/
Author: Григорьев В.П.
Tags: сварка машиностроение обработка металлов материаловедение прочность
Year: 1963
Text
В. п. ГРИГОРЬЕВ
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПОЛНЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ НА ИХ ПРОЧНОСТЬ И ВЫНОСЛИВОСТЬ
ОБОРОНГИЗ
1963
В. П. ГРИГОРЬЕВ доктор технических наук, профессор
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПОЛНЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ
НА ИХ ПРОЧНОСТЬ И ВЫНОСЛИВОСТЬ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ОБОРОНГИЗ
Москва 1963
621.880.5 : 620.17
В книге систематизированы экспериментальные данные о влияний технологических процессов выполнения соединений на их прочность и выносливость. Рассмотрено влияние отдельных операций: подготовки поверхностей, образования отверстий,: постановки силовых точек й отверждения связующего веще-' ства.
Даны рекомендации по повышению жесткости, прочности и выносливости соединений технологическими методами. Рекомендуется также методика испытания соединений для установления оптимального технологического процесса.
Книга рассчитана на инженеров машиностроительных зано-дов, конструкторских бюро и проектных институтов.
Рецензент канд. техн, наук Г. И. Карлов
Зав. редакцией инж. А. С. Займовская
ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ ВЕЛИЧИН
В—площадь сечения листа в расчетном участке в мм2,
В—ширина расчетной полосы в мм.
I] и ^2 — толщина листов соединяемых элементов (образца) в мм.
<р—коэффициент прочности шва при разрушении от статической на грузки.
— коэффициент, учитывающий снижение прочности материала листа вследствие изменения его механических свойств и концентрации напряжений в листе в зоне шва.
Д—относительный сдвиг в % от диаметра d силовой точки.
е— относительная величина деформации в %.
<рВз —коэффициент выносливости шва при разрушении от вибрационной ср нагрузки.
«Епту—коэффициент выносливости шва при разрушении от повторной статической нагрузки.
₽с и ₽®р—эффективные коэффициенты концентрации напряжений при разруше-
{ нии от статической нагрузки для площади расчетной полосы нетто
и брутто.
к о
₽П(а у эффективный коэффициент концентрации напряжений при разру-та ’ шении от повторной статической нагрззки.
°«>—предел выносливости при осесимметричном цикле растяжения.
₽в (9 \—эффективный коэффициент концентрации напряжений при разруше-
ma3i' нии от вибрационной нагрузки.
°max; ^min—наибольшее и наименьшее напряжения цикла при испытании вибрационными и повторными статическими нагрузками в кГ/мм2.
°ср — средние напряжения цикла в кГ/мм2.
°в—предел прочности при растяжении материала листа, силовой точки или связующего вещества в кГ/мм2.
т—предел прочности при срезе материала силовой точки или связующего вещества в кГ/мм2.
''л — предел прочности при срезе материала листа в кГ/мм2.
112£
3
R —суммарная величина рассеивания прочности соединения в % от среднего значения (при малом числе образцов).
±3э — величина предельного отклонения прочности от среднего значения (при большом числе образцов).
^бМо — характер посадки болта (заклепки) в отверстие.
Nq—число силовых точек в соединении, выполненном симметричным швом.
—коэффициент прочности соединения, выполненного симметричным швом.
Тг—шаг размещения силовых точек в соединении, выполненном симметричным швом.
ВВЕДЕНИЕ
При изготовлении самолетов, судов, автомобилей и других машин применяются различные виды соединений листовых деталей и других конструктивных элементов — болтовые, заклепочные, сварные, паяные и клеевые.
В промышленности ведется непрерывная работа по усовершенствованию существующих и изысканию новых, прогрессивных технологических процессов выполнения соединений. В связи с этим возникает необходимость сравнения различных видов соединений и способов их выполнения для определения оптимальных технологических процессов.
При сравнении технологических процессов их можно оценивать по прочности (выносливости, жесткости) получаемого соединения, герметичности шва, качеству поверхности соединяемых элементов, технико-экономическим и другим показателям.
В настоящей работе рассматриваются методы сравнения по прочности, выносливости и жесткости соединений одного вида, выполненных различными способами, и различных видов соединений между собой.
При сравнении соединений их прочность оценивается по разрушающей статической нагрузке, жесткость — по степени деформации шва, а выносливость — по числу циклов нагружения до разрушения соединения или по пределу выносливости.
Прочностные характеристики — это важнейшие критерии оценки качества соединения, так как от них зависит надежность и срок работы конструкции в эксплуатации. Проведенные исследования показывают, что значительное влияние на эти характеристики оказывают технологические и конструктивные параметры соединений. Поэтому прочность, жесткость и выносливость соединений следует рассматривать как результат совместной работы в шве силовых точек (заклепок, болтов, сварных точек) и листов (профилей) или соединяющего вещества (клей, припой) и листов.
Прочность материала листов, заклепок, клея или припоя по отдельности значительно влияет на прочность соединения, но не определяет ее. Поэтому сравнивать прочностные характеристики соединений на образцах можно или при выполнении их в одних и тех же производственных условиях, изменяя конструктивные параметры шва, или при неизменной конструкции шва, изменяя технологию выполнения соединения.
5
В настоящее .время нет единой методики испытания соединений деталей из листов и профилей и поэтому каждая организация применяет свою форму образцов и методы испытания.
Такая практика проведения исследований связана с большими затратами средств и времени. Кроме того, каждое исследование решает обычно какой-либо один, частный вопрос, не связывая его с общей проблемой влияния технологии производства на прочностные характеристики соединений.
Каждая организация решает свою задачу начиная с «азов» и проводит весь комплекс испытаний, так как не имеет возможности использовать данные, полученные другими организациями, или сравнить результаты своих исследований с данными других исследователей.
Опубликованные в нашей печати [1, 2, 3] исследования соединений посвящены решению частных вопросов. Сравнить результаты этих работ и сделать по ним какие-либо обобщающие выводы не представляется возможным. В иностранной литературе также отмечается необходимость систематизации методов испытаний (размеры образцов, режимы нагружения).
В книге «Усталость самолетных конструкций» [4] первостепенной задачей считается расширение объема исследований по усталостной прочности на образцах. Имеется в виду, что при исследовании соединений на образцах будут решаться как конструктивные, так и технологические вопросы.
На основании исследований, проведенных автором, и некоторых литературных данных ниже рекомендуются методы испытания на жесткость, прочность и выносливость соединений, выполненных различными способами. В частности, даны рекомендации по выбору формы и размеров образцов длй различного вида испытаний, а также режимов нагружения для испытаний при вибрационных и повторных статических нагрузках. Кроме того, сформулированы требования к технологии выполнения сравниваемых соединений и установлены показатели жесткости, прочности и выносливости соединений, выполненных различными способами.
Результаты испытаний, проведенных по единой методике, дадут возможность оценивать влияние различных способов выполнения соединений на их прочность и выбирать оптимальные технологические процессы, а также сравнивать прочность соединений различных видов (клепаных, сварных, клееных и т. д.).
. Получение сопоставимых результатов испытаний соединений позволит широко использовать данные различных исследователей, что поведет к ускорению и удешевлению экспериментальных работ в.зтой области.
Прочностные характеристики соединений (прочность, выносливость, жесткость) в значительной мере зависят от способа образования отверстий под силовые точки и от самих силовых точек или .непрерывного шва, т. е. технологии выполнения соединения.
В соответствии с этим в книге рассматриваются процессы образования отверстий, пбдготовки поверхностей и сжатия соединяемых
б
элементов, выполнения 'силовых точек и отверждения связующего вещества, а также влияние этих (процессов на прочностные характеристики соединений.
Все вопросы, рассматриваемые в книге, представлены в виде, пригодном для непосредственного использования при расчетах и разработке процессов производства.
При пользовании книгой необходимо иметь в виду, что прочностные характеристики рассматриваются здесь как критерии оценки технологических процессов, а не. как данные для расчета конструкций.
Автор надеется, что настоящая -работа поможет конструкторам и технологам увеличить надежность и срок службы листовых соединений, способствуя тем самым решению общей задачи повышения долговечности, снижения веса и стоимости машин.
Глава I
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОЕДИНЕНИИ, ВЫПОЛНЯЕМЫХ СИЛОВЫМИ ТОЧКАМИ 1
И НЕПРЕРЫВНЫМ ШВОМ
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОЕДИНЕНИИ И ВИДЫ ШВОВ
Соединения листовых деталей выполняются различными методами, которые можно объединить в три группы: 1) соединения силовыми точками, 2) соединения непрерывным швом и 3) комбинированные соединения.
Каждая группа включает методы с одинаковым характером передачи усилий от одного элемента к другому, с общим методом расчета соединений на прочность и одинаковым принципом построения технологического процесса (см. табл. 1).
Для соединений силовыми точками характерно ослабление соединяемых элементов в результате сверления отверстий под силовые точки и снижения прочности материала вследствие нагрева при постановке силовых точек. Для соединений этого типа характерно возникновение больших концентраций напряжений в зоне расположения силовых точек. Соединения, выполняемые силовыми точками, рассчитываются обычным методом, включающим расчет на прочность листа по ослабленному силовыми точками сечению и расчет на прочность силовых точек при срезе и отрыве.
Технология выполнения таких соединений и оборудование предусматривают образование отдельных силовых точек или групп их. Процесс производства прерывистый, производительность работ небольшая, ’их механизация и автоматизация затруднены.
Соединения, выполненные непрерывным швом, обеспечивают значительно большую удельную прочность (на погонный метр), так как ослабление соединяемых элементов в этом случае происходит только вследствие нагрева материала при образовании шва. Метод расчета таких соединений (сварных, клеевых, паяных) одинаков. Расчет 'включает определение прочности листа в зоне шва и прочности связующего вещества (или наплавленного металла) при срезе и отрыве. Технологические процессы и оборудование для выполнения этих соединений предусматривают непрерывность действия по большинству операций. Процесс производ-
8
Таблица I
Виды соединения
9
Продолжение
ства соединений непрерывным швом весьма производительный, < рации можно автоматизировать при небольшой затрате средств.
Комбинированны^ соединения включают силовые точки и непрерывный шор. Трудоемкость выполнения комбиниро*-ванного соединения значительно больше, чем каждого из входящих в него видов соединения. В настоящее время еще не разработай научно обоснованный метбд расчета комбинированных соединений. Расчет таких соединений ведется упрощенными методами с обяза* тельной проверкой прочности запроектированных швов эксперимен1 •тальным путем.
Для соединения деталей описанными методами применяются швы различного вида, в зависимости от конструкции соединяемы^ элементов в характера передачи усилия от одного элемента конструкции на другой. В соответствии с этим различают следующие виды швов: внахлестку, в стык с одной накладкой, в стык с двумя накладками и т. д. (см. табл. 2).
Швы вида Б, В, Е стыковые, наиболее распространены швы вида Б и \Е. Эти соединения, выполненные сваркой, склеиванием или потайными заклепками, лучше всего отвечают требования^ аэродинамики и гидродинамики к внешним обтекаемым потоком воздуха (или жидкости) элементам конструкции. Швы А, Б, Е применяются при соединении листов обшивки, стрингеров, поясов лонжеронов и! т. д. Швы вида В — в стык с двумя накладками— применяются i при соединений элементов конструкции, передающих большие нагрузки, как например, лонжероны, рамы, балки и т. д. Стрингерной шов и шов со связующими точками применяют при креплении! обшивки к элементам каркаса.
10
Виды швов
Таблица 2
Вид шва Эскиз Обозначение
Внахлестку А
1 Ld 1 4,4 Б ’
В стык с одной накладкой (в виде
листа или профиля) || 777
1 «И
В
Jeep 1 rZ - 1 р
Стрингерный шов 4—1 r— —JГ
и.
1?
4 4
Шов со сйяЗующими точками или । ИЗ д
связующим веществом
V - . с?‘
В стык по торцам листов 1 "I Е
1. 4 <1 2
А1
2. СОЕДИНЕНИЯ, ВЫПОЛНЕННЫЕ СИЛОВЫМИ ТОЧКАМИ Работа соединений, выполненных силовыми точками, на срез
Расчет соединений обычно ведется после общего расчета и компоновки конструкции узла, агрегата или механизма, когда известны
материалы соединяемых элементов
Фиг. 1. Типовой шов ПШ.
конструкции, их толщины и вид шва (в стык или внахлестку), а также вид соединения — клепаное, сварное или болтовое. На основании этих данных определяют размеры шва, добиваясь получения наибольшего запаса прочности шва и £ жесткости соединения.
Элементы конструкции, соединенные силовыми точками—заклепками, болтами или сварными точками, принято рассчитывать по разрушающим нагрузкам. Такой метод расчета позволяет надежно
установить запас прочности и проверить его путем испытания соединения до разрушения. Разрушение соединений, выполненных силовыми точками при статическом нагружении может произойти по листу или по силовым точкам (срез).
Соединения, разрушающиеся по л и с т у. Для рассмотрения работы соединения и характера его разрушения от статической нагрузки возьмем участок шва — расчетную полосу шириной В (фиг. 1).
Наибольшая статическая нагрузка, которую может выдержать при растяжении наиболее тонкий лист в данном шве
Pf=F^ (1)
В действительности прочность шва всегда ниже прочности листа вследствие ослабления последнего отверстиями под силовые точки, концентрации около них напряжений и влияния других конструктивных и технологических факторов.
В соответствии с характером разрушения соединения величина разрушающей шов статической нагрузки составит
при разрушении по силовым точкам *
/^СТ ^Устр’
(2>
при разрушении по листу
(3) где Тр — расчетный предел прочности материала силовой точки при срезе;
Y —суммарный коэффициент, учитывающий снижение прочности
♦ Принятые обозначения приведены в начале книги.
12
материала листа вследствие изменения его механических свойств и концентрации напряжений в листе в зоне шва;
F*=F — kznf§—площадь ослабленного сечения листа (в ряду z)\
Выражение (3) можно представить в развернутом виде:
pfzkjiM. (За)
В этом выражении kz=nz]n— отношение числа силовых точек nz в последнем ряду к общему числу силовых точек в шве п. При равном числе силовых точек в рядах (фиг. 1) nz = n!z, а коэффициент kz=\lz. Уменьшение площади сечения листа за счет одной силовой точки
/о=<М,
Фиг. 2. Изменение разрушающей нагрузки в зависимости от числа силовых точек в шве.
где £— коэффициент, характеризующий условное уменьшение площади сечения листа в результате зенкования отверстия под потайные головки болтов и заклепок или изменение механических свойств материала листа вокруг сварной точки.
При предварительных расчетах для соединений болтами или заклепками с выступающими головками £=1;
для соединений заклепками или болтами с потайными головками £=1,24-1,5;
для соединений сварными точками закаленных дуралюминовых листов £=1,74-2,5, стальных листов — £=1,44-1,6.
При рассмотрении трех образцов соединения с одинаковым числом в ряду z силовых точек, выполненных болтами, заклепками или сварными точками одинакового диаметра, установлено, что при разрушении этих соединений по листу в ряду z прочность их в основном зависит от степени ослабления листа силовыми точками, т. е. коэффициента £ и концентрации напряжения около силовых точек, характеризуемой коэффициентом У.
Исследования показали, что введение коэффициентов у; £ в расчетные формулы позволяет с достаточной для практических целей точностью рассчитывать по одной
методике соединения, выполненные болтами, заклепками или сварными точками.
Схематически можно представить, что разрушающая нагрузка Рст, выражаемая формулой (2), изменяется в зависимости от числа силовых точек п прямолинейно (прямая 1 на фиг. 2).
Разрушающая нагрузка Pfz, выражаемая формулой (3), так же изменяется прямолинейно в зависимости от числа силовых точек (прямые 2). Положение прямых 2 зависит от характера размещения силовых точек по рядам, т. е. от величины коэффициента k.
13
Точки пересечения прямых 1 и 2 определяют наивыго'днейшее число силовых точек ин в шве, при котором соединение выдерживает наибольшую нагрузку. Этот случай характеризует условия равнопрочности соединения, когда величины разрушающих нагрузок по листу и силовым точкам равны, т. е.
Подставив в выражение (4) значения Рс.т и Р&г из формул (2) и (За), после ряда преобразований получим формулу,,определяю-, щую наивыгоднейшее число силовых точек в шве: . г
п =1^*5, Н /с’р + т¥о’в
(5)
Соединения, имеющие наивыгоднейшее число силовых точек и рациональное размещение их по рядам, назовем высокопрочными швами (ВПШ).
Швы ВПШ могут быть однорядные и многорядные.
Для однорядного шва наивыгоднейшее число силовых точек определяем по формуле (5)., считая kz= 1, т. е.
п1==--^......
/стр +
Шаг размещения силовых точек в однорядном шве
1 гц
(6)
(7)
Из соображений технологии, т. е. возможности постановки близко стоящих заклепок или болтов, а также недопущения шунтирования тока при точечной сварке, шаг t\ и диаметральный шаг (фиг. 1) должны быть не менее трех диаметров силовой точки d.
