kiezen stalen materiaal zoals de Amerikaanse INCONEL 718-legering, die een sterkte van meer dan 1600MPa kan hebben, zal deze hoge levensduren laten zien tijdens vermoeiingstesten onder typische belastingsomstandigheden. Laten we de M6 bout als voorbeeld nemen.

Als de vermoeiingstestbelasting volgens de norm 11,01 kN is en de statische trekbelasting 23,93 kN, dan kan de werkelijke statische trekbelasting van de INCONEL 718-legering oplopen tot 35 kN.

Als we nog steeds 11,01 kN als Pmax gebruiken voor de vermoeiingstest, zou dit slechts gelijk zijn aan 31% van de statische trekbelasting, waardoor de levensduurwaarde natuurlijk hoger zal zijn.

Voor materialen met hoge sterkte, zoals 30CrMnSiNi, is hun kerfslaggevoeligheid echter extreem hoog en de levensduurwaarden tijdens trekvermoeiingstests zijn erg laag. Ze zijn niet geschikt voor gebruik in onderdelen met schroefdraad die bestand moeten zijn tegen trekmoeheid.

Hoewel bepaalde materialen de statische trekbelasting van gelegeerde staalsoorten zoals 30CrMnSi, voldoen ze niet aan de standaardvereisten in vermoeiingslevensduurtesten bij hetzelfde belastingsniveau, zoals titaanlegering Ti6Al4V.

Om hun vermoeiingslevensduurwaarde in overeenstemming te brengen met 30CrMnSi en andere gelegeerde staalsoorten, moet het belastingsniveau worden verlaagd naar 40% (dat wil zeggen, de K-waarde nemen op 40%) en voor andere soorten titaanlegeringen (zoals Ti21523) moet K worden verlaagd naar 36%.

Deze aanpak is echter problematisch: meestal, titaniumlegering hebben bouten met een gelijkwaardige statische sterkte betere vermoeiingsprestaties dan soortgelijke stalen bouten.

Dit is een basiskennis van de eigenschappen van verschillende materialen. In dit geval kan de K-waarde voor bouten van een titaniumlegering zeker hoger zijn dan 0,46 en zeker niet lager dan 0,36.

Daarom is voor boutverbindingen die een hoge statische treksterkte en een langere levensduur bij trekmoeheid vereisen, de juiste materiaalselectie moet de nodige aandacht krijgen.

Vermoeidheidsfractuur en vertraagde breuk zijn twee belangrijke redenen voor het falen van mechanische componenten, wat een verwarrend concept is. Vertraagde breuk in bouten is vaak te wijten aan een waterstofgeïnduceerd schadegedrag veroorzaakt door oppervlaktebeplating, wat in principe niets te maken heeft met vermoeiingsbreuk.

In het algemeen geldt dat wanneer de treksterkte van staal ongeveer 1200MPa is, zowel de vermoeiingssterkte als de weerstand tegen vertraagde breuk toenemen met de toename in sterkte en hardheid.

Wanneer de treksterkte echter groter is dan ongeveer 1200MPa, wordt de vermoeiingssterkte niet langer blijft toenemen en de weerstand tegen vertraagde breuk in plaats daarvan sterk afneemt.

Het meeste staal dat gebruikt wordt in de mechanische productie is medium koolstof gelegeerd staalgebruikt in ontlaten toestand, met een treksterkte die meestal tussen 800 en 1000MPa ligt.

De kracht vergroten is niet moeilijk, maar de grootste uitdaging ligt in het oplossen van het probleem van de korte levensduur na de krachttoename.

Falen door vermoeidheid en vertraagde breukproblemen zijn de belangrijkste obstakels voor de hoge sterkte en lange levensduur van staal dat wordt gebruikt in mechanische productie.

Warmtebehandeling is een kritieke factor, vooral het ontlaten tijdens het afschrikproces van bouten met hoge sterkte. In de ontlaatzone bij hoge temperatuur kunnen onzuiverheden zoals zwavel en fosfor ontstaan.

Wanneer deze onzuiverheden zich ophopen op de korrelgrenzen, kunnen ze leiden tot brosse breuk, vooral wanneer de hardheid 35 HRC overschrijdt, neemt de neiging tot brosheid aanzienlijk toe.

