книги из ГПНТБ / Биргер И.А. Резьбовые соединения

На практике иногда применяют контроль усилия затяжки по углу поворота гайки:

Если пренебречь податливостью стягиваемых деталей по сравнению с подат­ ливостью болта, то

Измерение угла поворота гайки при монтаже с точностью 10—15° не вызывает затруднений и производится различными способами (мерные подкладки, шаблоны и др.).

Обычно основное значение имеет податливость болта Alt однако при податли­ вых фланцах необходимо учитывать все члены предыдущей формулы.

Метод затяжки по углу поворота прост, не связан с силами трения и, таким образом, не зависит от индивидуальных особенностей резьбового соединения. Однако сложность вычисления податливости стягиваемых деталей, определения начального угла ф0 , при котором полностью выбираются зазоры в соединении, делает этот метод мало эффективным. Точность обеспечения заданного усилия затяжки при контроле по углу поворота гайки не более ±22%.

Контроль усилия затяжки по углу поворота гайки непригоден для соединений с короткими болтами, так как расчетный угол поворота гайки для таких болтов невелик, и погрешности метода сказываются в наибольшей степени.

Наиболее прост для практики, а поэтому и широко распространен контроль усилия затяжки, основанный на замере момента затяжки с помощью тарирован­ ных ключей: динамометрических и предельных.

Конструкция торцовых динамометрических и предельных ключей описана в работе [4].

Применение тарированных ключей основано на связи крутящего момента на ключе и усилия затяжки. Момент, приложенный к гайке, уравновешивается крутящими моментами от сил трения в резьбе и на торце гайки.

Крутящий момент от сил трения на торце гайки можно вычислить по формуле

где ц г — коэффициент трения на торце гайки, RT — радиус трения опорной по­ верхности гайки (головки болта); RT — для плоского кольцевого торца,

В. М. Рыдченко [25], наибольшие давления концентрируются вблизи отверстия

230

Для идеального резьбового соединения (без трения в резьбе и на торце гайки;

Этой формулой можно пользоваться для предварительной оценки крутящего

При одинаковых напряжениях затяжки момент на ключе пропорционален кубу диаметра резьбы.

Из формулы (413) следует, что при неизменных коэффициентах трения сила затяжки пропорциональна величине момента на ключе. В действительности, коэффициенты трения зависят от удельного давления и других факторов, среди которых основными являются наличие и вид покрытия резьбы, состояние тру­ щихся поверхностей (шероховатость поверхности, смазка и др.), повторяемость сборки, скорость завинчивания, а также жесткость соединения, влияющая на

Обширные исследования влияния различных факторов на коэффициенты тре­ ния в резьбе инаторце гайки, а также на величину момента на ключе выполнены Келлерманом и Клейном [48], И. Г. Старостиным [28], Хернигом и Зидером [45], Гилом [44] и др. В табл. 79—82 даны значения коэффициентов трения в резьбе и на торце гайки, а также значения приведенных коэффициентов трения*.

Как показано в таблицах, влияние вида покрытия, условий смазки и числа предварительных затяжек на коэффициенты трения весьма существенно. Коэф­ фициент трения в резьбе больше коэффициента трения на торце гайки и приведен­

ваемых опытах с увеличением числа затяжек усилие в болте возрастает, а коэф­ фициенты трения уменьшаются. Подобные результаты получаются также при покрытии трущихся поверхностей кадмием и оловом.

При оксидированных, оцинкованных, омедненных, никелированных поверх­ ностях (см. табл. 79) наблюдается повышение коэффициентов трения с увеличе­ нием числа затяжек. Подобные результаты были получены также Альменом, Тумом и Дебусом и др. Указанное обстоятельство должно приниматься во вни­

231

232

С увеличением скорости завинчивания коэффициенты трения в резьбе и на торце уменьшаются. Это следует учитывать при ручной затяжке тарированным инструментом (особенно предельными ключами) резьбовых соединений с d:> 10 мм, так как вследствие неравномерного вращения инструмента в процессе затяжки («перехват» ключа, затяжка «рывками») возможны недотяжка или перетяжка резьбовых соединений. Переход с ручной на механизированную сборку резьбо­ вых соединений может привести к существенной перетяжке резьбовых соеди­ нений.