Следовательно, если по формуле (7) будет получено, что ^<3^, то для такого шва принимают
Эффективность соединения наиболее целесообразно определять с помощью коэффициента прочности шва. В общем виде этот коэффициент представляет собой отношение нагрузки, разрушающей соединение, к нагрузке, разрушающей лист по целому сечению (на расчетную полосу):
Р ч=р,-
Для однорядного шва, разрушающегося по листу, коэффициент прочности шва |
?=“. (8>
где PP2i —- нагрузка, разрушающая однорядный шов по листу.
(9)
В этом выражении Fl=nlfQ — уменьшение площади сечения тонкого листа (толщиной б) силовыми точками. Подставив в выраже-
14
нйе (8) значение Pp2t из формулы (9) и значение щ из формулы (6), величину Pf из формулы (1), Вдсле преобразований и сокращений получим выражение для определения коэффициента прочности однорядного шва
<Pj=---------.
• ! • - - /стр + Т/о°в
Имея исходные данные можно по формулам (6), (7) и (10) определить наивыгоднейшее чирло силовых точек П\ на расчетную полосу шва, шаг /j размещения силовых- точек и коэффициент прочности однорядного шва фь
. Наряду с однорядными швами в конструкциях находят применение’и многорядные швы, которые позволяют получать соединения с, высокими коэффициентами прочности и более жесткие, чем одно-
Фиг. 3. Шов с убывающим чис- Фиг. 4. Симметричное расположение лом силовых точек по рядам шва. силовых точек в шве.
Высокопрочные многорядные швы можно рассчитывать двумя методами: 1)—последовательно, переходя от первого ряда ко второму, от второго к третьему и т. д. до получения шва требуемой прочности — фт и габаритов и 2) — зная требуемую величину коэффициента прочности шва фт, определяют kz и пв, затем размещают •силовые точки по рядам шва.
При расчете по первому методу определяют вначале параметры однорядного шва иг, t\, <pi, а затем, составляя последовательно условия равнопрочности по рядам, находят число силовых точек в последующих рядах.
Характер размещения силовых точек по рядам в многорядных высокопрочных швах зависит от прочности и толщины соединяемых элементов.
Швы с убывающим числом силовых точек от Первого к последующим рядам (фиг. 3) применяются при соединении1 элементов различной толщины из одного и того же материала Или элементов (листов) одинаковой толщины из различных материалов, т. е.
&1 <С ^2 ПРИ °в(г,)==бв(8а) или 8,=82 при ав(«,)<8в(г,).
15
1
При этих условиях разрушающая нагрузка по листу толщиной да больше, чем по листу толщиной di, т. е.:
Fob(81)<F'Ob(8s). (И)
Швы с симметричным расположением силовых точек (фиг. 4), применяются при соединении элементов одинаковой толщины из одного и того же материала, т. е.
При °в (81)== °в (8а)«
В этом случае
(81) = /’’,<5в (8а). 1 (12)
Рассмотрим в качестве примера последовательность расчета многорядного шва с убывающим числом силовых точек (см. фиг. 3) по первому методу — соединение листов из одного материала, но разной толщины листа (di<da).
По условию расчета необходимо получить шов с коэффициентом прочности <рт.
Вначале рассчитываем однорядный шов по формулам (6), (7) и (10). В результате может получиться, что ф1<фт, тогда рассчитываем двухрядный шов и определяем коэффициент фг для двухрядного шва.
При двухрядном шве условием равнопрочности по второму ряду в соответствии с формулой (4) будет
(»i+«2)/cXp=(/2-‘WI,».T- (*')
Найдем из этого уравнения шаг h размещения силовых точек во втором ряду, принимая, что в первом ряду наивыгоднейшее число силовых точек размещено с шагом tf.
Выразим значение через известные нам величины:
в
- о) —---= !----------=------- .
7ав8)В 7аьВ]В 7aBS^l
Подставив в это выражение значение tx из формулы (7), получим АТр7аВ81 /сТр <Р]
7Мв (АТР + 7/о°в) Атр + 7/о°в 7
Следовательно, шаг размещения силовых точек во втором ряду /2=—----------------------------= -^_.
у —
Умножив и разделив знаменатель дроби на л]5 получим
1
1 —----И]
77?]
Зная /2, можно определить число силовых точек во втором ряду:
В
Коэффициент прочности двухрядного шва
(/?] -f- ^з)Атр . лг/стр ?2 =----—-----= ?14-----7— •
Л<Тв
Умножив и разделив числитель дроби на л15 получим
nJSp+«2/схр = откуда
( _J°bW+ ”1Атр + ”2/c^p_ тдв/о +/с^р
2 7ав8Щ2 7ав81
Так как «2 = В//2, то
, _ , , Л1/сТр ”1АгрА
Г о — L ] --------— 11 Ч----------
7’вМг 7авМ
| п 1 ЛТР
7«вМ2
(12а)
После ряда преобразований получим
Обозначим
(126)
тогда
?2 = ?1 +•
В окончательном виде
?2 = — («1+Л2)- (12в)
П\
В том случае, когда <р2<<?т, производим расчет трехрядного шва.
При трехрядном шве условием равнопрочности будет:
(«14-п24- я3) /СТР = (/3 - d) гвМ3-
Определим шаг /3 размещения силовых точек в третьем ряду, принимая, что силовые точки в первом и втором рядах размещены соответственно с шагом и /2-
«l/cS + %/сХр + = ~ ^°вМз,
откуда
t Kl/c'tp + 'Vc'tp + ^з/стрЧ- /o7qB^3 .
3 7авМз
----------------1 ---------------------- . 7qB8i«3---------73вМз 7ав8Щз
16
2 1125
17
После сокращения на и3 первый член равенства представляет собой шаг tx, т. е.
73вМз 73Мз
Обозначив
«1АХР __Q.
7М1П3
Я2/стр ..уу
ТМ1«з
получим
t3=tx +Q+#»
(12г)
Число силовых точек в третьем ряду
В
*з
Проанализируем формулу (12г) и выразим значение Q и Н через характеристики шва.
или с учетом формулы (126)
Q=^.
Подставив значение получим
Q=B^-. (12д)
Разделив и умножив на пъ выражение
Лг/с'Ср «2/схр^З
ЦвМз 7aB^jB
получим
//—/ /2Цpi/cXpl ~п1^вЪ1В~ 3 Ui/
Выражение в квадратных скобках равно <о, тогда
(12е)
\«1/ 7 \«1/
Определим t3, подставив в формулу (12г) значение Q и Н из формул (12д) и (12е):
7 7 \пи
7 X «1/ «17
Подставив значение <pi из формулы (12в), в окончательном виде получим
Зная 1з, находим значения п3 и ф3, пользуясь тем же методом, что И при расчете двухрядного шва.
При получении условия ф3>фт расчет заканчивается.
На основании проведенных выше расчетов одно-, двух- и трехрядного швов можно сделать общие выводы для определения основных параметров стыковых швов.
Выше получены следующие расчетные формулы:
. для однорядного шва
, В 7/схр
tx = —, ;
«1 Ахр + 7/оав
для двухрядного шва
для трехрядного шва
/з= _i£l_ , ^^^-(и^Пз-фИз).
7~<Р2 «1
Формулы для определения параметров однорядных и многорядных швов при расчетах по первому методу приведены в табл. 3. Расчет ведем последовательно, подставляя в расчетные формулы для многорядных швов значения 2=2, 2=3 и т. д. После определения параметров двухрядного шва (п2; пнг; h', Фг) определяем параметры трехрядного шва и т. д., пока не получим шов с коэффициентом прочности не менее требуемого коэффициента срт.
Расчет шва по второму методу ведется в следующем порядке.
Вначале, используя формулу (10) и принимая (pi =фт и kz^=l, определим коэффициент kz по формуле
где фт — требуемая величина коэффициента прочности шва.
Формула (13) и аналогичные формулы табл. 3 действительны при условии
0<фт<’у.
Далее по формуле (5) определяем наивыгоднейшее число силовых точек Пн и число силовых точек в последнем ряду, т. е.
Пг = ^г-пн.
18
2*
19
I
Расчетные формулы для однорядных и многорядных высокопрочных швов (при работе силовых точек на срез)
Многорядный шов (8,)—F> °в (62) (симметричные швы) oq i й* С-1 + й II Й? 9- + 1 7 । £ й II о? £ II CU Pfz = — Рг) % г
oq 1 II я St 1 э- |_ 1 й э-| ё" II N Э- йв II и? 1 7 £ CU
Однорядный шов + а, II ё" ё" «сод + ! II °* + Л Й 1^ 0,° 7 £
Параметры шва В ряду общее в шве Коэффициент прочности <р при разрушении по силовым точкам при разрушении по ослабленному сечению листа
Число силовых точек п а Величина статической нагрузки, разрушающей соединение
20
Затем, найдя шаг размещения силовых точек в ряду z . _ в
определяем оставшееся число силовых точек <
и распределяем их по рядам шва.
Распределение силовых точек в шве может быть равномерным, с одинаковым количеством точек по рядам (кроме ряда z. фиг. 5) или кратным.
Фиг. 5. Равномерное распределе- Фиг. 6. Зависимость разрушающей на-
ние силовых точек в шве по ря- грузки от числа силовых точек в одно-
дам от 1 до (z—1). рядном шве при F=const.
При равномерном распределении силовых точек по рядам от 1 до (z—1) с шагом ti количество силовых точек в каждом ряду
fl\ (2; 3; . . .)=у- ’ (14)
где ti\ (2; з;...) — число силовых точек в первом, втором или третьем рядах.
В данном случае шаг размещения силовых точек t\ устанавливают исходя из технологических требований. Общее число рядов в таком шве при F?a (8i)<FF'<s' .
v 1 ' В (°2'
15)
Л1
В швах с кратным расположением силовых. точек по рядам шаг
tz =
в
tz-\
tZ .
2 ’
^г-2
И т. д.
Рассмотренный метод расчета швов, соединяющих листы различной прочности [исходная формула (11)], применяют и для расчета Швов, соединяющих листы равной прочности [см. формулу (12) и фиг. 4]. При соединении листов равной прочности швы проектируют симметричными.
21
Формулы для определения числа силовых точек в симметричных швах приведены в табл. 3.
Соединения, разрушающиеся по силовым т о ч-к а м. Величина разрушающей соединение статической нагрузки определяется по формуле (2)
Общее число силовых точек в шве в этом случае определяем из условия
Д
п — —
(16)
Количество силовых точек по рядам определяем по формуле (14), в которой величину шага t\ назначают исходя из технологических требований. Коэффициент прочности шва для данного случая
Рс.т 'Р'-т~ Pf~ Ft.
(Юа)
График зависимости разрушающей нагрузки (Рс.т или Pfz) от числа силовых точек Пц установленных на расчетную полосу В (фиг. 6), показывает на наличие трех зон.
Зона I — зона прочных швов (ПШ) —характеризует швы, разрушение которых происходит по силовым точкам. Характер кривой ОА, определяющей величину Рс.т одинаков для всех видов соединений— сварных, клепаных и болтовых.
Зона// — зона высокопрочных швов (ВПШ). Разрушение соединений происходит и по листу и по силовым точкам. Наивыгоднейшее число силовых точек /гн определяется по формуле (5).
Зона III— зона швов, разрушение которых происходит только по листу. Характер кривой, определяющий величину разрушающей нагрузки, зависит от вида соединения. Для соединений, выполненных заклепками или болтами, величина разрушающей нагрузки характеризуется кривой А С. Для таких соединений увеличение числа силовых точек п\ в ряду шва по сравнению с наивыгоднейшим чис-лом точек Пн приводит к снижению величины разрушающей нагрузка PFz.
Для соединений, выполняемых сварными точками, величина разрушающей нагрузки характеризуется кривой АБ. В таких соединениях увеличение числа сварных точек свыше пн нерационально, так как при этом прочность шва Pfz не повышается, а расход энергии и времени на постановку точек увеличивается.
При /21 = Пн лист разрушается по сечению, касательному к сварным точкам, так как это сечение ослаблено сваркой. Дальнейшее увеличение числа сварных точек не изменяет характера разрушения, а следовательно, не изменяет и величину разрушающей нагрузки Ppz-
22
работа соединений, выполненных силовыми точками, на отрыв
При работе на отрыв (растяжение) соединения, выполненного силовыми точками, возможны три вида разрушения (фиг. 7 и 8):
1) разрыв или кольцевой срез листа;
2) кольцевой срез закладной или замыкающей головки заклепки или болта;
3) разрыв стержня силовой точки.
Фиг. 7. Схема нагружения и возможные случаи разрушения листа и силовой точки (болта или заклепки) при работе на отрыв.
/—разрыв листа. 2 и 2'—кольцевые срезы головки, 3—разрыв стержня.
Фиг. 8. Схема нагружения и возможные случаи разрушения сварной точки и листа.
Разрыв листа. В зоне силовой точки разрывается обычно более тонкий лист соединения (фиг. 7). Такое разрушение чаще всего наблюдается в клепаных и болтовых соединениях. Величина разрушающей нагрузки
<Ъ=7л- (17)
При кольцевом срезе листа в зоне силовой точки (фиг. 8), наиболее часто встречающемся при разрушении сварных точечных соединений, разрушающая нагрузка
(18)
гДе Рл> Qn — разрушающие нагрузки при разрушении по листу;
/л —площадь разрыва листа;
D — диаметр ослабленного сечения листа, D=^d,
где рл — коэффициент, зависящий от характера разрушения листа.
23
Кольцевой срез головки заклепки или болта происходит по кольцу, диаметр которого равен диаметру стержня (фиг. 9, б).
Разрушающая нагрузка
Qr^dh-, (19)
где h — высота головки по линии среза (см. фиг. 7).
Разрыв стержня наблюдается у заклепок и болтов с выступающими головками (фиг. 9,а). При соединении точечной сваркой толстых листов происходит разрыв сварной точки по сечению х—х (фиг. 8). Разрывающая стержень (или сварную точку) нагрузка
(?с=4^о„ (20).
где Св — предел прочности материала заклепки или болта. При соединении точечной сваркой ов — предел прочности материала листа.
А — коэффициент, отражающий изменение предела прочности материала заклепки или листа после выполнения соединения. Для заклепок и болтов А = 1,0—1,2; для сварных точек А =0,35—0,9.
Фиг. 9. Характер разрушения заклепок (болтов) при работе соединения на отрыв.
а—разрыв стержня, б—
кольцевой срез головки.
Фиг. 10. Соединение, выполненное непрерывным швом.
/—лист обшивки, 2—'Профиль.
3. СОЕДИНЕНИЯ, ВЫПОЛНЯЕМЫЕ НЕПРЕРЫВНЫМ ШВОМ Работа соединений, выполненных непрерывным швом, на срез Соединения элементов конструкции непрерывным швом, т. е. роликовой сваркой, склеиванием, сваркой плавлением и пайкой, так же как и соединения, выполненные силовыми точками, рассчитываются по разрушающим нагрузкам. При нагружении такого вида соединения (фиг. 10) разрушение может произойти от разрыва листа по сечению у—у или от среза связующего вещества по сечению х—х.
24
рассмотрим характер нагружения и формулы для расчета на прочность таких соединений.
и Соединения, разрушающиеся по л и с т у. В случае разрушения листа по ослабленному сечению у—у разрушающая нагрузка
PFz=^^ (21)
где Ов —предел прочности материала листа.
Соединения, разрушающиеся от среза связующего вещества. При разрушении соединения, приведенного на фиг. 10, от среза связующего вещества по сечению х—х разрушающая нагрузка
^св.вещ f с.ъ. вгщ^’ (22)
где /св> вещ= В/ —площадь среза связующего вещества;
В—ширина расчетной полосы;
/ — величина нахлестки;
т —предел прочности при срезе связующего вещества в данной конструкции.
Работа соединений, выполненных непрерывным швом, на отрыв
При работе соединения, выполненного непрерывным швом, на отрыв возможно разрушение по листу или по связующему веществу.
Разрыв происходит чаще всего со стороны более тонкого листа. При срезе листа по сечению у—у силой Q = 2Qi (фиг. И) разрушающая нагрузка
Рл 7 /л'"л*
При разрыве связующего вещества по сечению х—х разрушающая нагрузка
^св.вещ = /св.вещ' °в7 > (23)
где — предел прочности материала связующего вещества.
Все приведенные выше формулы применяют для расчета на прочность образцов соединений, предназначенных для исследований
"'11’1 Г1
Фиг. 11. Схема нагружения соединения, выполненного непрерывным швом, при работе на отрыв.