2.2 Technieken om de vermoeiingslevensduur te verbeteren

Vóór versterking is de kans op breuk door trekvermoeiing in bevestigingsmiddelen met schroefdraad als volgt: 65% van de mislukkingen treedt op bij de eerste aanhechting met de moer, 20% van de mislukkingen treedt op bij de overgang tussen schroefdraad en schacht (hoewel deze verklaring in grote lijnen juist is, moet worden opgemerkt dat de fundamentele oorzaak van vermoeiingsbreuk op deze punten nog steeds te wijten is aan hoge spanningsconcentratie), wat aan het einde van de schroefdraad is, en 15% van de mislukkingen treedt op bij de overgangsradius tussen de boutkop en de schacht, zoals weergegeven in figuur 1.

Het moet worden benadrukt dat deze statistieken zijn gebaseerd op de voorwaarde dat de metalen vloeilijnen van de hele bevestiger niet zijn beschadigd.

Om de levensduur bij trekmoeheid te verbeteren, kunnen maatregelen worden genomen in zowel boutvorm als boutproces.

2.2.1 Gebruik van MJ-schroefdraad (d.w.z. versterkte schroefdraad)

Het belangrijkste verschil tussen MJ-schroefdraad en gewone schroefdraad zit in de kleine diameter (d1) en radius (R) van de buitenschroefdraad, zoals te zien is in figuur 2.

Het belangrijkste kenmerk van MJ-schroefdraad is een grotere binnendiameter (d1) dan gewone schroefdraad, met een grotere wortelafrondingsstraal, waardoor de spanningsconcentratie in de bout afneemt.

Er worden specifieke vereisten voor R gegeven (Rmax=0,18042P, Rmin=0,15011P, waarbij P de spoed is), terwijl gewone schroefdraad dergelijke vereisten niet heeft en zelfs recht kan zijn. Deze belangrijke verandering verbetert de trekvermoeiingsprestaties van de kleine diameter aanzienlijk.

Momenteel wordt MJ-schroefdraad veel gebruikt in bouten voor de lucht- en ruimtevaart.

2.2.2 De prestaties van draadmoeheid verbeteren

Door gebruik te maken van het draadwalsproces, als gevolg van de effecten van koudvervormen, ontstaat er een residuele drukspanning op het oppervlak, waardoor de gerichte stroming van de interne metaalvezels in de bout rationeel en ononderbroken blijft.

Daardoor kan de vermoeiingssterkte 30% tot 40% hoger zijn dan die van draden die door draaien zijn gemaakt.

Als de schroefdraad na de warmtebehandeling wordt gewalst, wordt het oppervlak van het onderdeel sterker en ontstaat er een restspanning laag, die de oppervlaktevermoeiingsgrens van het materiaal kan verhogen met 70% tot 100%.

Dit proces heeft ook voordelen zoals een hoog materiaalgebruik, een hoge productiesnelheid en lage productiekosten. Tabel 1 toont de vermoeiingslevensduurwaarden onder verschillende procesmethoden.

Het materiaal van de testbout is 30CrMnSiA, de boutnorm is GJB 121.2.3 en 6×26 (d.w.z. MJ6) wordt getest op trekmoeheid volgens de testmethode, met een testmoeheidsbelasting: Pmax=10,1kN, Pmin=1,01kN. De resultaten worden weergegeven in tabel 1.

Tabel 1: Vermoeiingslevensduur (aantal cycli) onder verschillende procesmethoden

Uit tabel 1 blijkt dat de trekweerstand tegen vermoeiing r op het draaipunt van de koudgewalste schroefdraadbout na warmtebehandeling optimaal is (zie figuur 1). De eisen voor de waarde van r bij koude extrusie zijn niet streng. De technische specificaties schrijven alleen een bovengrens voor de vervorming voor.

2.2.3 Strikte controle van eindafmetingen

Zoals te zien is in figuur 1, is het overgangsgebied tussen de schroefdraad van de bout en de gladde stang een van de belangrijkste bronnen van vermoeiing. Strikte controle van de eindafmetingen om het overgangsgebied vorm te geven is een cruciale maatregel om de vermoeiingslevensduur in dit gebied te verbeteren.

Daarom is het tijdens het ontwerp en de productie van draadrolwielen noodzakelijk om de uiteinden strikt volgens de normen af te slijpen en de draadrolpositie tijdens het proces strikt te controleren.