Смазка приводит к уменьшению коэффициентов трения и их стабилизации. Введение смазки, по данным И. Г. Старостина [28], во всех случаях сопровожда­ лось снижением коэффициента трепня на 25—60% и устранением заедания в резьбе. Для кадмированных и омедненных поверхностей заеданий не наблюдалось даже при затяжках вплоть до разрушения соединений. Сказка значительно умень­

Необходимо отметить, что оценка смазки по ее влиянию на коэффициенты трения в резьбовом соединении не является полной. Основными требованиями, предъявляемыми к смазке в данном случае, являются ее противозадирные свойства. Наилучшие результаты в этом отношении дают сорта смазки, обнаруживающие хорошее «сцепление» с молекулами металла и отличающиеся прочностью моно­ молекулярных слоев и свойством самовосстановления, что весьма существенно при больших удельных давлениях на поверхности витков. Такими являются графитовые смазки (типа НК-50 и др.), двусернистый молибден (MoS2) [1], масла с присадками жирных кислот или некоторых соединений серы, хлора и фосфора. Подробно вопросы применения противозадирных смазок изложены в работе Боудена и Тейбора.

Анализ экспериментальных данных показывает, что зависимость Л1К _,= f (Q3) не является устойчивой и обеспечивает точность получения усилия затяжки не более + 30%.

233

ментов в резьбовом соединении с шатунным болтом содержатся в статье [45].

При отсутствии экспериментальных данных можно использовать значения приведенного коэффициента трения из табл. 82.

Лучшие (по сравнению с. контролем по Мкл) результаты могут быть получены при затяжке резьбовых соединений комбинированным методом |4]. При этом первоначальная затяжка до «нулевого» положения проводится тарированным инструментом, дальнейшая затяжка контролируется по углу поворота. Требуе­ мые М3 и <р определяют из экспериментальной диаграммы Ма = f (у). При указанном методе исключается произвольность отсчета нулевого положения угла поворота, а усилие затяжки не зависит от трения.

Однако и такой способ является не вполне удовлетворительным. При затяжке ответственных резьбовых соединений во всех случаях желательно перейти на метод непосредственного контроля удлинения или усилия.

Отметим, также что при неконтролируемой затяжке возникает опасность пе­ ретяжки болтов и шпилек диаметром менее 10 мм. Это вынуждает существенно снижать допускаемые нагрузки на соединение, а в некоторых случаях ограни­ чивает применение таких болтов в качестве силовых деталей.

3. ЗАЕДАНИЕ В РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

При нормальных и высоких температурах в резьбовых соединениях часто наблюдается заедание — после некоторого времени работы гайку не удается отвернуть или она отвинчивается с большим трудом.

Заедание в резьбовых соединениях начинается с местного сваривания, что

Возникновение мест холодной сварки связано с переносом частиц одного ме­ талла на другой. При достаточных силовых нагрузках (удельных давлениях) возникающие между поверхностями связи, как установлено А. П. Семеновым [26], могут быть прочнее внутренних связей в металле. Последнее при отно­ сительном перемещении тел приводит к задиранию соприкасающихся поверх­ ностей .

В обычных условиях контакта поверхностей (в случае применения углероди­ стых сталей) сваривание предотвращается наличием пленки адсорбированного на поверхности газа, а также оксидной пленки. В условиях глубокого вакуума заедание резьбы наблюдается уже при свинчивании.

Наблюдаемая обычно повышенная склонность к заеданию нержавеющих, кислотоупорных и жаропрочных сталей и сплавов, а также титановых сплавов объясняется тем, что из-за стойкости к окислению они образуют более слабые и тонкие оксидные пленки, а также хуже адсорбируют на своей поверхности молекулярные пленки других веществ.

Наиболее эффективным средством предотвращения заедания остаются раз­ ного рода покрытия и оксидные пленки.

К покрытиям предъявляется следующее требование: они должны быть более мягкими, чем материал резьбовой детали, и деформироваться без разрушения пленки.

Наряду с указанными выше покрытиями в некоторых отраслях машинострое­ ния (для уменьшения коэффициентов трения и их стабилизации) применяют свинцовое и цинковое покрытие с последующим пассированием. Хорошие резуль­ таты дает также электролитическое висмутирование в растворе, содержащем

234

трилон Б, висмут натрия, сегнетовую соль и едкий натрий. Следует отметить, что висмутирование, цинкование, свинцевание, лужение оловом и особенно кадмирование недопустимо для покрытия резьбовых соединений, работающих при температуре свыше 200° С, (так как в этом случае наблюдается разрушение затя­ нутых болтов (шпилек) из-за проникновения цинка, кадмия и других металлов в металл болта (эффект Ребиндера). Для нормальной работы соединений необхо­ димо, чтобы рабочая температура не превышала температуры плавления покры­ тия. Хорошо предохраняет соединение от заедания латунирование, осуществляе­ мое путем одновременного осаждения меди и цинка. Покрытие латунью при на­ личии смазки полностью устраняет заедание резьбовых соединений при рабочей температуре до 450—500° С.