25»
влияния технологии производства на прочность соединений. Как правило, исследования проводятся на образцах при работе соединений на «чистый» срез или отрыв. Для расчета таких швов выше приведены формулы (1) — (23). В случае необходимости проведения исследования соединений, работающих при сложном напряженном состоянии, размеры шва и величины разрушающей нагрузки определяются по формулам, приведенным в руководствах для конструкторов [5].
Глава II
понятия О КОНСТРУКТИВНЫХ И КОНСТРУКТИВНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРАХ ШВА
Расчет швов производится после общего расчета узла, панели или агрегата, т. е. когда уже известны материалы и толщины соединяемых элементов и предопределены вид шва (в стык или внахлестку) и вид соединения (клепаное, сварное или болтовое).
В соответствии с расчетными формулами конструктор оперирует с величинами тсР; сгв; бг, 62; F; п; d; f0; /; бсв.вещ, принимая значения этих параметров на основании справочников (паспорта на материал) или собственных расчетов. Однако после выполнения соединения фактические значения некоторых параметров отличаются от расчетных, вследствие чего действительная прочность соединения отличается от расчетной. Учитывая это, параметры, определяющие прочность и размеры шва, разделим на конструктивные и конструктивно-технологические.
Конструктивными будем считать такие параметры, величина которых устанавливается при конструировании шва ине изменяется в процессе выполнения соединения.
Применительно к соединениям, приведенным на фиг. 1 и 10, конструктивными параметрами будут бь 62; F', п; I.
Конструктивно-технологическими назовем такие параметры, величина которых зависит от технологии выполнения шва. При расчетах величину конструктивно-технологических параметров принимают приближенно на основании ранее проведенных испытаний.
Для соединений, выполненных сварными точками, болтами или заклепками (см. фиг. 1), конструктивно-технологическими параметрами будут тср; ов; I; d5ld0.
Для клеевых или паяных соединений (см. фиг. 10) конструктивно-технологическими параметрами будут тСр; ов; бсв.вещ; I-
Фактические значения конструктивно-технологических параметров зависят от технологии выполнения соединений — подготовки деталей к соединению, режима работы машин, вида и отстояния оборудования, оснастки и инструмента, квалификации работающих и ряда других факторов. Так, например, при исследовании точечной сварки магниевых сплавов (МА8) установлена зависимость тср от
26
сварочного давления. Если при сварочном давлении 300 кГ величину Тср принять за 100%, то при давлении 700 кГ напряжение тср составит 50% [6]. Установлена [6] зависимость напряжения тср от силы сварочного тока: если при/ = 30 000 о величина тср равна 100%, то при / = 40 000 а она повысится до 180%.
Для клеевых соединений можно привести следующий пример. Доказано, что в зависимости от создаваемого при склеивании удельного давления изменяется толщина клеевой пленки дсв.вещ, что в свою очередь, вызывает изменение напряжения тср. Так, при соединении листов из материала Д16-Т клеем ВС-ЮТ при удельном давлении руд=0,3 кГ/см2 толщина пленки бсв.вещ = 0,2 мм, а при руд=3 кГ/см2 толщина пленки составляет лишь бсв.вещ=0,05 мм.
В соответствии с этим изменяется и напряжение среза. Если при бсв.вещ = 0,05 ММ Тср ПрИНЯТО 3 3 100%, ТО при бсв.вещ = 0,2 ММ ОНО составит 70% [7].
При выполнении болтовых соединений зависимость величины конструктивно-технологического параметра 1 от метода образования отверстия можно показать на следующем примере.
Если при сверлении отверстий под болты коэффициент у принять за 100%, то при пробивке отверстия у составит 85%. В такой же пропорции, в соответствии с формулой (3), уменьшится и прочность соединения при статической нагрузке.
Еще большее влияние технология производства оказывает на прочность и выносливость всех видов соединений, работающих при переменных нагрузках. Так, если прочность соединения при статической нагрузке при замене сверления отверстий пробивкой снижается на 15%, то длительность работы соединения при повторной статической нагрузке в этом случае снизится на 60%, т. е. соединение со сверлеными отверстиями разрушается после 1647 циклов повторения нагрузки, а при той же величине напряжения, но с пробитыми отверстиями — после 740 циклов.
Все эти примеры доказывают необходимость исследования влияния технологии на прочность и выносливость соединений. Необходимо путем исследования выявлять, какие параметры шва при Данном методе соединения являются конструктивными и какие конструктивно-технологическими.
На основании анализа характера разрушения изучаемого соединения и результатов предварительных испытаний нужно установить, под влиянием каких технологических факторов может изменяться величина того или иного конструктивно-технологического параметра. Затем на основании этого анализа -следует проектировать образцы соединений для испытания их в полном объеме.
Размеры и форму шва исследуемого образца устанавливают с таким расчетом, чтобы прочность шва, выполняемого различными технологическими процессами, определялась исследуемым конструктивно-технологическим параметром. Так, например, при исследовании влияния удельного давления склеивания на предел прочности клеевого соединения при срезе образцы должны разрушаться по слою клея.
27
При исследовании влияния силы сварочного тока 1 при точечной сварке на прочность соединения необходимо испытать две серии образцов.
Образцы первой серии под действием статической нагрузки должны разрушаться от среза сварных точек, это позволит установить влияние силы тока на прочность сварных точек при срезе.
Образцы второй серии при тех же условиях испытания должны разрушаться от разрыва листа по ослабленному сечению. Эти испытания покажут, как влияет сила сварочного тока на прочность листа.
Необходимо иметь в виду, что при вибрационных и повторных статических нагружениях образцы применяемых на практике соединений разрушаются по листу независимо от величины! исследуемых параметров.
Методика испытания, при которой прочность и выносливость образца зависят только от исследуемых параметров, позволяет наиболее полно и комплексно исследовать влияние различных технологических процессов на прочность соединения и надежно установить оптимальныйГ технологический процесс. Эта методика позволяет установить зависимость конструктивно-технологических параметров от технологии производства. Зная эти зависимости, можно управлять технологическим процессом, добиваясь получения оптимальной жесткости, прочности и выносливости соединения.
Глава III
КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИИ
1. КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ЛИСТАХ, ВЫЗЫВАЕМАЯ ОТВЕРСТИЯМИ, СИЛОВЫМИ ТОЧКАМИ И ИЗМЕНЕНИЕМ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА
Силовые точки не только ослабляют сечение листа, но и вызывают неравномерное распределение напряжений по его сечению.
При передаче усилия через заклепку или болт в материале листа с отверстием возникают напряжения растяжения вх, сжатия Оу, среза т (фиг. 12, а) и смятия Осм по поверхностям контакта листа со стержнем заклепки или болта.
Напряжение вх, действующее в направлении растягивающих усилий, является наибольшим и определяет прочность листа. Так например, по данным Н. С. Стрелецкого [8], для образца, у которого отношение d/B =0,375, получены следующие напряжения в упругой области:
max” 4,3а; oxmin = 0’
4~ау=1,6а; — ау= 1,15а.
Здесь o'— напряжение в целом сечении листа.
28
a) t)
Фиг. 12. Концентрация напряжений в листе, вызываемая давлением силовой точки.
а—напряжения от давления силовой точки (заклепка, болт), б-распределение и напряжений по сечению листа.
Фиг. 13. Напряжения, принимаемые для определения коэффициента концентрации.
29
Исследование заклепочных и болтовых соединений [8] показали, что на расстоянии, равном 2,5-=-3 диаметрам силовой точки от опасного сечения, характер напряженного состояния материала листа выравнивается (фиг. 12, б).
Неравномерность распределения напряжения вх по сечению листа, проходящему через отверстия, как показали работы Я. Б. Фридмана и Т. К. Зиловой [9], В. П. Григорьева и М. А. Эльяшевой [10],’ очень большая в упругой области, снижается в упруго-пластической области, но не исчезает вплоть до момента разрушения.
Следовательно, концентрация напряжений оказывает влияние на всех стадиях статического нагружения и особенно резко проявляется при работе конструкций при повторных статических и вибрационных нагрузках.
И. А. Одинг указывает [11], что влияние отверстий как концентраторов напряжений при статических и особенно при переменных нагрузках зависит от способа их получения, т. е., если на поверхности отверстия после обработки останутся риски, царапины или трещины, то усталостная прочность такой детали значительно снизится. Следовательно, при изучении влияния концентрации напряжений на работу конструкции необходимо учитывать как конструктивные, так и технологические факторы.
Ниже рассматриваются некоторые вопросы концентрации напряжений, связанные с геометрией шва и тенхологией его выполнения.
Неравномерность напряженного состояния в листе с отверстием (фиг. 13) характеризуется коэффициентами концентрации напряжений.
—, (24)
ан
= (25)
аразр.Ос
^ 2, (26)
разр.бр
В выражениях (24), (25), (26)
аа — коэффициент концентрации напряжения при нагружении соединения в области упругих и упруго-пластических деформаций;
8С и pfp — эффективные коэффициенты концентрации напряжений, определяемые после разрушения соединений (листов) от статической нагрузки;
^ — максимальное растягивающее напряжение в данной точке; он — номинальное (среднее) напряжение в ослабленном сечении; ов —предел прочности материала листа в исходном состоянии; Сразр ос — разрушающее напряжение, отнесенное к ослабленному сечению Fz;
30
б аз бр —разрушающее напряжение, отнесенное к целому сечению ₽азр’ листа F;
и £ср — деформации — в данной точке и средняя по сечению.
Коэффициенты концентрации напряжений можно вычислять, пользуясь методами теории упругости или определять экспериментально— тензометрированием, нанесением делительных сеток, лаковых пленок и т. д.
За последние годы изучение вопроса о концентрации напряжений возле отверстий методом теории упругости в плоской задаче продвинулось чрезвычайно сильно благодаря работам советских ученых Н. И. Мусхелишвили [12], Г. Н. Савина [13], С. В. Серенсена [14], Н. Д. Тарабасова [15] и других.
Несмотря на большую работу, проделанную в области теоретических исследований концентрации напряжений, определить коэффициенты концентрации напряжений для реальных случаев теоретическим путем весьма трудно и решения дают по существу качественную, а не количественную картину.
Г. Н. Савин в работе «Концентрация напряжений около отверстий» [13] указывает, что благодаря ряду важных допущений, упрощающих задачу теории упругости, решения ее неточны; теоретические решения будут тем точнее, чем меньше отверстие по сравнению с шириной листа.
Вопрос о том, при каких соотношениях d/B решение можно считать достаточно точным, должен быть решен экспериментальным путем.
Кроме того, вопрос о концентрации напряжений в некоторой степени разработан в области упругих деформаций для листов со свободными отверстиями и очень слабо — в области конечных деформаций для листов с заполненными и нагруженными отверстиями.
На основании 'изложенного при исследовании соединений в технологических целях целесообразно определять коэффициенты концентрации напряжений экспериментально.
Исследование деформации можно проводить с применением проволочных тензометров или методом накатных делительных сеток с базой 1 мм.
Для сохранения сетки у границы отверстия необходимо вырезать часть головки заклепок и болтов (фиг. 14), так как удаление • от зоны концентрации сильно изменяет характер напряженного состояния.
Методы тензометрирования и накатных сеток дают возможность определить деформацию на отдельных участках образца. По деформациям определяют напряжение:
o = ef.
ь Относительная деформация (в %)
। Bi-Ro ЮО
* Яо q ’
31
Фиг. 15. Кривые «напряжение—деформация» для сплавов.
Фиг. 14. Вырезы в головках заклепок для сохранения делительной сетки в местах наибольшей концентрации напряжений.
о
а) — сплав Д16-Т, б) — сплав В95-Т.
/—деформация измерялась методом накатных сеток с базой 1 мм, 2—деформация измерялась тензометром с базой 100 мм.
32
где ^ — сопротивление датчика на данной стадии деформации;
. Д) — сопротивление датчика до деформации;
. # —коэффициент чувствительности тензодатчика (для констан-
тановых и нихромовых датчиков с базой 15 мм #=2,1).
‘ Наименьшая деформация, которая может быть измерена датчиком, составляет 0,01 %, что соответствует, например, для сплава Д16-Т напряжению а = 0,7 кГ1мм2. Такая точность достаточна для определения коэффициентов концентрации напряжений.
; В области упруго-пластических и конечных деформаций напряжения определяют с помощью кривых «напряжение—деформация» для исследуемых материалов (фиг. 15).
‘ Деформацию растяжения определяют по формуле
I — Ю0%, (27),
! А) *
^де Zo —размер ячейки сетки до деформации —база;
I 1Х — размер ячейки сетки по направлению действия силы после
। деформации.
J По кривым о—ех (фиг. 15) определяют напряжение.
» При одноосном растяжении листа с отверстием зона пластичности возникает на границе отверстия. По мере увеличения нагрузки зона пластичности все больше распространяется по ширине образца, а напряжение стре-
Фиг. 16. Зависимость коэффициента' концентрации аст от номинального напряжения.
•мится выровняться.
[ Характер изменения напряженного состояния значи-|тельно влияет на величину ‘концентрации напряжений. На !фиг. 16 приведен график, показывающий, что по мере увеличения номинального напря-' жения Он коэффициент концентрации а уменьшается,
!так, например, для образца с (отверстием при соотношении
\d/B=0,08 и напряжении
’5 кГ/'мм2 а<т =2,7, а при напряжении 30 кГ/мм2 a<j = l,3. (Такое резкое изменение коэф-фициента концентрации в зависимости от напряжения в I опасном сечении существенно
[влияет на работу соединения под действием статических и пере-! менных нагрузок.
[ Учитывая зависимость коэффициентов концентрации от номи-^ [нального напряжения в рассматриваемом сечении, необходимо '^сравнивать различные виды соединений (в зависимости от конст-! Руктивных и технологических факторов) при одинаковых номинальных напряжениях в ослабленном сечении листа.
3 1125
33
34
Большое несовпадение коэффициентов а о для образцов одинаковых размеров, полученных многими исследователями, можно объяснить тем, что сь определялся при различных напряжениях.
Необходимо отметить, что величина коэффициента концентрации зависит от вида напряженного состояния, например, по данным И. В. Подзолова [16], коэффициент а а получает наибольшее значение при одноосном растяжении (ая=3), при двуосном растяжении (Ха = 2.
В связи с рассмотрением соединения листовых конструкций силовыми точками, рассмотрим концентрацию напряжения при одноосном растяжении, соответствующую рассматриваемому расчетному случаю.
Величина коэффициента концентрации а о зависит от состояния отверстия. Экспериментальным путем установлено, что для листа со свободным отверстием eta больше, чем для листов с заполненным и заполненным нагруженным отверстиями.
Исследования концентрации напряжений в упругой и упругопластической областях (фиг. 17, 18) показывают [10], что зависимость а а от состояния отверстия остается на всем диапазоне нагружений.
Так как коэффициент концентрации а<т не является постоянной величиной, а изменяется в зависимости от номинального напряжения он (см. фиг. 16 и 18), то он в основном отражает качественные изменения концентрации напряжения.
В связи с тем, что конструкции из легких сплавов рассчитываются по разрушающим нагрузкам, наибольший интерес представляют эффективные коэффициенты концентрации р, которые позволяют сделать количественную оценку прочности соединения, в то время как коэффициенты концентрации а позволяют установить участки наибольшей концентрации и картину распределения напряжений по сечению.
Коэффициент рс широко применяется при расчетах, но он харак-
теризует влияние на прочность только концентраций напряжений, что недостаточно. Более полную оценку прочности листа с учетом Не только концентрации напряжения, но и степени его ослабления лиловыми точками дает коэффициент рбр. !
Если в выражениях (25) и (26) выразить <зразр-ос и аразрбр через ^разр; И F2, ТО получим - , '
3* ' 35
Фиг. 18. Зависимость коэффициента концентрации аа от состояния отверстия и номинального напряжения Он.’
г
!
______ -Рразр ' ~ аразр сразр.бр р ’ Сразр.ос ~ »
откуда
°разр.ос^ z
<3разр.бр== ~ •
Подставив значение оразр бр в выражение (26), получим:
₽ср=^—(26а) аразр.Ос ‘ z
Коэффициент Рс₽ можно получить подсчетом, если известно ₽с и К или непосредственно по данным эксперимента.
Количественную зависимость между коэффициентами ок и р установить невозможно, однако между ними имеется прямая связь.
Изменение коэффициента «а под действием какого-либо фактора (изменения отношений B/d; t/d; метода образования отверстия, характера заполнения отверстия и т. д.) влечет за собой изменение коэффициента р.
растяжении пластин со свободным отверстием.
Ца фигуре приведены данные:
1—Геннига, 2—Леона и Вильгельма, 3—Воля, 4—«Пройса [16].
Исследования показали, что величина рс в меньшей степени, чем <Ха зависит от состояния отверстия (фиг. 19): в листах со свободными отверстиями рс меньше, чем в листах с заполненными отверстиями (нагруженными и без нагрузки).
