Czy obróbka powierzchni wpływa na właściwości dokręcaniaśruby? Tak. Aby zmniejszyć błąd dyspersji współczynnika momentu obrotowego śruby i poprawić odporność na korozję, elementy złączne są zwykle poddawane obróbce powierzchniowej. Jednakże różne metody obróbki powierzchni mają znaczący wpływ na współczynnik tarcia gwintowanych elementów złącznych, co ostatecznie wpływa na charakterystykę dokręcania śrub. Łącząc odpowiednią wiedzę na temat elementów złącznych, poniżej dokonano analizy wpływu obróbki powierzchni na charakterystykę dokręcania śrub.
I. Teoretyczna analiza wpływu współczynnika tarcia na współczynnik momentu obrotowego śruby
1. Moment dokręcania połączenia śrubowego
1.1 Tarcie w parach śrub śrubowych trójkątnych
Tarcie w ruchomych parach można podzielić na tarcie płaskie, tarcie w płaszczyźnie nachylonej i tarcie w rowku, w zależności od kształtu powierzchni styku. Aby uprościć obliczenia siły tarcia w parach ruchomych, niezależnie od kształtu geometrycznego dwóch elementów pary kinematycznej pary ruchomej, styk dwóch elementów o różnych kształtach geometrycznych można uznać za parę ruchomą stykającą się w jednej płaszczyźnie (jak pokazano na rysunku 1), a wzór obliczeniowy jej siły tarcia można jednolicie wyrazić wzorem (1):
Tarcie w rowku: para obrotowa trójkątnego gwintu może przybliżać ruch nakrętki na śrubie do ruchu suwaka w kształcie klina-na nachylonej powierzchni rowka, czyli jako połączenie tarcia w rowku i tarcia w nachylonej płaszczyźnie. W tym momencie kąt rowka wynosi 90 stopni - (jak pokazano na rysunku 2).
1.2 Moment dokręcania śrub
Całkowity moment obrotowy wymagany podczas procesu dokręcania śruby składa się z dwóch części: momentu dokręcania potrzebnego do pokonania tarcia pary gwintów oraz momentu tarcia pomiędzy łbem śruby lub nakrętką a powierzchnią nośną.
2. Współczynnik momentu obrotowego połączenia śrubowego
Całkowity moment obrotowy śruby dzieli się na trzy części, mianowicie zużycie tarcia na powierzchni nośnej śruby, zużycie tarcia gwintu i zużycie napięcia wstępnego (jak pokazano na rysunku 3).
Z tabeli 1 wynika, że podczas procesu dokręcania energia zużywana na skutek tarcia na powierzchni nośnej śruby stanowi około 50%, zużycie tarcia gwintu wynosi około 40%, a obciążenie pracą wstępną stanowi około 10%. Przy tym samym momencie dokręcania, gdy współczynnik tarcia zmienia się o 0,05, zakres zmian napięcia wstępnego wynosi aż 43,1%. Oznacza to, że jeśli występują niewielkie różnice w obróbce powierzchni śrub, zakładając, że współczynnik tarcia wzrasta o 0,05, osiowe napięcie wstępne wynosi tylko 57% pierwotnego, co spowoduje poważne potencjalne zagrożenie bezpieczeństwa dla niezawodności połączeń śrubowych. Dlatego też pełną uwagę należy zwrócić na badania współczynnika tarcia par gwintów.
II. Analiza wpływu obróbki powierzchni na współczynnik momentu obrotowego
Dzięki wielofunkcyjnemu-systemowi analizy mocowania śrub można zmierzyć siłę dokręcania, całkowity moment obrotowy i moment obrotowy na parze gwintów podczas procesu dokręcania śruby, co pozwala dokładnie i w czasie rzeczywistym odzwierciedlić zależność między siłą dokręcania a momentem obrotowym, a jednocześnie zmierzyć współczynnik tarcia śrubygwint śrubyoraz powierzchnię podparcia łba śruby. Z analizy danych wynika, że grubość warstwy ocynkowanej ma niewielki wpływ na współczynnik tarcia łba śruby, natomiast ma istotny wpływ na współczynnik tarcia gwintu, co ostatecznie ma również istotny wpływ na współczynnik momentu obrotowego.
III. Wpływ obróbki powierzchni na dopuszczalną wytrzymałość śrub
Gwintowane elementy złączne są poddawane podczas dokręcania połączonemu-naprężeniu skręcającemu. Zgodnie z trzecią teorią wytrzymałości dopuszczalne naprężenia zastępcze elementów złącznych gwintowanych można obliczyć ze wzoru (9):
Podczas dokręcania połączeń gwintowych całkowity moment obrotowy jest dzielony na trzy części: zużycie tarcia na powierzchni nośnej śruby, zużycie tarcia gwintu i zużycie napięcia wstępnego. Wśród nich zużycie tarcia na powierzchni nośnej śruby i zużycie tarcia gwintu spowodują, że część pręta gwintowanego elementu złącznego wytrzyma naprężenie skręcające, a zużycie napięcia wstępnego spowoduje, że część pręta gwintowanego elementu złącznego wygeneruje rzeczywiste naprężenie rozciągające. Równoważne naprężenie rozciągające, jakie może wytrzymać śruba, jest stałe i nie może przekraczać granicy plastyczności śruby. W związku z tym zmniejszenie naprężenia skręcającego przenoszonego przez część prętagwintowane mocowaniemoże zwiększyć naprężenie rozciągające generowane przez rzeczywiste napięcie wstępne, to znaczy poprzez zmniejszenie zużycia tarcia na powierzchni nośnej śruby i zużycia tarcia gwintu, moment obrotowy jest w jak największym stopniu przekształcany w napięcie wstępne.
Analiza współczynnika tarcia pokazuje, że śruby o małym współczynniku tarcia mogą uzyskać większe osiowe napięcie wstępne przy przyłożeniu małego momentu obrotowego, co ma ogromne znaczenie dla oszczędności zużycia energii i poprawy efektywności użytkowania śrub.
IV. Czynniki wpływające na charakterystykę dokręcania śrub
(1) Z analizy wynika, że współczynnik tarcia ma istotny wpływ na rozkład energii w zużyciu tarcia powierzchni nośnej śruby, zużyciu tarcia gwintu oraz zużyciu pracy napięcia wstępnego podczas procesu dokręcania. Niewielka zmiana współczynnika tarcia spowoduje duże wahania napięcia wstępnego.
(2) Poprzez analizę eksperymentalną zależności między różnymi obróbkami powierzchni a współczynnikiem tarcia gwintowanych elementów złącznych, a także momentem-naprężenia wstępnego, uzyskuje się reguły wpływu grubości warstwy ocynkowanej i różnych obróbek chromianowych na współczynnik tarcia i współczynnik momentu obrotowego: im większa grubość powłoki, tym wyższy współczynnik tarcia; współczynnik tarcia śrub traktowanych chromianem C2C jest znacznie większy niż śrub traktowanych chromianem C2D.
(3) W porównaniu ze śrubami pokrytymi chromianem C2C, zastosowanie śrub pokrytych chromianem C2D może zmniejszyć zużycie momentu obrotowego przez tarcie na powierzchni nośnej śruby i gwincie oraz uzyskać większe napięcie wstępne osiowe, co ma ogromne znaczenie dla oszczędności zużycia energii i poprawy wydajności serwisowej śrub.