Покрытие латунью может выполняться путем натирания резьбы латунью Л62 на токарном станке. Такой метод нанесения покрытия (толщина до 5 мкм) может применяться только для крупных резьб (5 > 4 мм) [21].

Значительно уменьшает вероятность заедания медное покрытие (температура плавления меди 1083° С). Медное покрытие может применяться для резьбовых соединений, работающих при температуре не свыше 700° С. Для тяжело нагружен­

тия не превышает 8 мкм.

Хромирование резьбовых соединений может применяться при рабочей темпе­ ратуре до 600° С. Следует отметить, что начальная твердость поверхности хроми­ рованной резьбы исключительно высока (до 800 кгс/мм2). Однако уже при t= 400° С твердость покрытия существенно снижается, а при ; = 600° С она становится равной твердости основного материала. К недостаткам хромирования можно отнести и неравномерность покрытия по профилю резьбы (толщина покрытия на вершине почти в 1,5 раза больше, чем во впадине).

Для резьбовых соединений, работающих в газовом потоке при высоких тем­ пературах, наряду с омеднением применяют химическое никелирование (макси­ мальная рабочая температура до 900° С). Покрытие наносится, как правило, равномерно по толщине и обладает хорошей коррозионной стойкостью. Термо­ обработкой покрытых деталей можно получить различную микротвердость покры­ тия, которая при определенной термической обработке при температуре 350— 400° С может достигать значений 900—1000 кгс/мм2. Наибольшая твердость покры­ тия достигается при температуре / = 400° С. При нагреве деталей в рабочих условиях твердость покрытия снижается до 500 кгс/мм2 при t — 800° С. Однако и в этом случае покрытие обладает высокой износостойкостью.

крайне неравномерное отложение покрытия. Хотя стоимость химического нике­ лирования почти в 3 раза выше катодного, его целесообразно применять для резьбовых деталей, работающих в агрессивной среде при высокой температуре, также взамен многослойных покрытий (никель—хром, медь—никель — хром и др.) [29].

Хорошо предохраняет резьбу от заедания мягкое серебряное покрытие (ра­ бочая температура до 720° С). Высокая стоимость этого покрытия ограничивает область его применения особо ответственными резьбовыми деталями.

Для устранения заедания резьбового соединения достаточно нанести покры­ тие на резьбу одной из деталей пары (как правило, гайки). При обработке под покрытие внутренней резьбы метчиками средней диаметр последних увеличивают на 20—35 мкм. Защитное покрытие гайки предохраняет ее также от «прилипания» к подкладным контрящим замкам из нержавеющей стали.

Малая шероховатость поверхности уменьшает контактные давления и снижает возможность заедания. Однако не следует стремиться к шероховатости более низкой, чем при накатывании резьбы. Слишком гладкая поверхность плохо адсор­ бирует поверхностные пленки и плохо удерживает смазку.

235

Смазка должна уменьшать коэффициент трения и препятствовать образованию металлического контакта между сопрягаемыми деталями и, как следствие, то­ чечного сваривания. Следует иметь в виду, что нагрузка задирания для нержа­ веющей стали в 7—10 раз ниже, чем для углеродистой, а смазки малой и средней активности (масло МС-70, индустриальное и др.) лишь незначительно повышают нагрузку задирания.

Указанным условием достаточно полно удовлетворяет дисульфид молибдена, который образует на трущихся поверхностях сплошные пленки, полностью раз­ деляющие их, и препятствует образованию мостиков сварки. Толщина слоя ди­ сульфида молибдена составляет лишь около 1000 Ä, но стойкость его достаточно высока, и он способен выдержать высокие удельные давления.

По данным И. Гэнсхаймера [42], дисульфид молибдена в твердом виде часто применяется в качестве единственной смазки при очень низких и высоких темпе­ ратурах, в вакууме и в условиях радиоактивного излучения.