Сравнивая графики на фиг. 19 и 20, находим, что при увеличении отношения t/d от 4 до 10 коэффициент <ха увеличивается на 20%, а коэффициент рс— только на 10%. Объясняется это тем, что коэффициент рс характеризует концентрацию при разрушении, т. е. наибольшем напряжении <тн, когда, как это видно из фиг. 16, концентрация хотя и остается, но проявляется в меньшей степени, так как а0-И.
Эффективный коэффициент концентрации рс мало зависит от состояния отверстия, что позволяет для предварительных расчетов при изменении отношения t/d в диапазоне 44-10 принимать среднее значение коэффициента рс для легких сплавов равным 1,2 независимо от отношений 6/tZ; t/d и состояния отверстия (см. фиг. 20, 21 и 22).
Для окончательных расчетов, когда отношение t/d известно, рс можно подбирать по графикам фиг. 21 и 22.
Фиг. 20. Коэффициенты рс; ^р Для свободных, заполненных и нагруженных отверстий (материал листа Д16-Т).
Эффективный коэффициент концентраций напряжений р^р в значительной степени зависит от марки материала и шага силовых точек и отверстий под них.
Так, для сплава Д16-Т при изменении отношения t/d от 4 до 10 коэффициент Рср снижается на 15%, а для сплава В95-Т при том же изменении отношения t/d — на 60%. Это указывает на повышенную чувствительность сплава В95-Т к концентрации напряжений в сравнении со сплавом Д16-Т. У листов из сплава МА8 коэффициент рбр при тех же условиях снижается на 15%.
Полученные экспериментальным путем значения эффективного коэффициента концентрации напряжений для листов со сверлеными отверстиями под болты или заклепки с выступающими головками приведены в табл. 4.
Исследования показали, что коэффициенты рс и ₽®р для листов с отверстиями под заклепки (болты) с выступающими и потайными
37
Фиг. 21. Зависимость ₽с и от отношения t/d для листов со свободными отверстиями.
Фиг. 22. Изменение коэффициентов 0С и f^P в зависимости от отношения b/d для листов со свободными отверстиями.
38.
Таблица 4
Коэффициент ₽с для соединений со сверлеными отверстиями при tjd. от 4 до 10
Автор Рс
Д16-Т(245—Т) В95-Т МА8
В. П. Григорьев 1,2 1,2 1,2
В. Mr Стригунов [17] — — 1,1
Справочная книга по расчету [5] 1,17 — 1,17—1,25
Ф. П. Хоззон [18] 1,1 — —
К. Н. Гольман [19] 1,15—1,25 — —
головками, т. е. с зенкованными гнездами, практически одинаковы и изменяются по одному и тому же закону. Некоторое отличие наблюдается при определении эффективных коэффициентов концентрации ₽с и рбр дЛЯ соединений, выполненных сварными точками. Нагрев при сварке приводит к местному изменению структуры материала листа вокруг сварной точки.
Механические свойства сварной точки отличаются от механических свойств свариваемых листов. Схематически лист со сварной точкой можно представить как лист с отверстием, заполненным силовой точкой. Такие сварные точки принято называть связующими. Исследования [10] показали, что при нагружении листов со связующими точками напряжения ох неравномерно распределяются по сечению листа.
При расчетах будем считать, что размеры и механические свойства ядра всех точек шва одинаковы. Такое допущение позволяет определить площадь сечения листа, ослабленную одной сварной точкой, по формуле
где 8 —толщина листа;
d —диаметр сварной точки;
£ —коэффициент, характеризующий условное уменьшение площади сечения листа вследствие изменения механических свойств материала вокруг сварной точки под воздействием тепла и концентрации напряжений. Уменьшением площади сечения листа за счет углубления под электродом можно пренебречь, так как эта величина очень мала.
Коэффициент £ характеризует условное уменьшение площади сечения листа, так как в действительности зона поражения материала не имеет резкой границы, а постепенно распространяется от ядра точки, причем на расстоянии R от центра точки (фиг. 23, б) механические свойства материала листа соответствуют его исходному состоянию.
39
Так как процесс сварки в настоящее время еще недостаточно автоматизирован, качество сварки получается неодинаковым и в значительной степени зависит от типа сварочной машины, режима сварки, подготовки поверхности и т. д. Поэтому коэффициент £ приходится определять экспериментальным путем для каждого типового технологического процесса. Автоматизация всех операций сварки позволит в дальнейшем разработать теоретический метод: определения коэффициента £ с учетом режима сварки, характера, размещения точек и состояния свариваемых материалов.
Фиг. 23. Образец со сварными связующими точками, а—форма образца, б—сечение листа по ядру сварной точки.
Определим значение £, пользуясь экспериментальными данными. Для соединения со связующими точками, показанного на фиг. 23, величина разрушающей нагрузки
/> т=? °в—п 1 /о°в;
LdHO-* о * J XJ а1
подставив значение /0, получим
^связ.т откуда
Fa __Р
£ 7 цв ' гвяз.т /£8]
П18 daB ’ '
Для листа из сплава Д16-Т со связующими точками при отношении tjd~l (см. фиг. 23, а) получим
= 1,5-100 -45 = 6750 кГ. Из эксперимента Р СВЯЗ.Т — 4600 кГ.
На основании полученных величин
« 6750 — 4600 1
3.1,5-6.45
40
По результатам эксперимента можно определить эффективный коэффициент концентрации брутто:
и эффективный коэффициент концентрации рс из формулы (26а):
₽сР=Рс
Для рассматриваемого случая
F = bB = 1,5-100= 150 мм2;
F2—F — nx^d— 150-3-1,73-1,5-6= 104 мм2.
Произведя соответствующие подсчеты, получим ₽с = 1,05.
Полученные коэффициенты р^р и Рс для сварных точек равны коэффициентам для листов с отверстиями, заполненными болтами или заклепками (см. фиг. 20).
В зависимости от выбранных режимов точечной сварки (силы тока, ковочного давления, времени сварки и т. д.) коэффициенты Рс и £ будут изменяться.
Эффективный коэффициент концентрации рс характеризует влияние технологии выполнения соединения на его прочность при статической нагрузке.
Зная коэффициент концентрации, можно определить действительное разрушающее напряжение в листе, ослабленном отверстиями.
Так, например, разрушающее напряжение листа из сплава Д16-Т при tld=^§
Woc=v=lV=36 кГ1ммг-
Изменение коэффициентов р^р « Рс (фиг. 20 и 21) показывает, что для соединений, у которых отношение tfd изменяется от 4 до 10,
Из этого следует, что при статической нагрузке ослабление листа за счет отверстий в большей степени отражается на его прочности, чем концентрация напряжений около отверстий.
Степень ослабления материала элементов конструкции, соединяемых роликовой сваркой, склеиванием, пайкой или сваркой плавлением, можно также определить с помощью коэффициента концентрации Рс.
На фиг. 24 схематически показан характер распределения температуры в соединяемых листах в процессе роликовой сварки и склеивания. Значительная температура, возникающая в зоне шва, приводит к изменению структуры и прочности материала листов.
41
На снижение прочности в зоне шва при сварке, склеивании и пайке элементов соединения, выполненных из закаленных сплавов (Д16-Т, В95-Т), и сталей и т. д., не подвергающихся после выполнения соединения термической обработке, следует обращать особое внимание.
Фиг. 24. Схемы швов и распределение температуры в листах в процессе выполнения соединений.
а—роликовая сварка, б—склеивание.
При выполнении клеевых и паяных соединений следует соблюдать температурное условие:
где —температура начала плавления материала детали (образца);
Тп — температура нагрева при пайке (склеивании).
Нагрев материала до температуры пайки в большинстве случаев вызывает разупрочнение его.
Степень разупрочнения при данной температуре Тп можно определить по температуре отпуска (для сталей) или отжига (для легких сплавов, например Д16-Т, В95-Т) после закалки. Для сплавов типа Д16-Т прочность материала после пайки можно определить по следующей формуле:
%" >0,5
где oj —предел прочности материала, разупрочненного при пайке; о* —предел прочности материала после термообработки;
предел прочности материала в отожженном состоянии.
42
Так, например, при пайке листов из сплава Д16-Т припоем № 6 (температура плавления припоя 420—460°) предел прочности материала
, оп==0>5(от_|_ам)==0>5(4з_|_17)^з0 КГ1ММ1.
Следовательно, прочность материала понизится на 30%.
При нагружении выполненных указанными методами соединений разрушение шва происходит по ослабленному сечению (х—х) листа (см. фиг. 24).
Коэффициент концентрации напряжений в зоне разрушения согласно формуле (26):
°разр.бр
Применительно к рассмотренному выше примеру у листов из сплава Д16-Т, соединенных пайкой, эффективный коэффициент концентрации
Следует иметь в виду, что склеивание, пайка, роликовая сварка или сварка плавлением не приводят к уменьшению площади сечения листа в зоне шва (F=FZ). Поэтому для этих соединений ₽ср==₽с- Соединение склеиванием, приведенное на фиг. 24, б, выполняется с предварительным нагревом зоны шва в специальном приспособлении (показано пунктиром).
Следует учитывать, что при необходимости общего нагрева узла при пайке или склеивании будет происходить общее снижение прочности соединяемых материалов. Применение же термической обработки для восстановления прочности материала в этих случаях невозможно, так как температура нагрева при термической обработке выше температуры плавления припоя или рабочей температуры клея.
2. КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ЛИСТАХ ОТ ИЗГИБА
При нагружении образца соединения вида А или Б силой Р (фиг. 25) листы находятся под действием растягивающей силы и изгибающего момента. Наличие изгибающего момента приводит к возникновению неравномерного распределения напряжений по сечению листа в зоне шва.
Схема напряженного состояния листов в свободно изгибающихся соединениях (фиг. 25,6) показывает, что величина напряжений по ослабленному сечению листа di неодинакова, наибольшие напряжения а". возникают в точках С, а наименьшие он — в точке 0.
Напряжения о[ и он являются функциями концентрации напряжений около отверстий и неравномерности напряжений по сечению листа, вызываемой его изгибом, причем напряжения изги
43
ба зависят от сочетания толщин листов, числа рядов в шве (ширины нахлестки), величины прилагаемой нагрузки.
Автор экспериментально исследовал поведение соединяемых листов и накладок при ступенчатом нагружении соединения. Образцы при заданной нагрузке фотографировались с торца (фиг. 26). По негативу на проекторе измерялись углы а поворота сечения листа.
Результаты исследований показали, что угол а (фиг. 27) зависит от размеров шва и величины нагрузки.
Фиг. 25. Схема напряженного состояния листа при нагружении свободно изгибающегося соединения вида А (илиБ).
При данной нагрузке
(29)
81 —I- 8о
где 8= ~2~~ ~ приведенная толщина листов;
£ —приведенная ширина нахлестки.
Приведенная ширина нахлестки зависит от вида шва, числа рядов и метода соединения. В табл. 5 приведены значения L для различного вида соединений.
Формула (29)_показывает, что с увеличением приведенной ширины нахлестки L угол поворота сечения уменьшается. Это подтверждается и экспериментально. На фиг. 28 приведены результаты эксперимента, показывающие, что при увеличении числа рядов (L) изгиб листов уменьшается.
В зависимости от величины нагрузки угол поворота сечения изменяется. Так, при нагрузках 0,5Рразр угол поворота сечения у соединений, приведенных на фиг. 27, равен 2—4°, а к моменту разрушения соединения он составляет примерно 5—6°.
44
Фиг. 26. Изгиб листов при нагружении соединения (нагрузками ОД^разр; 0>ЗРразр", О.бРразр И Т. Д.).
а) соединение заклепками ЗУ-90Р, толщины листов и накладок одинаковые (61=62), б) — соединение заклепками ЗУ-90’, толщина накладки больше толщины листа (6=261).
45
Таблица 5
Значения приведенной ширины нахлестки L для различного вида швов
В процессе нагружения соединения в точках С (фиг. 25) сначала возникает зона пластичности, затем начинается разрушение (разрыв), развивающееся по сечению листа. Это подтверждается экспериментально, при испытании образцов, соединенных заклепками и болтами (фиг. 29).
Влияние изгиба на прочность соединений при разрушении по листу учитывается с помощью коэффициента KII3r, величину которого для различных сочетаний толщин соединяемых листов можно определить экспериментальным путем.
Коэффициент изгиба определяется из условия
Кизг = 7Г ’ (30>
У В
где РА — нагрузка, полученная экспериментально при разрушении соединения типа А по листу в ослабленном сечении F z, Рв — нагрузка, полученная экспериментально при разрушении соединения типа В по листу в ослабленном сечении Fz.
Соединения типа Д и В (см. табл. 2) различаются только видом шва, все прочие размеры и число силовых точек в швах одинаковы*
Обозначим через коэффициент, учитывающий влияние на
46
Фиг. 27. Угол а поворота сечения листа при нагружении (6i=d2).
Фиг. 28. Изгиб листов и накладок при нагружении соединений (величина нагрузки равна 0,9РРазр).
1—однорядный шов, 2—двух-
рядный шов, 3—четырехрядный шов.
47
прочность соединения изгиба и концентрации напряжений около силовых точек:
(31)'
Аизг
По формуле (25)
₽==—-— аразр.ос В
где Pk=Fzg3 — расчетная нагрузка, определяющая прочность соединения при разрушении по листу в ослабленном сечении Fz без учета изгиба и концентрации напряжений.
Фиг. 29. Развитие трещины в процессе разрушения соединения.
а—возникновение трещины, б—разрушение шва.
В табл. 6 приведены определенные экспериментально значения лизг; для различного вида клепаных соединений.
Таблица 6
Значения Аизг» Рл и рс для клепаных соединений
Материал листов Д16-Т; материал заклепок Д18; 8]/82 == 0,4
tz d Ра Рв Ри Рл Рс ^Сизг
15 — 6716 88С0 1,31
10 4420 4692 5700 1,32 1,21 0,92
6,8 4200 4660 5300 1,3 1,15 0,9
5 4283 4330 5000 1,2 1,15 0,96
4 3975 4300 4750 1,23 1,16 0,92
3,3 3700 3900 4400 1,18 1,13 0,95
48
3. СУММАРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ у
В зависимости от вида соединения и характера его работы под нагрузкой, коэффициент у принимает различные значения. Так, при определении разрушающей соединение нагрузки по формуле (3)
для соединения вида В в формулу подставляют значение
т'=Д (32)
Рс
Для расчета соединений вида А или Б, листы которых при нагружении не имеют возможности изгибаться (например, стыки труб, коробчатых балок и т. д.) в расчетную формулу (3) также подставляют значение
При определении разрушающей нагрузки для соединения вида А или Б, если листы этих соединений имеют возможность свободно изгибаться при нагружении, в расчетную формулу (3) подставляют значение
7-Д (32а)
РЛ
В табл. 7 приведены полученные автором экспериментально значения коэффициента у для различного вида клепаных и болтовых соединений из легких сплавов.
Таблица 7
Значения коэффициента у
Тип головки заклепки (болта) ЗК; ЗПЛ ЗУ-9О0 и ЗУ-120°
Sl/82 0,5 1 0,5 1
7 многорядные швы 0,85 0,83 0,72
однорядные швы 0,8
Суммарный коэффициент концентраций у так же, как и коэффициенты аа; ₽с; $!₽ и рл зависит от конструкции шва и технологии выполнения соединения. Основными конструктивными факторами, от которых зависит у, являются
т=/'(-7’- г-; т)- <32б>
х d 82 d L / -
49
Все изложенное выше относилось к случаю разрушения соединений по листу от статических нагрузок. Неравномерное распределение напряжений по толщине листа и концентрация напряжений около силовых точек возникают на всех стадиях работы соединения в области как упругих, так и упруго-пластических деформаций. Особенно сильно концентрация напряжений проявляется при работе соединений под действием переменных нагрузок — повторных статических и вибрационных. При таких нагрузках все виды соединений разрушаются по листу, независимо от того, как эти соединения разрушались под действием статических нагрузок (по листу или по силовым точкам).
Замена плоских образцов, изгибающихся при испытании, образцами коробчатой U-образной формы, практически не изгибающихся, повышает предел выносливости, но характер разрушения остается тот же (по листу).
Плоские и U-образные образцы при симметричном растяжении и сжатии [20] разрушаются также по листу, в то время как эти же соединения при испытании статической нагрузкой разрушились от среза заклепок или сварных точек.
Экспериментальные исследования автора и других исследователей [17, 20, 21, 22, 58], анализ эксплуатационных разрушений клепаных, болтовых и сварных соединений со всей очевидностью показывают, что основным элементом, лимитирующим прочность соединений при вибрационных и повторных статических нагрузках, является лист (профиль), т. е. соединяемый элемент конструкции. При этом, независимо от вида прилагаемой переменной нагрузки, разрушение начинается в зоне наибольшей концентрации напряжений, т. е. в зоне постановки заклепок, болтов или сварных точек или в зоне изгиба листа, или в зоне термического ослабления листа.