Specifieke maatregelen zijn onder andere een grotere overgangsvulling zoals getoond in afbeelding 3a, het creëren van ontlastingsstructuren zoals getoond in afbeeldingen 3b en 3c, en het snijden van een groef voor het terugtrekken van gereedschap aan het einde van de schroefdraad kan de spanningsconcentratie ook verminderen (de schematische diagrammen in afbeeldingen 3b en 3c kunnen misleidend zijn. Het vergroten van de vulling in het overgangsgebied helpt inderdaad de plaatselijke spanningsconcentratie te verminderen).

Koude extrusie van de rand r bij het draaipunt van de bout, zoals getoond in figuur 1, kan de vermoeiingslevensduur op dit punt verlengen. Zoals tabel 1 laat zien, zullen vermoeiingsbreuken uitsluitend optreden bij het draaipunt van de bout als alleen de versterkingsmaatregelen onder 2.2.1, 2.2.2 en 2.2.3 worden genomen.

Daarom is koude extrusieversteviging van filet r een van de belangrijke maatregelen om de totale trekvermoeiingslevensduur van de bout te verbeteren.

2.3 Vermijd het genereren van extra buigspanning

Door slecht ontwerp, fabricage en montage kan excentrische belasting van bouten optreden. Excentrische belastingen kunnen extra buigspanning in de bouten veroorzaken, waardoor hun vermoeiingssterkte aanzienlijk afneemt. Daarom moeten passende structurele en procesmaatregelen worden genomen om het genereren van extra torsie te voorkomen.

(1) De hoek van de verzinking van de bout moet nauwkeurig zijn, waarbij alleen een positieve afwijking van 0° tot 0,5° is toegestaan, en geen negatieve afwijking.

(2) Het draagvlak van de bout moet vlak zijn en loodrecht op de as van het boutgat staan.

(3) Voor montagegaten op het werkstuk, zoals die voor zeskantkoppen, moet de afschuining van het gat voldoen aan de internationale normen.

2.4 Montage voorspanning

De voorspanning is een van de meest kritische punten bij schroefdraadverbindingen. Theorie en praktijk hebben aangetoond dat bij een constante stijfheid van de bout en de verbonden delen, een juiste verhoging van de voorspanning de weerstand tegen trekmoeheid aanzienlijk verbetert. Daarom kan de voorspanning van de bout oplopen tot 0,7 tot 0,8 van de vloeispanning (σs).

Daarom is het van cruciaal belang om de voorspanning nauwkeurig te regelen en de waarde ervan te handhaven. De grootte van de voorspanning wordt geregeld door een vooraf ingestelde momentsleutel of voorspanningsindicatoren.

De vereiste voorspankracht varieert onder verschillende omstandigheden en meestal worden empirische formules op basis van eerdere ervaringen gebruikt voor het schatten van de voorspankracht.

Voor algemene mechanische voorspanning: σ_p = (0,5 tot 0,7)σ_svoor hoge sterkte verbindingen: σp = 0,75σs (dit is de vloeigrens). Deze manier om voorspanning uit te drukken is in tegenspraak met de eerder genoemde 46% benadering.

Onlangs is er een nieuwe methode van boutverbinding is ontwikkeld, waarbij de bout wordt voorgespannen tot het vloeipunt, zodat de bout binnen het plastische gebied kan werken. Zie voor meer details het artikel "Plastic Screw Domain Connection" van Ichiro Maruyama, gepubliceerd in "Mechanical Research", Volume 40, No. 12, 1988. Voor verbindingen met een kritische voorspanning tegen vermoeiing moeten vermoeiingslevensduurtesten onder verschillende voorspanningen worden uitgevoerd om de juiste en bruikbare voorspanningswaarden te bepalen.

3. Conclusie

Aan de hand van experimentele gegevens en praktijkervaring worden in het document diverse specifieke maatregelen voorgesteld om de trekvermoeiingssterkte van bouten te verbeteren, waarbij aspecten van materiaalkeuze, bewerking en assemblage aan bod komen.

Sommige van deze maatregelen hebben hun doeltreffendheid bewezen in praktische toepassingen, terwijl bepaalde empirische gegevens en conclusies nog verder theoretisch moeten worden onderzocht en gevalideerd.

Kortom, er moeten uitgebreide maatregelen worden genomen om de trekvermoeiingssterkte van bouten te verbeteren; geen enkele maatregel kan voldoen aan de algemene behoefte aan vermoeiingsweerstand.