Другим важным требованием, предъявляемым к смазке, является предохра­ нение резьбового соединения от пригорания. Г. Флейшером и В. Коволем [41] исследовалось влияние композиции, содержащих дисульфид молибдена различ­

Наилучшие результаты для всех температур дало применение порошка MoS2

соединений было затруднено в случае смазки резьбы (силиконовые смазки и графитосодержащие композиции).

В изделиях отечественного производства также широко применяется двусернистый молибден. Однако при его применении наибольшая допустимая темпера­ тура ограничена 400° С.

На Московском заводе малолитражных автомобилей (МЗМА) для предохра­ нения от заедания резьбовых соединении применяется жировая смазка (/ ^ 400С С). В состав смазки входит 80% животного жира, 4% камфоры, 1,6% серебристого графита, 12% алюминиевого порошка МПТК и 2,4% керосина. Такая смазка обладает высокими антифрикционными свойствами, проста в изготовлении и на­ несении, удобна при использовании в полевых условиях [29].

Меловая смазка предохраняет от заедания соединения при наибольшей ра­ бочей температуре до 600° С. В составе смазки: мелкодисперсный порошок мела, смешанный до кашеобразного состояния с маслом МК-8 или трансформаторным

смазка ЖС обеспечивает качественную сборку и разборку резьбовых соедине­ ний при высоких температурах. Диффузия свинца в материал болта отсут­ ствует.

Наряду с указанными смазками в машиностроении применяют различные графитовые пасты. Однако при выборе смазки для резьбовых соединений, рабо­ тающих в условиях высоких температур, предпочтение отдается двусернистому молибдену и меловой смазке.

Опасность заедания уменьшается при правильном подборе материалов болта и гайки. С этой целью при температурах до 500° С и при незначительных осевых усилиях применяют гайки из латуни, бронзы и перлитного чугуна. Для более нагруженных резьбовых соединений применяют гайки из жаропрочных материа­ лов. При этом материал гайки должен иметь больший коэффициент линейного расширения, чем материал болта.

Одним из средств борьбы с заеданием является применение для пары болт — гайка материалов различной твердости. Последнее может быть достигнуто нака-

236

тыванием резьбы, а также азотированием, катодным хромированием или химичес­ ким никелированием.

640 км ниже 10~8 мм рт. ст., последнее приведет к испарению покрытия. Оксиди­ рование и фосфатирование металлов, приводящее к созданию на поверхности резьбовых деталей плотных и стабильных в глубоком вакууме пленок, затрудняют процесс испарения.

4. СВИНЧИВАНИЕ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Высокий коэффициент трения титановых сплавов (0,45—0,6) в паре с одно­ именным материалом и склонность к заеданию вызывают необходимость специаль­ ного рассмотрения свинчиваемости резьбовых соединений из сплавов титана. Указанные вопросы частично описаны в работах Р. Келлермана и Г. Турлаха

Установлено, что серебрение, кадмирование и фосфатирование титановых болтов с последующей смазкой деталей дисульфидом молибдена снижает коэф­ фициент трения в резьбе до р.' = 0,25 -г- 0,6. Однако коэффициент трения в этом случае остается нестабильным и заедание в резьбе не исключается. Возможность улучшения свинчиваемости резьбовых соединений из сплавов титана путем уве­ личения поверхностной твердости резьбы гайки за счет азотирования и терми­ ческого оксидирования (нагрева до 800° С с выдержкой в течение 4 ч и охлажде­ ния в воде; нагрева до 700° С в металлических коробках с сухим песком в печи с воздушной атмосферой с выдержкой в течение 10 ч и последующим охлаждением

237

в коробках вне печи) рассмотрена в работе [12] Коэффициент трения в соедине­ ниях с такими гайками снижается, а опасность заедания уменьшается. Однако азотирование гитана, повышая поверхностную твердость и уменьшая трение,

резьбы) часто необходимо контролировать крутящий момент во избежание скру­ чивания шпилек (особенно с уменьшенным диаметром стержня) при монтаже. Момент завинчивания шпилек на тугой резьбе часто используют для оценки ка­ чества (стопорящих свойств и т. д.) получаемого соединения. Он зависит от диа­

на изменение натяга пренебрегаем, так как остаточные деформации витков резьбы

238

Шпилька в отношении прочности находится в более благоприятных условиях, так как

В практических расчетах (уже при D = 3d) корпус можно рассматривать как пластину, полагая D = о о , тогда

Крутящий момент создается силами трения на боковой поверхности витков (рис. 244). Давление на этой поверхности связано с давлением на условной цилин­ дрической поверхности следующим соотношением

Р=Ро 2а •

239