Глава IV
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЫПОЛНЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ НА ОБРАЗЦАХ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
КОНСТРУКЦИЯХ И ГОТОВЫХ ИЗДЕЛИЯХ
Степень совершенства технологии выполнения соединений можно оценивать путем испытания образцов соединения, экспериментальных конструкций (узлов, панелей или секций) и готовых изделий в виде агрегатов, секций или панелей.
Испытание на жесткость, прочность и выносливость образцов соединения, выполненных по выбранному технологическому процессу, является первой практической проверкой его качества. Определение прочностных характеристик соединения на образцах позволяет проверить правильность теоретических расчетов в отношении выбора конструкции шва и технологии выполнения соединения. С помощью образцов представляется возможным определить с большой точностью прочность соединения в направлении действия на соединение нагрузки в эксплуатации.
50
Анализ характера разрушения соединений при испытании образцов позволяет выявить слабый элемент шва. Испытание одного типоразмера образца, выполненного по различной технологии, дает возможность определить, какой технологический процесс обеспечивает большую жесткость, прочность и выносливость.
Изменяя размеры (конструктивные параметры) шва или процессы его выполнения, можно установить воздействие различных конструктивных и технологических факторов на жесткость, прочность и выносливость соединения. Такие испытания позволяют установить, какими конструктивными или технологическими методами можно повысить эти показатели.
Исследование соединений на образцах -не требует больших материальных затрат, времени на изготовление образцов и специальных испытательных стендов или установок; образцы в большинстве случаев испытывают на универсальных испытательных машинах.
По результатам испытания образцов можно судить о жесткости, прочности и выносливости соединений при работе на срез или отрыв в «чистом» виде, без искажения характера разрушения шва сложной системой нагружения, как это бывает при испытании узлов или секций. В результате испытания образцов представляется возможным разграничить и выявить по отдельности влияние конструктивных параметров и влияние технологических факторов на прочностные характеристики соединений.
При разработке новой технологии выполнения соединения или усовершенствования существующей исследование и отработку ее и определение прочности и ресурса соединения вначале производят на образцах.
После всестороннего исследования и отработки исследуемого технологического процесса выполнения соединения на образцах, т. е. установления режимов обработки, формы и размеров инструмента, типа оборудования, методов и средств контроля и всестороннего испытания образцов на прочность необходимо изготовить исследуемым процессом экспериментальные узлы, панели или секции. Экспериментальные узлы (панели) позволяют определить жесткость, прочность и выносливость соединения при работе в условиях сложного напряженного состояния, близкого к условиям работы реальной конструкции. Испытания экспериментальных узлов на статические и переменные нагрузки в большинстве случаев проводят на специальных испытательных стендах. Иногда для испытания экспериментальных узлов удается спроектировать приспособление к универсальной испытательной машине.
Ввиду того, что изготовление и организация испытаний экспериментальных конструкций узлов (панелей) требует много времени и обходится дорого, такие работы проводят только после тщатель^ ной проверки технологических процессов на образцах.
Для определения оптимального технологического процесса на образцах исследуют три, четыре и более вариантов процесса. При испытании экспериментальных узлов (панелей) соединения в них
4*
51
должны быть выполнены оптимальным (установленном на образцах) технологическим процессом. Иногда изготовляют экспериментальные узлы двумя показавшими себя хорошо на образцах технологическими процессами и окончательно решают, какой из них является оптимальным.
Форма и размеры экспериментальных узлов (панелей) упрощены по сравнению с реальной конструкцией, вследствие чего характер и величина деформаций и напряжений в элементах соединения экспериментальных узлов отличаются от возникающих при нагружении реальных конструкций. Поэтому данные, полученные при испытании экспериментальных узлов, менее достоверны, чем данные испытания реальных конструкций.
Испытания реальных конструкций (узлов, панелей, агрегатов) позволяют получить наиболее ценные и всеобъемлющие данные о прочности и ресурсе конструкции. Однако эти испытания очень дороги и требуют длительного времени. Они применяются в самолетостроении и других отраслях машиностроения при отработке опытных экземпляров изделия (в ОКБ) и являются завершающим этапом исследований, проводимых последовательно на образцах, экспериментальных узлах (панелях) и готовых изделиях.
При испытании экспериментальных узлов и реальных конструкций (изделий) в первую очередь изучают поведение конструкции под нагрузкой- В процессе испытания определяют, при какой нагрузке начинается потеря устойчивости в элементах, при какой нагрузке наступает разрушение в элементах конструкции, при каких нагрузках начинают разрушаться соединения и т. д.
Следовательно, при испытаниях экспериментальных узлов и реальных конструкций— изделий, главным образом решаются вопросы конструкторского, а не технологического порядка. Это еще раз подтверждает необходимость и целесообразность предварительной отработки технологических процессов на образцах. Такая отработка ведется независимо от того, в какой конструкции будет использовано данное соединение. Решается общая задача — найти технологический процесс, обеспечивающий наибольшую жесткость и прочность соединения при статических нагрузках и выносливость при повторных статических и вибрационных нагрузках. Эту задачу решают технологи.
Далее идут работы по применению оптимального технологического процесса для изготовления конкретной конструкции. Эти работы включают расчет, изготовление и испытание экспериментальных узлов и реальных изделий и ведутся конструкторами совместно с технологами.
Глава V
методика проведения исследований ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВЫПОЛНЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ НА ОБРАЗЦАХ
Точность и достоверность результатов, полученных при испытании образцов, зависит от размеров и формы образцов, технологии их изготовления, условий испытания и тщательности обработки их результатов.
В настоящее время нет единой методики испытания соединений листовых конструкций для установления оптимального технологического процесса производства.
Ниже предлагается методика испытания соединений, разработанная автором на основании собственных исследований и обобщения опубликованных работ других авторов. В методике изложены рекомендации по выбору размеров и формы образцов, способа их изготовления, выбору режимов нагружения при испытании и установлены показатели жесткости, прочности и выносливости соединений, выполненных различными технологическими методами. При проведении по этой методике исследований отдельных вопросов, интересующих ту или иную организацию, будут получаться сравнимые результаты, что позволит обобщать работы различных исследователей, так как исследования по прочности и выносливости листовых соединений будут проведены в одинаковых условиях.
1. ФОРМА И РАЗМЕРЫ ОБРАЗЦОВ
Для того чтобы определить зависимость жесткости, прочности и выносливости соединения от какого-либо фактора (технологического или конструктивного), необходимо провести испытания, изменяя только этот, исследуемый фактор.
При выборе формы и конструкции образца следует учитывать необходимость выполнения этого условия, т. е. возможность определения величины разрушающей нагрузки при работе соединения на срез или отрыв.
Конструкция и размеры образцов, рекомендуемые для исследования технологических процессов при работе соединений на срез и отрыв, приведены в табл. 8—13.
Образцы, приведенные в табл. 8 и 9, предназначены для испытания соединений, работающих на срез. В этом случае может происходить срез силовых точек (или связующего вещества) или разрушение листов при растяжении.
Образцы, приведенные в табл. 10—13, предназначены для испытания на отрыв. В этом случае разрушение шва происходит от разрыва силовых точек (или связующего вещества) или листов в ослабленном сечении.
.Приведенные в табл. 8—13 размеры и форма образцов установлены исходя из технологических возможностей получения требуе-
53
Таблица 8
Плоский фигурный образец (типа ПФ)
Размеры образца в мм В 20 50 100 200
L 200 300 300 500
h 50 75 75 120
W 35 75 125 230
R 10 25 30 100
d0 6,2 10,2 12,2 20,2
Число болтов 2 4 5 5
Конструктивные пара- с 15 20 20 354
метры в мм при закрепле- 9ft QK
нии образца в испытатель- Я ZU оо оо Ov
ной машине болтами Z — 20 32,5 45
X — 35 30 70
Р — — 42,5 75
Q — —, 40 80
мого соединения с учетом размеров и мощности универсальных испытательных машин.
В образцах, предназначенных для испытания на вибрационные или повторные статические нагрузки при повышенных температурах имеются отверстия под болты для более надежного крепления образца в зажимах испытательной машины (табл. 8 и 9).
При установлении размеров и формы образцов были использованы работы [1, 4. 10, 17, 18, 19, 20, 23, 24, 25, 26, 27].
54
Таблица 9
Плоский прямоугольный образец (типа ПП)
Размеры образца в мм В 20* 50 100 200 .
L 200 300 300 500
do — 6,2 12,2 20,2
Число болтов — 2 5 5
Конструктивные параметры в мм при закреплении образца в испытательной машине болтами * В образцах ширинок не делают. с Я X Q [ В=20 м м отверс! 15 20 ?ия под б 20 35 20 30 30 40 олты кре1 о ! о 8 о © S &
Толщины накладок и листов выбираются в соответствии с методом соединения, диаметром силовых точек, материалов связующего вещества и соединяемых листов.
В связи с тем, что исследуется влияние на прочность соединения технологии выполнения шва, рационально применять швы не с одной, а с несколькими силовыми точками. В таком шве учитывается вызываемое процессом производства взаимное влияние силовых точек друг на друга и на прочность всего соединения, в то время как в шве (образце) с одной силовой точкой оценивается прочность лишь одной изолированной силовой точки.
При исследовании соединений сварных, клепаных, болтовых, клееных, паяных рекомендуется применять образцы типов ПП, ОП$ ЛОЗ шириной В=50 и 100 мм. Образцы шириной 20 мм целесо образно применять для исследования прочности основного мате< ридла и при предварительных исследованиях на образцах, выпол* ненных одной силовой точкой.
55
Таблица 10
Крестообразный образец (типа КО)
Таблица 11
Образец из профилей (типа ОП)
Образцы шириной 200 мм рационально применять при исследовании соединений, в которых толщина тонкого листа 61 более 5 мм.
Плоские фигурные образцы типа ПФ (табл. 8), независимо от ширины, следует применять в тех случаях, когда коэффициент прочности шва
р Pf
ср — — или ср=—->^0,8.
Pr Рр - '
Исследования различных технологических процессов получения соединений могут производиться в случае, когда:
1) известны все параметры шва по рабочим чертежам изделия. В этом случае в соответствии с характером испытания выбирают по табл. 8—13 форму образцов для испытания на срез и отрыв. Изготовляют образцы исследуемыми технологическими процессами;
2) характеристика шва неизвестна. В этом случае по табл. 8— 13 выбирают вид шва, форму и размеры образца. Для получения полной картины влияния исследуемой технологии выполнения шва на прочность соединения должны быть испытаны образцы со швами А (или Б), В, Г (см. табл. 2).
56
Таблица 12
Листовой образец с заделками (типа ЛОЗ)
Таблица 13
Цилиндрический образец (типа ЦО)
Приняв для этих видов швов длину и ширину образца (L и В) производят расчет шва, т. е. определяют величину нахлестки I, число силовых точек п, число рядов шва и т. д.
Шов рассчитывается по методам и формулам, приведенным в I гл. настоящей книги. Расчетные формулы, определяющие характер разрушения различного вида швов, приведены в табл. 14.
Рассчитывается и изготовляется два комплекта образцов: один — для определения влияния технологии на жесткость, прочность и выносливость при разрушении соединения по листу; второй — при разрушении по силовым точкам или связующему веществу.
2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ
В табл. 15 показана зависимость прочности соединения от характера и качества выполнения отдельных операций.
Согласно этой таблице прочность, например, клеевого соединения зависит от качества подготовки поверхностей соединяемых элементов, удельного давления (сжатия пакета листов) при склеивании, температуры отверждения (полимеризации) клея и времени выдержки при этой температуре.
Оптимальный технологический процесс для каждой операции выбирается последовательно при испытании образцов одного типоразмера. Так, например, для выбора оптимального процесса подготовки поверхности листов из сплава Д16А-Т при склеивании их клеем БФ-2 на капроновой ткани были исследованы [28] четыре технологических процесса. В результате было установлено, что
57
Расчетные формулы, определяющие характер разрушения соединения,
Вид шва (по табл. 2) Тип образца (по табл. 8—13) Метод соединения (по табл. 1)
Лист ПФ
Лист с отверстиями или связующими точками, стрингерный шов пп ПФ ТЭС Клепка Болтовое соединение
Пайка Склеивание РЭС
Внахлестку, в стык с одной накладкой, в стык с двумя накладками пп ПФ Клепка ТЭС Болтовое соединение Комбинированное соединение
58
Таблица 14
для различного вида швов и методов соединения
Направление приложения нагрузки, место разрушения Условие разрушения соединения при статическом нагружении
разрыв листа или связующего вещества срез силовых точек или связующего вещества или разрыв листа
01 । 01 PF ~ a3F —
rh —- " — О СЭ Pfz = l°nFz —
__о| - '±- ol Pfz = Т*зГ —
—— о| Г ¥Г4~ L 1ф i 01 ГвЛг < nfcz —
— VBF2 > nf^
59
II
Вид шва (по табл. 2) Тип образца (по табл. 8-13) Метод соединения (по табл. 1)
Внахлестку, в стык с одной накладкой, в стык с двумя накладками Пайка Склеивание РЭС
Стрингерный КО ОП ЛОЗ ТЭС Клепка Болтовое соединение Склеивание Пайка РЭС
В стык по торцам листов ПП ПФ ЦО* Склеивание Пайка
* Для образцов типа ЦО величина 7"= 1.
60
Направление приложения нагрузки, место разрушения Условие разрушения соединения при статическом нагружении
разрыв листа или связующего вещества срез силовых точек или связующего вещества или разрыв листа
10 "Рв^7 </св. вещ^ —
hW —
р- 1о
7%^>/св. вещт
1 тл7//л > Т^/св.вещ^в —
! D ^л"/ /л </св. вещ^в? '
"С—„—*
Qcb. вещ — /св. вещ"ав7 —
61
Таблица 15
Зависимость прочности и выносливости соединения от некоторых параметров технологического процесса
Примечания. Знак (—) —прочность и выносливость соединения не зависят от данного процесса.
Знак (+) —прочность и выносливость соединения зависят от данного процесса.
наибольшую прочность соединения обеспечивает анодирование поверхности с наполнением хромпиком (см. табл. 16).
Таблица 16
Результаты испытаний образцов клеевого соединения на сдвиг
(листы из сплава Д16А-Т; толщина листов 1,5-f-l ,5; /=50 мм\ В~25 мм', Руд=8—10 кГ1см^; клей БФ-2; термообработка при 100° С, далее нагрев до 160° С и выдержка 30 мин)
Способ подготовки поверхности PFz Т= Р г
Анодирование с наполнением хромпиком Анодирование с наполнением водой Плакирование Обработка наждачной бумагой № 240 0,88 0,84 0,78 0,80
Выбрав оптимальный процесс подготовки поверхности, переходят к нахождению оптимального удельного давления при склеивании.
Для этого образцы, поверхность которых обработана выбранным способом, склеивают при различном удельном давлении. Определив наивыгоднейшее удельное давление, находят оптимальную
62
температуру отверждения клея, затем оптимальное время выдержки и т. д.
Таким образом, оптимальная технология выполнения соединения определяется путем последовательного приближения, т. е. проводится ряд параметрических экспериментов *.
При таком методе исследования образцы необходимо изготовлять с особой тщательностью, т. е. они не должны выходить за пределы допусков, применяемое оборудование и инструмент должны гарантировать стабильность процессов производства.
Для изготовления образцов требуемой формы и размеров применяют шаблоны, кондукторы и приспособления. Размеры и форму шаблонов подбирают в соответствии с выбранным типоразмером образца по табл. 8—13.
Шаблон выполняют по контуру образца с допуском на все размеры ±0,1 мм. На шаблон (фиг. 30) наносят оси образца, просверливают отверстия диаметром 3 мм в местах расположения заклепок (болтов), просверливают отверстия диаметром 5 мм для закрепления образца в испытательной машине.
Расположение болтов брать по табл. 8, 9 или 12
03
Обработка V4
Материал Ст. 6
ТпФ-юо-зоо&
в
1 1 L=300
Фиг. 30. Шаблон образца типа ПФ (ширина 5=100 мм, длина £=300 мм).
На шаблон наносят информацию: тип, ширину и длину образца. Шаблоны изготовляют из листовой стали Ст. 6 толщиной 2—3 мм, закаленной до HRC 50.
По шаблону изготовляют: заготовки для сборных образцов или целые образцы (на фрезерных станках); кондукторы для сверления отверстий под болты или заклепки в заготовках и отверстий под болты в собранном образце для закрепления его в испытательной машине; кроме того по этому же шаблону изготовляют приспособления для выполнения шва и для установки и закрепления образца в испытательной машине.
Применение шаблонов позволяет получать образцы одинаковых размеров и формы, которые устанавливаются в зажимах испытательной машины всегда в одном и том же положении без подгонки по месту. При испытании образцов, изготовленных по шаблонам, разброс показателей прочности небольшой, так как исключаются
* Параметрическим называется такой эксперимент, при котором исследуется влияние одного фактора при строгом постоянстве остальных.
63
неточности эксперимента, вызываемые различием в размерах и форме образцов данного типа и способа их крепления в зажимах испытательной машины.
Возможны два метода получения образцов по шаблонам: изготовление образцов из заготовок после выполнения соединения и до выполнения соединения.
Изготовление образцов из заготовок после выполнения соединения (фиг. 31) включает следующие основные операции: подготовку листов или монолитных панелей к соединению, выполнение соединения — получение заготовки разрезку заготовки на карточки 3, вырезку образцов из карточек по шаблону 2, сверление в образцах отверстий под болты с помощью кондуктора 4.
Фиг. 31. Схема технологического процесса изготовления образцов из заготовок после выполнения соединения.
/—заготовка, 2—шаблон, 3—карточки, 4—кондуктор, 5—готовый образец.
При разрезке заготовки на карточки необходимо оставлять припуск С по 2—3 мм на сторону под механическую обработку. Размеры заготовки выбирают с таким расчетом, чтобы из нее получалось 8—12 образцов.
Изготовлять образцы из заготовок после выполнения соединения целесообразно при исследовании технологических процессов сварки, склеивания и пайки. В этом случае представляется возможным получить при неизменном процессе требуемое количество (партию) образцов. При этом условия их изготовления близки к производственным, когда при одной наладке оборудования (сварочной машины, склеенного пресса, установки для пайки и т. д.) выполняются швы значительной протяженности.
Изготовление образцов из отдельных заготовок до выполнения соединения состоит из следующих операций: получение заготовок требуемых размеров из листов или монолитных панелей (прессованных, литых), выполнение со
64
единения, сверление отверстий под болты испытательной машины (если такое крепление предусмотрено).
На фиг. 32 приведена последовательность операций изготовления образцов с применением пайки или склеивания, а на фиг. 33 — схема получения образцов заклепочного или болтового соединения.
Изготовлять образцы заготовок до выполнения соединения рекомендуется при исследовании заклепочных или болтовых соединений, когда наладка оборудования и инструмента длительное время остается неизменной. Это позволяет получать швы одинаковой прочности у большого количества отдельно изготовленных образцов.
При проведении предварительных исследований клеевых и паяных соединений допускается изготовление образцов из отдельных заготовок.
3. РЕЖИМЫ НАГРУЖЕНИЯ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ И ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЧНОСТИ СРАВНИВАЕМЫХ СОЕДИНЕНИИ
Прочностные характеристики соединения, выполненного исследуемым технологическим процессом, определяется испытаниями на сдвиг и отрыв при статическом, вибрационном и повторном статическом нагружениях.
Испытания проводятся на машинах, применяемых для механических испытаний металлов.
В соответствии с характером нагружения и формой образца применяются различные методы установки и закрепления образцов в испытательных машинах (фиг. 34—39).
Конструкция зажимных приспособлений выполняется в соответствии с размерами и формой образца и местом крепления зажима на испытательной машине. Зажимное приспособление должно обеспечивать равномерное и надежное закрепление образца в таком положении, чтобы его ось совпадала с центром приложения нагрузки.
Для определения прочности соединений при повышенных или пониженных температурах испытательные машины оборудуются специальными камерами (фиг. 40), в которых создается требуемая температура, после чего в камеры помещается образец.
Температура образца контролируется с помощью термопар и потенциометров. Колебание температуры образца в процессе испытания не должно превышать ±2% от температуры испытаний.
Для синхронизации процессов нагрева и нагружения образца составляется цикловой график. Например, приведенный на фиг. 41 график показывает, что нагружать образец статической или переменной нагрузкой необходимо по истечении времени Д£=5—10 мин, после того, как температура образца достигает заданной Тп. Скорость нагрева (или охлаждения) и температуру испытания устанавливают исходя из условий работы конструкции, для которой предназначен исследуемый вид соединения.
5 1125
65
Фиг. 32. Схема изготовления образца клеевого (паяного) соединения из заготовок до выполнения соединения.
1—шаблон, 2—заготовки отдельных элементов образца, 3~приспособление для выполнения соединений (в приспособление можно закладывать сразу несколько образцов), 4— заготовка образца, 5—кондуктор, 6—готовый образец.
66.
1
Фиг. 33. Схема изготовления образца клепаного (болтового) соединения из отдельных заготовок.
/—шаблон, 2—заготовки отдельных элементов образца, 5—кондуктор для сверления отверстий под заклепки (болты) основного шва, 4—отдельные элементы образца с отверстиями под Заклепки, 5— кондуктор для сверления отверстий под крепежные бол-
ты, б—готовый образец..
5*
67
Фиг. 34. Закрепление образца плоскими губками при испытании статическими и переменными нагрузками.
/—образец, 2—крепление образца в захватах машины, 3—пульт управления машиной.
68
Фиг. 36. Приспособление для испытания на отрыв образцов крестообразного типа.
/—образец. 2—зажимная
призма приспособления, 3— панель испытательной машины.
Фиг. 35. Закрепление образца бол тами.
1—образец, 2— приспособление для закрепления образца. <3—захват испыта-
тельной машины.
69
Фиг. 37. Приспособление для испытания на отрыв образцов из профилей.
/—образцы, 2—вкладыш, 3— за
хваты испытательной машины.
Фиг, 38. Приспособление для испытания на отрыв цилиндрических образцов.
1—образцы, 2—захваты, 3—тяга, 4—шарнирная подвеска, 5—вкла-цыш машины. 6— головка испытательной машины.
70
р
Фиг. 39. Приспособления для испытания соединений на неравномерный отрыв.
1 и 8—головки испытательной машины, 2—шарнир, 3—траверса, 4—образец, 5—элементы крепления образца, 6—нижний узел крепления образца, 7—захват испытательной машины.
^2206
Фиг. 41. Цикловой график синхронизации моментов включения температуры и нагружения образца.
/—кривая изменения температуры, 2— кривая изменения нагружения (нагрузки) при статическом испытании. <3—кривая изменения напряжения при испытании переменными нагрузками.
Фиг. 40. Схема установки для испытания образцов при повышенных температурах.
/—регулятор напряжения, 2—амперметр 50А, 3—вольтметр, -/—магнитный пускатель, 5—нагревагельная камера, 6—термопара, 7—образец, 8—потенциометр, 9—вольтметр.
В процессе испытания образцов на вибрационные и повторные статические нагрузки температура автоматически регулируется в заданных пределах и записывается.
Испытания на статическую прочность проводятся для определения деформации и величины разрушающей нагрузки.
Фиг. 42. Риски на образцах для измерения деформаций швов при нагружении.
Деформацию соединения можно определять двумя методами: измеряя деформированный участок шва на базе Ro (фиг. 42, а) или сдвиг листов относительно друг друга по рискам (фиг. 42, в; 42, г). В том и другом случае деформация выражается относительной величиной. При измерении участка шва относительная деформация
Л_Яо 100„%
* Ro
(33>
где Ro—база измерения, т. е. исходное расстояние между рисками на образце до нагружения соединения;
R — расстояние между рисками при нагружении соединения.
В зависимости от размеров шва принимаются следующие значения измерительной базы:
I (или т) мм <34 35—80 81—120;
Ro мм 50 100 150.
При измерении сдвига листов относительная деформация (сдвиг)
Д=—100%, (34)
d
?№ hl— расстояние между рисками при нагружении соединения; d — диаметр силовой точки.
Образец, установленный в испытательной машине, нагружают силой Р (фиг. 42) и измеряют величину деформации рычажными или индикаторными тензометрами или инструментальным* микроскопом (фиг. 43, 44, 45). Применяют также гидравлические, индукционные и тензометрические датчики, которые позволяют не только наблюдать, но и записывать диаграмму «нагрузка — сдвиг».
72
Фиг. 43. Установка тензометров на образце.
1—образец, 2—тензометр, 3—зажимные
губки испытательной машины.
Фиг. 44. Установка индикаторного тензометра на образце.
/—образец, 2—индикатор. 3—* рамка.
Фиг. 45. Замер деформаций с помощью инструментального микроскопа.
/—индикаторный микроскоп, 2—образец, 3—крепление образца.
73
Фиг. 46. Диаграмма «напряжение—деформация» при статическом нагружении образца.
Сдвиг Д д % от Suatiempa. заклепки d
Фиг. 47. Диаграммы, «напряжение смятия—сдвиг» для различного вида соединений (листы Д16-Т, заклепки Д18).
/—соединение клепано-клеевое (клей БФ-4. заклепки ЗК). 2—клепаное соединение (заклепки ЗК), 3—клепаное соединение (заклепки ЗУ-9О0), 4—клепаное соединение (заклепки ЗУ-1200).
Фиг. 48. Зависимость коэффициента прочности шва ср от величины сварочного тока/ и сварочного давления (?с.д (разрушение — срез сварных точек).
74
В процессе испытаний деформацию измеряют при каждом увеличении нагружения на 50—100 кГ. По результатам измерений определяют напряжение а и соответствующую этому напряжению относительную деформацию е (или Д), затем строится диаграмма «напряжение—деформация».
По диаграмме «напряжение—деформация» (фиг. 46) определяется предел пропорциональности сгпц и соответствующая ему деформация еПц.
Жесткость различного вида соединений сравнивается по величинам Опц и 8Пц (Дпц). На фиг. 47 в качестве примера приведена( диаграмма «напряжение смятия—сдвиг» для различного вида со-, единений; составленная на основании этой диаграммы табл. 17: показывает, что жесткость и предел пропорциональности клепаноклеевых соединений значительно больше, чем клепаных.
Таблица 17 ;
Значение асм. пц и Дпц для различных видов соединений !
Вид соединения Тип заклепки асм.пц кГЧммЪ Дпц % от d
Клепано-клеевое (клей БФ-4) ЗК 50 0,5
Клепаное ЗК 25 * 1,0
Клепаное потайными заклепками ЗУ-900 14 1,2
ЗУ-1200 10 1,3
Прочность сравниваемых соединений при разрушении от статических нагрузок принято оценивать по коэффициенту прочности шва ф. Этот коэффициент целесообразно использовать и для сравнительной оценки различных технологических процессов.
На фиг. 48 в качестве примера приведен график зависимости ф от технологии сварки. График показывает, что изменение сварочного давления приводит к изменению прочности соединения. В исследованном диапазоне изменения сварочного давления наибольший коэффициент прочности фс.д имеют соединения, сваренные при <2с.д = 400 кГ.
Из графика видна зависимость прочности соединения и от силы сварочного тока. Наибольшей прочностью обладают соединения, выполненные при / = 38 000 а.
Исследование влияния силы сварочного тока на прочность соединения проводилось при сварочном давлении фс.д = 500 кГ и ковочном давлении 2000 кГ, а исследование влияния сварочного давления при 34 000 а и ковочном давлении 2000 кГ.
Проведенные исследования показывают, что для получения наибольшей прочности соединения сварку рассматриваемого шва наиболее рационально производить при фс.д=400 кГ и /=38 000 а.
75
В табл. 18 в качестве примера приведены коэффициенты прочности сварных, клепаных и комбинированных соединений листов из материала Д16-Т. Наибольшую статическую прочность имеют соединения клепаные (<р = 0,72) и комбинированные, у которых внешние ряды выполнены заклепками (ф = 0,61).
Таблица 18
Показатели прочности сварных, клепаных и
Испытания на выносливость. Образцы соединений при вибрационных нагрузках испытывают на осевое растяжение при асимметричном цикле нагружения с частотой 600—10.000 циклов в минуту. Для получения кривой усталости испытывают несколько образцов.
Образец, установленный в испытательной машине, вначале нагружают статической нагрузкой Р' до получения в сечении листа О—О среднего напряжения (фиг. 49, а)
Р' °ср— F •
Затем при данном среднем напряжении включают вибратор машины, который создает дополнительные переменные нагрузки, а сле
76
довательно, и напряжения. При этом в образце создаются суммарные напряжения сгтах и crmin. После разрушения образца определяют число циклов N, которое выдержал образец.
Другие образцы данной серии испытывают при том же значении (Тер, НО при других значениях Отах И (Tmin-
Фиг. 49. Режимы нагружения (а) и кривая усталости (6) при испытании вибрационными нагрузками соединения типа «X»
В гл. Ill «Концентрация напряжений в элементах конструкции» указывалось, что величина коэффициента концентрации и связанная с этим коэффициентом выносливость соединения зависят от номинального напряжения сгн в ослабленном сечении (см. фиг. 16 и 18). Учитывая это, испытание исследуемой серии (партии) образцов соединения необходимо проводить при одном и том же среднем напряжении цикла оСр (что обеспечивает постоянство (Гн).
Среднее напряжение цикла можно также определить по формуле
%=°max2+°mln'- (35)
Обычно оно принимается от 0,1 до 0,5оРазр.
Экспериментально установлено, что отношение огш/(Тср колеблется в пределах 1,05—1,3.
Исходя из этого предельные напряжения цикла можно выби-
рать, руководствуясь следующими данными:
Режим нагружения 1 2 3 4 5 6
°тах/°ср 1»5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,05
°min/acp 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95
При каждом режиме нагружения испытывают по три-пять образцов. На основании испытания серии образцов при различных режимах нагружения строят кривую усталости (фиг. 49,6).
77
Обычно кривая усталости строится по результатам испытаний на базе 107 циклов.
В некоторых случаях, когда при испытании на базе 107 циклов не получается ярко выраженной площадки Nx—N2, параллельной оси числа циклов (см. фиг. 49,6), необходимо для получения надежных результатов увеличить базу испытания до (1,5—2) • 107 циклов и более, пока не будет получена площадка Ni—N2.
Для построения полной диаграммы выносливости (фиг. 50)' проводят испытания нескольких серий образцов при различных значениях сгСр, получая соответствующие величины пределов выносливости.
Фиг. 50. Полные диаграммы пределов выносливости (а) и изменения коэффициента q>B|j при испытании вибрационными нагрузками, ср
/—полная диаграмма пределов выносливости при испытании образцов из целого листа (ашл); 2—полная диаграмма пределов выносливости при испытании образ-
цов соединения типа <Х» (кривая <ТШСХ )•
Полные диаграммы пределов выносливости строят при испытании как листов исходного материала, так и образцов соединений. Полученные данные позволяют сравнивать пределы выносливости соединений между собой или с пределом выносливности листа при одинаковых режимах испытания (см. фиг. 62).
В качестве критерия при сравнительной оценке выносливости основного материала и соединений принят коэффициент выносливости <рВа , представляющий собой отношение амплитуды напряжения соединения к амплитуде напряжения ном значении оср:
целого листа при дан-
где амплитуда типа «А»; %л~ амплитуда
°©сХ
<р =-----,
cP <^л напряжения в сечении
(36)
F образца соединения
напряжения в сечении
F образца из листа.
78
Под типом соединения (X или У) следует понимать соединение одного вида, выполненное различными способами или соединения различного вида (клепка, сварка, склеивание).
Коэффициент выносливости фВаср зависит от среднего напряжения цикла Оср: чем больше оСр, тем меньше фВстср (см- Фиг- 50,6). Поэтому сравнивать различные соединения по коэффициенту выносливости можно только в том случае, если они были испытаны при одном и том же среднем напряжении цикла.
Фиг. 51. Диаграммы пределов выносливости при растяжении, /—'материал ВД95-Т, 2~материал Д16-Т. 3—материал МА8.
При исследовании в качестве исходной величины следует принимать (Тср = 0,2оразр, округляя полученное значение оСр до 5; 10 или 15 кГ[мм?, получая соответственно величину коэффициента прочности ?В5; ?В1о; ?В15.
В табл. 18 в качестве примера были приведены величины коэффициента фВ5 для сварных, клепаных и комбинированных соединений. Эти данные, полученные в результате проведения параметрического эксперимента, показывают, что выносливость клепаного соединения больше, чем сварного или, точнее, предел выносливости сварного соединения при аср = 5 дГ/лш2 составляет 20%, а клепаного — 35% предела выносливости основного металла.
Построение полных диаграмм пределов выносливости для различных материалов (фиг. 51) значительно сокращает объем экспериментальных работ. После получения такой диаграммы для ис
79
следуемого материала, остается лишь испытать выполненные из него соединения. Испытания проводят при выбранном значении <уСр на базе 107 циклов для установления предела выносливости с и амплитуды напряжения агс = п<ос—оСр-
В периодической литературе часто встречаются статьи [1; 3; 36; 42; 43], в которых приводятся результаты испытания и сравнения прочности различных соединений при постоянном значении показателя асимметрии цикла Г = CFmin/сГтах.
Выбирать режимы нагружения и сравнивать прочность соеди-
нения только по одному показателю
Фиг. 52. Типы образцов, применявшихся при статических и усталостных испытаниях точечных и роликовых соединений [43].
асимметрии цикла г нецелесообразно, так как в большинстве случаев такая методика испытаний может привести к неправильным выводам.
Рассмотрим в качестве примера одну из работ, в которой испытания проведены при г— const.
В статье «Прочность соединений титана ВТ1Д, вы
полненных точечной и роликовой сваркой» [43], приводятся результаты испытания различного вида образцов соединений (фиг. 52): титана-титан и сталь + сталь при статических и вибрационных нагрузках.
Испытания на усталость проводились на машинах резонансного типа с частотой 2000—2500 циклов в
минуту при постоянном значении г, равном +0,1.
В соответствии с выбранным значением г, при-
нимая различные атах, определяют tfmm, причем начальное напряжение Отах для каждого соединения выбирается произвольно. По напряжению отах определяют От1п=Г(Утах- В процессе испытания строят кривую усталости (Велера) для каждого вида соединения.
На фиг. 53, а в качестве примера приведена кривая усталости, построенная по материалам работы [43], для соединения типа II (фиг. 52) из стали IX18H9-H. Как видно из кривой, в процессе испытания образцов соединения (типа II) изменялись значения amax(ii), (Tmin(ii) и %(!!)• Среднее напряжение цикла с'р(11) в процессе испытания уменьшилось от 17 до 8,8 кГ[мм2. Предел выносливости для соединения типа II a<o(ii) = Omax(ii) = 16 кГ)мм? был получен при аСр(п)=8,8 кГ!мм2.
80
G кГ/мм2
a)
ff)
Фиг. 53. Кривые усталости сварного соединения, а) — соединения типа II, б) — соединения типа 16.
6 1125
81
В таких же условиях были испытаны и все другие соединения. На основании проведенных испытаний [43] составлена таблица, характеризующая прочность соединений при статических и вибрационных нагрузках и кривые усталости (см. табл. 19 и фиг. 54).
Таблица, 19
Результаты испытания образцов при статических и вибрационных нагрузках при г=+0,1 (данные табл. 2 и 3 из статьи [43])
Тип соединения по фиг. 52 Вид сварки Материал Напряжение в листе при разрушении статической нагрузкой аразр кГ1ммЪ Предел выносливости кГ}мм^
Образец из основного материала — ВТ1-Д 1Х18Н9-Н 73—80* 98—100* 26—27 62
Тип 1а Точечная ВТ1-Д 1Х18Н9-Н 34—39,5 33—38 2-2,5 2—2,5
Тип 16 Роликовая ВТ1-Д 1Х18Н9-Н 77—78 82,5—85,5 7—8 7—8
Тип II Точечная ВТ1-Д 1Х18Н9-Н 77—78 96—98 12 16
Тип III аразр = ®в- Точечная ВТ1-Д 1Х18Н9-Н 79 95,5—99,5 14 28
На основании данных табл. 19 и фиг. 54 в работе [43] сделаны следующие выводы:
1) статическая прочность точечных соединений титана ВТ1-Д при срезе достаточно высока и не уступает прочности аналогичных соединений из стали 1Х18Н9-Н;
2) усталостная прочность точечных и роликовых соединений, выполненных внахлестку из титана и стали (типы 1а и 16) практически одинакова;
3) усталостная прочность образцов из титана со связующими точками (тип III) в два раза ниже прочности аналогичных образцов из стали.
82
В методике исследования соединений, изложенной выше, показано, что сравнивать усталостную прочность соединений можно лишь в том случае, когда они испытаны в одинаковых условиях, т. е. при одинаковых оСр. В работах С. В. Серенсена [45], Г. В. Ужика [46] также указывалось, что сравнение усталостной прочности образцов с концентраторами напряжений и без них необходимо проводить при одном абсолютном значении среднего напряжения цикла оСр- Рассмотренная работа [43] не отвечает этим условиям. Чтобы сравнить между собой прочность соединений, результаты
Фиг. 54. Кривые усталости сварных соединений титана ВТ1-Д и стали 1Х18Н9-Н (по данным статьи [43]).
испытаний которых даны в работе [43] (см. табл. 19 и фиг. 54), приведем полученные данные к одному значению оСр и определим показатели прочности соединений <р и срв 0 . Как известно, среднее напряжение цикла
__ Зтах 4“ amin
ср ~ о
Так как
то
,(1 + г) ®тах ----------------__
__(1 +И
иср 2
(35а)
6*
83
к
Зная пределы, выносливости различных видов соединений (см. табл. 19), определим по формуле (35а), при каком значении сгСр они были получены (табл. 20).
Таблица 20
Пределы выносливости и коэффициенты прочности и выносливости для соединений различных видов по расчетам автора
Тип соединения по фиг. 52 Вид сварки Материал и11 га И d ° н 3- аср, при котором получено (см. табл. 19), кГ[мл& ?в ПРИ аср = var s °* л с 3 * * II 3 & г> о Тв15
Тип образца из основного материала (лист) — ВТ1-Д 1Х18Н9-Н 1 1 15 34 1 1 26 43 1 1
1а Точечная ВТ1-Д 1Х18Н9-Н 0,5 0,35 1,1 1,1 0,08 0,03 15,9 15,9 0,08 0,03
16 Роликовая ВТ1-Д 1Х18Н9-Н 0,96 0,85 4,4 4,4 0,33 0,13 18,6 18,6 0,33 0,13
II Точечная ВТ1-Д 1Х18Н9-Н 0,97 0,97 6,6 8,8 0,5 0,26 20,4 22,2 0,5 0,26
III Точечная ВТ1-Д 1Х18Н9-Н 0,97 0,97 7,7 15,5 0,57 0,45 21,3 27,5 0,57 0,45
Чтобы привести полученные [43] значения к одной величине (ТСр=15 кГ/лш2, построим схематизированную полную диаграмму пределов выносливости для данных соединений.
Для этого на диаграмму (фиг. 55) в координатах аш — аср нанесем прямую ОА под углом 45°. Далее по оси откладываем величину предела выносливости У (по данным табл. 19) при соответствующем значении оср (по табл. 20) и проведем прямую, параллельную ОА, до пересечения с прямой оср = 15 кГ/мм2. Точка пересечения этих прямых определяет предел выносливости <зш при оср = 15 кГ/мм2. Проведем такое построение для соединения типа 1а (материал ВТ1-Д, У =2 кГ1мм2 при оср = 1,1 кГ/мм2). Отложим на диаграмме (фиг. 55) значение У =2 кГ1мм2 (точка С), далее из точки С проведем
84
Фиг. 55. Схематизированная диаграмма пределов выносливости сварных соединений.
прямую CD, параллельную линии среднего напряжения ОА. В действительности для различных материалов и видов соединений линия CD не параллельна О А (см. фиг. 55), но так как закон ее изменения нам неизвестен, примем с некоторым приближением, что прямая CD параллельна О А. При принятом значении оср = 15 кГ/мм2 предал выносливости соединений типа 1а из титана и стали 15,9 кГ/мм2. Полученное значение заносим в табл. 20. Таким методом определены величины и для других соединений (см. табл. 20).
Переход от пределов выносливости, полученных при различных значениях среднего напряжения цикла а' к пределу выносливости при одном значении оср возможен и без построения диаграммы по типу фиг. 55. В этом случае при выбранном значении оср > Ур можно определить по формуле
+ (37)
Если же с'р>оср, пользуются формулой
3«=<>-(%-%)• (37')
По данным табл. 19 и по формуле (10а)
Р ст °разр Ф =---—-----
Рр <*в
определены коэффициенты прочности различного вида соединений при разрушении статической нагрузкой, приведенные в табл. 20. По формуле (36)
°vcX
определены коэффициенты выносливости соединений по результатам вибрационных испытаний. Величины срв в также приведены в табл. 20.
Величина амплитуды напряжения в»сх при полученном пределе выносливости и принятом значении среднего напряжения цикла
av сХ 0(0 °ср"
В описываемом случае значение avcx для каждого из рассматриваемых соединений одинаково как по данным статьи [43], так и по результатам обработки. Это объясняется принятым допу' щением (по фиг. 55), что линия CD параллельна линии ОА.
Одинаковые значения стгсх и дают в результате расчетов и одинаковые значения коэффициента выносливости шва <?в при (Tcp=var и<?ВЛ5 (см. табл. 20).
В табл. 20 приведены показатели прочности соединений при разрушении статическими и вибрационными нагрузками. Прочность этих соединений в данном случае определялась в одинаковых условиях испытания.
86
На основании данных табл. 20 можно сделать следующие выводы о прочности испытанных соединений.
1. Коэффициент прочности соединений из титана ВТ1-Д выше ‘ коэффициента прочности соединений из стали 1Х18Н9-Н как при . статических, так и при вибрационных нагрузках. Так, для соединения (типа 1а) из титана коэффициенты <р = 0,5 и <рв =0,08; для стали эти показатели соответственно будут <р = 0,35 и^в 15 = -0,03.
2. Пределы выносливости всех соединений по отношению к пределу’выносливости листов при оСр=15 кГ/мм2 в действительности ! выше, чем по данным табл. 19.
; Если для листового титана ow = 26 кГ[мм2, то для соединения ‘типа 1а из титанапо табл. 19 У =2,5 кГ[мм\ а по табл. 20, т. е. ^фактически аш = 15,9 кГ/мм2 и т. д.
3. Фактически (табл. 20) предел выносливости образцов типа III из сплава ВТ1-Д всего на 23% ниже, чем стальных образцов. По данным же табл. 19, предел выносливости образцов этого типа из сплава ВТ1-Д вдвое ниже, чем стальных.
Все изложенное выше показывает, что испытание сравниваемых соединений при асимметричном цикле нагружения и постоянном значении <тср позволяет непосредственно, без пересчетов получить более точные данные о прочности соединений, чем испытание при симметричном цикле (г —const). Результаты испытаний при r=const можно сравнивать только после приведения полученных данных к одинаковым условиям нагружения, т. е. пересчетов по формуле (35а) или путем построения диаграммы по типу фиг. 55 или по величине амплитуды напряжения агс. х-
При построении диаграммы следует иметь в виду, что значение ФВОср получается приближенным.
В книге «Повышение выносливости деталей машин технологическими методами» [36] приведены результаты исследований влияния методов обработки отверстий на выносливость соединений. На фиг. 56 приведены кривые усталости, полученные по результатам испытания образцов из сплава Д16-Т, выполненных в виде пластины с отверстием диаметром 4 мм. Испытания проводились при пульсирующем растяжении при г = 0 (а значит cFmin = 0 и Отах = #«>), с частотой 2000 циклов в минуту. По результатам испытания [36] сделаны были следующие выводы: предел выносливости пластин со сверлеными отверстиями равен 5,5 кГ/мм2, после развертывания отверстий он возрастает до 6,25 кГ!мм2, а после дорнирования — до 8,9 кГ/мм2.
Определим по формуле (35а) значение <з'с?, при котором были получены пределы выносливости о'ш , а по формуле [37]—предел выносливости do,, полученный при сгСр = 5 кГ{мм2. Результаты этих расчетов приведены в табл. 21.
В соответствии с табл. 21 при получении отверстий сверлением с развертыванием и дорнированием предел выносливости пластин,
87
Таблица 21
Метод образования отверстия а со по фиг. 5( аср % при оСр=5 кГ[мм1
кГ/мм?- % кГ[мм2 кГ1мм^ %
Сверление 5,5 100 2,75 7,75 100
Сверление и развертывание 6,25 113 3,12 8,13 105
Сверление, развертывание и дорнирование 8,9 4,45 9,45 122
по данным работы [36], выше, чем пластин со сверлеными отверстиями на 62%, а фактически это повышение (при сгСр = 5 кГ/лш2) равно лишь 22%.
Фиг. 56. Кривые усталости образцов из сплава Д16-Т с различной (окончательной) обработкой отверстий.
1 отверстия сверленые, 2—отверстия развернутые, 3—отверстия лорнированные (фиг. 143 из работы [36]).
Таким образом анализ работ [36] и [43] показывает, что при испытании нескольких различных видов соединений или одного вида соединения, но выполненного различными технологическими методами, при г=const получаются искаженные выводы.
Кроме того вообще недопустимо строить на одном графике кривые усталости, полученные при различных значениях сгСр, как это сделано в работах [36] и [43] (см. фиг. 54 и 56), так как эти кривые относятся к различным зонам полной диаграммы пределов вынос- * ливости (см. фиг. 55), и отражают работу образца при различных
88
напряженных состояниях. Диаграммы пределов выносливости, полученные при различных значениях о^.р, необходимо строить отдельно, как это показано на фиг. 49, б.
При нахождении оптимального процесса выполнения соединения предварительно следует проводить испытания соединений вибрационными нагрузками, определяя коэффициент ?ватах, характеризующий ограниченную выносливость соединений.
Этот коэффициент определяют по формуле о __
рв ~ Nc х ’
где N„ и NcX — числа циклов до разрушения образцов из целого листа и образцов соединения типа «X».
Эти испытания производят при одинаковых значениях аСр’, Птах
И Оты, определяя число циклов до разрушения различного вида
Зона т8а
N М, Мг N
СО б)
Фиг. 57. Режимы нагружения \а) и кривые разрушения (б) при испытании повторными статическими нагрузками.
1—кривая разрушения целого листа, 2—кривая разрушения соединения типа «X».
соединений. По результатам испытаний на ограниченную выносливость можно также определить и условный эффективный коэффициент концентрации напряжений в соединении типа «X» по отношению к соединению типа «У» при напряжении Отах-
< ’ NcX ‘ В ’тах Nc у '
где NcX и NcY — числа циклов до разрушения образцов соединений типа «X» и типа «К» соответственно.
Испытания повторными нагрузками проводятся для определения статической выносливости соединения, характеризуемой числом циклов нагружения до разрушения соединения при данном напряжении. Эти испытания проводятся при больших нагрузках, повторяющихся 64-15 раз в минуту. Образцы испытывают на осевое растяжение при асимметричном, цикле напряжения,
89
изменяющегося от Omin до Отах (фиг. 57, а). Наибольшее напряжение цикла
max р
Наименьшее напряжение определяется по формуле °min=0,05 -4-0,1 аша1.
Предельные напряжения цикла выбирают, пользуясь следующими данными:
Режим 1234567
«шахЛразр. • 0,95 0,90 0,85 0,8 0,7 0,6 0,5
Испытания при выбранных значениях (Ушах И Omin проводят до разрушения образцов. При каждом режиме нагружения испытывают три-пять образцов. По результатам испытаний строят кривую разрушения crmax—N (фиг. 57,6). При N=0 напряжение O’max = Оразр.
Кривая разрушения характеризует длительность работы соединения при повторных статических нагрузках, что имеет важное значение для ресурса работы изделия в эксплуатации.
Имея кривые разрушения для образцов различных соединений и образцов из листового материала, можно сравнивать прочность (выносливость) соединений между собой или по отношению к прочности целого листа.
Для сравнительной оценки выносливости соединения и листа при выбранных значениях N' и сгСр применяют коэффициент статической выносливости.
?nJv = -a^> (38)
/ °п л
где <зп с х — амплитуда напряжения в сечении соединения типа «X»; ^п л-амплитуда напр^кения в сечении образца из целого листа.
Обычно сравнительное испытания проводят при числе циклов нагружения, равно^ 5-103 или 10-103.
В табл. 18 приведен пример сравнения выносливости сварных и клепаных соединений при числе циклов /У=5« 103. В этом случае выносливость клепаных соединений оказалась выше, чем сварных соединений.
Коэффициент фПЛГпозволяет оценить выносливость различных соединений относительно выносливости листа в том случае, когда сравниваемые образцы разрушались при одинаковом числе циклов, НО раЗЛИЧНОМ напряжении (Утах.
В ряде случаев необходимо оценить выносливость различных соединений при работе в одинаковых условиях, т. е. одинаковом напряжении <згаах в сечении листа. Для этой оценки удобно пользоваться условными эффективными коэффициентами концентрации напряжений или ₽п ?ахГ).
Я0
Условный эффективный коэффициент концентрации при данном напряжении сгтах представляет собой отношение числа циклов, при котором разрушается образец из целого листа, к числу циклов, при котором разрушается образец соединения.
о(л/С X) =
РП amax N' с л.
(39)
При сравнении различных соединений между собой этот коэффициент выражает отношение чисел циклов до разрушения более прочного соединения к менее прочному:
В выражениях (39) и (40) в соответствии с фиг. 58 обозначено: ₽пл/аС*х — эффективный коэффициент концентрации при сравнении образца из целого листа с образцом соединения типа «X»;
Хсх5 Ncy и ДА —числа циклов повторной нагрузки до разрушения образца соединений типа «X», типа «К» или образца из листа соответственно;
рпСа^хУ)--эффективный коэффициент концентрации при сравнении образца соединения типа «X» с образцом соединения типа «У».
На фиг. 59 приведены кривые разрушения образцов из листов магниевых сплавов MAI, МА8 и дуралюминовых сплавов Д16-Т и В95-Т.
Построение таких кривых значительно сокращает объем экспериментальных работ при изучении влияния на выносливость соединений технологических и конструктивных факторов. В этом случае, проведя испытания при выбранном значении огаах, наносят полученное число циклов NcX на диаграмму и определяют величину ₽п^хУ) или ?пл/^х* Так, например, для оценки прочности клепаных и клепаноклеевых соединений, имеющих при разрушении от статической нагрузки <ркП =0,70 и <ркп+ск=0,82, были проведены испытания образцов этих соединений при <зтах =25 кГ/мм2. На основании испытания пяти-семи образцов каждого вида соединения были определены средние значения числа циклов до разрушения и нанесены на фиг. 59.
Цифрой 1 обозначено среднее число циклов до разрушения клепаных образцов Хкп=2000, а цифрой 2 — то же для клепано-клеевого соединения Хкп+ск -=3500.
В результате подсчетов получены коэффициенты концентрации напряжений: для клепано-клеевого соединения по сравнению с целым листом 28 000 „ §.
3500
дЛ/^КП+СК)
91
Фиг. 58. Кривые разрушения при испытании повторными статическими нагрузками.
1— образцы из целого листа, 2—образцы соединения типа «X», 3—образцы соединения типа «У».
Фиг. 59. Кривые разрушения при испытании повторными статическими нагрузками дуралюминовых и магниевых сплавов.
92
с целым листом
для клепаного соединения по сравнению <л/кп_28 000 1Л#
1П25 2000 “ ’
для клепаного соединения по сравнению 0(кп+ск)/кп 3500 РП25 ---~
с клепано-клеевым
1,75.
2000
Из этого следует, что в данных условиях нагружения наибольшую выносливость имеют клепанй^сбёМнения.
В некоторых работах [40] кривые ^разрушения по результатам испытания повторными статическими нагрузками строят не по напряжению Отах, а по коэффициенту нагрузки. Коэффициент нагрузки представляет собой отношение максимального напряжения цикла к напряжению при разрушении соединения от статической нагрузки:
& CTmax °разр (обычно принимают 6 = 0,5; 0,7; 0,8; 0,9).
В этих условиях сравнение различных материалов и соединений производят при равных для сравниваемых образцов коэффициентах k.
Такой метод применим при сравнении выносливости различных материалов на образцах из целого листа, так как коэффициент k характеризует в этом случае вполне определенную величину напряжения в листе (o’max), которое составляет долю (равную 6) от его предела прочности (Уразр.
Сравнивать выносливость соединений при одном и том же значении k нельзя. Одинаковая величина k для различных соединений (разрушающихся по листу и связующим элементам) характеризует различную величину истинного напряжения отах в листе, а следовательно и различную продолжительность работы соединения под нагрузкой (N).
Поясним это на примере испытания при повторных статических нагрузках соединений листов из сплава Д16-Т заклепками из сплава Д18. Испытывался образец типа ПП (табл. 9), соединение было выполнено заклепками с выступающими закладными голов-камш (ЗК) и с потайными закладными головками (ЗУ-90°). Результаты испытания приведены в табл. 22. По ним были построены два графика — в координатах отах — 2V (фиг. 60) и координатах k—N (фиг. 61).
Сравним выносливость соединений, выполненных заклепками ЗК и ЗУ-90°, по кривым, приведенным на фиг. 60 и 61. При напряжении в сечении листа (Утах=Ю по фиг. 60 получим
Д%к 27 000 рп ю -------— ==~'--=== 4,5.
^зу-эо0 6000
По фиг. 61 при 6=0,5
о 26 000 п р. р
₽п“=“'5>=1^Б0 ’06-
93
Таблица 22
Коэффициент k 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Заклепки с выступающей закладной головкой (ЗК) <7разр;=22 кГ]ммЪ стах 11 — 15,3 17,5 19,8
N 26 781 25400 — 8 900 10 500 11 000 3600 5600 2600 2400
Заклепки с потайной головкой (ЗУ-900) аразр—16 кГ] Мм2 стах 8 9,7 11 — —
N пооо 16 000 14300 7400 7000 3500 51С0 4500 — •—
Фиг. 60. Кривые разрушения в координатах Отах—-V для соединений, выполненных заклепками ЗК и ЗУ-90°, по результатам испытания повторными статическими нагрузками.
Фиг. 61. Кривые разрушения в координатах k—N для соединений, выполненных заклепками ЗК и ЗУ-90°, по результатам испытания повторными статическими нагрузками.
Сравнение при равном напряжении отах (фиг. 60) показывает, что выносливость соединения на заклепках ЗК в 4,5 раза больше, чем соединения на заклепках ЗУ-90°. Сравнение при равном коэффициенте k (фиг- 61) по результатам одного и того же эксперимента показывает, что выносливость соединения на заклепках ЗК только в 2,06 раза больше, чем на заклепках ЗУ-90°. Это расхождение объясняется тем, что при £=0,5 в сечении листа образца соедине-
94
ния на заклепках ЗК напряжение атах=И кПмм2, а в сечении> листа образца соединения на заклепках ЗУ-90° o'max = 8 кГ/мм2. Понижение напряжения в сечении листа привело к повышению числа циклов N (с 6000 до 12 500), а следовательно и уменьшению коэффициента РдвтаХ.
Таким образом, сравнение выносливости соединений при равном коэффициенте k не отражает истинного напряженного состояния, при котором работают соединения и приводит к искаженным-выводам.
Фиг. 62. Режимы испытания образца при программированном воздействии различного вида переменных нагрузок и температур.
а—испытание образца при переменном воздействии вибрационной и повторных статических нагрузок, б—испытание образца при одновременном воздействии вибрационной и повторных статических нагрузок, в—испытание образна вибрационной нагрузкой при воздействии на образец переменной температуры^
Выше рассмотрены режимы нагружения и показатели прочности при испытании образцов соединений вибрационными или повторными статическими нагрузками в чистом виде.
В ряде случаев исходя из условий работы конструкции проводят испытание одного образца в условиях переменного воздействия на него вибрационных и повторных статических нагрузок (фиг. 62,а). Время действия тех и других нагрузок определяют программой 'испытания. Испытательная машина переключается с вибрационных нагрузок на повторные статические, и наоборот автоматически, с помощью программного управления.
Возможны и другие испытания, когда чередуются виды нагружения или во время испытаний переменными статическими нагрузками образец находится в различных температурных условиях (фиг. 62,в).
Режимы нагружения при испытании образцов принимают исходя из условий работы конструкции, для которой предназначено исследуемое соединение. В тех случаях, когда условия работы конструкции неизвестны, можно рекомендовать режимы нагружения, приведенные в табл. 23.
95
Таблица 23
Показатели прочности и выносливости соединений
Вид нагрузки Показатель прочности Рекомендуемые значения acp; атах; N Область применения рекомендуемых значений аср; атах; N
Статическая сразр ?- °в — —
Виб 6 6 max рационная * Соединение гг, 1 |\ [ 1 1 f 'ипа.%. О !Т, # с X ?В , п ~ П ср ’Кл в =В(л'сХ)=— В amax В %ах 7Vcx N v е _ qc Х/с у _ _с_Х_ РВ a — Рв « — v max и тах ^су а** 5; 10; 15 кГ!мм^ а** = 5; 10; 15; 25 или ГПаЛ 7 7 3 50 к Г [мм^ Если условия работы соединения неизвестны, то принимают аСр=0,2аразр и берут ближайшее рекомендуемое значение аср (5; 10 или 15 кГ{мм^) Величину атах определяют исходя из условий работы соединения или принимают атах^-0,25аразр, выбирая при этом бшжайшее из рекомендуемых з 1ачений атах (5; 10; 15; 25 или 50 кГ!ммЧ)
1125
Повторно-статическая
61 Лист
#(5000)
„ _й(л/сХ)
РП «max — Рп а max
- - И *
N = 5000 или N = 10 000 стах ~ Ю»‘ 15»’ 25 ИЛИ 50 кГ!мм^ При исследовании соединений из легких сплавов При исследовании соединений из сталей Напряжение атах принимают исходя из условий работы соединения в конструкции, равным 5; 10; ... или 50 кГ1мм% Если условия работы соединения неизвестны, берут атах=0,5 аразр или 0,7аразр, принимая ближайшее из рекомендуемых значений
* База испытания не менее 107 циклов; при испытании принято:
. CTmax ~Ь CTmin Л ,
°ср— const— > cmin — 0,l<Jmax.
** Напряжения аср; amax; a]njn и т. д. отнесены к площади сечения листа F или Fz.
Выносливость соединений, испытанных в условиях переменного воздействия различного вида нагрузок или температур, оценивается теми же показателями— р; <рв ; <рПЛГ. ср
Для определения коэффициентов <рВа ; фП д- испытывают образец из листа и образцы соединений при выбранных режимах нагружения.
Рассмотренная методика выбора режимов нагружения с использованием предложенных показателей прочности и выносливости (см. табл. 23) дает возможность оценивать влияние различных технологических процессов выполнения данного соединения на его прочность и выносливость и сравнивать прочность и выносливость различных видов соединений (сваркой, клепкой, склеиванием и т. д.).
Использование полных диаграмм пределов выносливости (по типу фиг. 51) и кривых разрушения (по типу фиг. 59) для материала листов или исходных соединений, с которыми сравнивается исследуемое соединение, позволяет сравнивать данные, полученные различными исследователями по этой методике, а также ускорить и удешевить экспериментальные работы.
Глава VI
УСЛОВИЯ СРАВНЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ 1. ПОДОБИЕ СРАВНИВАЕМЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Качество и совершенство технологического процесса выполнения соединения, как это показано выше, наиболее рационально оценивать по данным испытания соединений на жесткость, прочность и выносливость.
На основании указанных испытаний определяют показатели жесткости, прочности и выносливости сравниваемых соединений, т. е. А, е, Р, ф, р. Проведенные исследования [20, 23, 60] различного вида соединений показывают, что эти показатели в значительной степени зависят от размеров шва.
Рассмотрим несколько примеров:
1. Для соединений силовыми точками, выполненных одним технологическим процессом было установлено, что: сдвиг Дпц (или деформация 8ПЦ) является функцией отношения толщины листов соединяемых элементов к диаметру силовой точки (фиг. 63) (при неизменных форме и материале образца)
(41)
\ а а /
а напряжение среза материала силовой точки зависит от геометрических параметров шва.
На фиг. 64 приведен график, показывающий зависимость напряжения среза т от отношения d/d, полученный при испытании за-98
Фиг. 63. Зависимость сдвига ДПц от отношения 6i/d (материал листа Д16А-Т, материал заклепки Д18).
7*
99
клепочных соединений с закладными головками различной формы. График показывает, что при условии di/4Z<0,6 напряжение среза изменяется в зависимости от величины этого отношения.
При 6i/d>0,6 напряжение т практически остается неизменным независимо от величины отношения дис-
пропорционально т изменяется и величина разрушающей на-грузки Рс.т [см. формулу (2)].
При разрушении соединения по листу статическая нагрузка определяется по формуле (3):
PFz = 1Fz°b-
В зависимости от вида соединения и характера его работы под нагрузкой коэффициент у принимает различные значения в соответствии с полученными ранее формулами (32) и (32а):
или
1
РЛ
В свою очередь, как это было показано в гл. III, коэффициенты Рс и рА зависят от конструктивных параметров шва:
(42)
₽л=Л(-^; р т)‘ \ d 02 d L /
Из этого следует, что
‘ Т2 \ d S2 ’ d l)
(43)
(44)
т. e. коэффициент у, а следовательно, и нагрузка PFz, зависят от геометрии исследуемых соединений.
На основании приведенных данных [формулы (3), (32), (44), фиг. 20 и 25] установлена зависимость Р от соотношения толщин соединяемых элементов и отношения диаметра силовой точки к шагу, т. е.
(45)
Длительность работы (число циклов до разрушения соединения i при испытании вибрационными или повторными статическими на-i грузками) зависит от величины переменной нагрузки Рп.
При разрушении образца по листу переменная нагрузка в еще : большей степени, чем статическая, зависит от размеров шва, так ' как разрушение соединения при переменных нагрузках происходит 100
при напряжении, находящемся в упругой области, в которой концентрация напряжений проявляется в наибольшей степени (фиг. 65 и 18).
Переменная разрушающая нагрузка при испытании образцов одного типа
р"=['1'4г; -тУкл (46)
\ &2 d L d / J
или напряжение
./81 3 51 \ / лг \
3тах=Дз х ’’ V: ~Т ’ TI9’ (46а>
\ 02 d L а I
где q — величина, зависящая от сечения образца F.
Показатели выносливости соединений, ввшолненных силовыми точками, отражающие условия разрушения образцов при переменных нагрузках, также зависят от размеров шва:
2. При исследовании клеевых, паяных и сварных (роликовой или шовной сваркой) соединений, также установлена зависимость показателей прочности от размеров шва.
Так формула (33) для определения деформации соединения содержит отношения
ГЧЛ и 8j/82:
ТУ (',8) \ L 02 /
Напряжение среза соединяющего вещества (клея, припоя) зависит от величины нахлестки, т. е. отношения
На фиг. 66 приведена зависимость
для клеевого соединения.
Из графика видно, что напряжение хср имеет максимум при изменении )/&п// от 0 до 0,3. Для клеевых ссединений листов сплава Д16-Т клеем БФ-2 максимум тср получается при отношении
При соединении листов и других материалов (стали, титана) или листов различной толщины тср будет принимать максимальное значение при других отношениях Изменение тср при изменении длины нахлестки I объясняется тем [37], что при нагружении
101
клеевого или паяного соединения удлинение отдельных участков шва нё одинаково, так как модули упругости клея (припоя) и материала листов различны.
Фиг. 65. Зона напряженного состояния при испытании образцов различного вида нагрузками.
Фиг. 66. Изменение т и Рс в.вещ в зависимости от отношения 6а/1 (листы из Д16-Т, клей БФ-2, di = d2; Руд = 10 кГ1см2-, термообработка при 100° С с выдержкой 1 час., с последующим нагревом до 160° С с выдержкой 30 мин.)
В результате этого у концов шва возникают наибольшие напряжения и начинается разрушение, что приводит к снижению среднего расчетного значения тср [см. формулу (22)].
102
В соответствии с изменением величины разрушающей нагрузки Рсв.вещ (фиг. 66) изменяется и коэффициент прочности шва фп.ш (фиг. 67).
На фиг. 68 приведены результаты испытания клеевых соединений из листов различной толщины. Эти испытания также показывают зависимость напряжения тср, разрушающей нагрузки Рсв. вещ и коэффициента прочности шва ф от величины нахлестки, выраженной отношением
В соответствии с изменением тср пропорционально изменяется и величина разрушающей нагрузки Рсв.всщ [см. формулу (22)], т. е.
(49)
Величина статической нагрузки, разрушающей соединение, выполненное непрерывным швом, по листу, определяется формулой (21):
P'fz^P^
Применительно к соединениям, выполненным непрерывным швом, коэффициент у зависит от следующих величин:
Величина статической нагрузки, разрушающей соединение по листу,
-ф-)]770-' <50)
\ «2 * /.
От тех же факторов зависит и величина переменных (вибрационных или повторных статических) разрушающих соединение нагрузок:
Р" = [М-Г:
\ 02 I }
(51)
По аналогии с соединениями, выполненными силовыми точками, показатели выносливости соединений, выполняемых непрерывным швом, будут зависеть от размеров шва, т. е.
(52)
Приведенные примеры показывают, что сравнивать прочность и выносливость соединений можно только тогда, когда эти соединения геометрически подобны.
103
Фиг. 67. Изменение фн.ш ^зависимости от величины отношения У Ьп/1 (листы из Д16-Т, клей БФ-2, 61 = 62; рУд=10 кГ^м2-термообработка при 100° С с выдержкой 1 час с последующим нагревом до 160° С с выдержкой 30 мин.)
Фиг. 68. Влияние отношения у дп// на т; ф; Р св.вещ (листы из Д16-Т, клей БФ-2, 6,1 =Р^2\ 6 = const; руд=2,5 кГ1см2\ термообработка при 180° С с выдержкой 2 часа).
104
Следовательно, приступая к экспериментальным работам, необходимо проанализировать исследуемые соединения, установить, какие основные факторы определяют их прочность и выносливость и найти условия подобия, чему и посвящен следующий раздел.
2. УСЛОВИЯ СРАВНЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ОДНОГО ВИДА, ВЫПОЛНЕННЫХ РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ
Для выбора оптимального технологического процесса выполнения соединения данного вида исследования проводят на одних и тех же образцах, изменяя только технологию. Для того чтобы полученные при этом результаты можно было распространить на другие виды швов, должны быть соблюдены условия подобия [29].
Из приведенного выше анализа ясно, что показатели жесткости, прочности и выносливости соединений Д, в, р, ср, [3 зависят от со-отношений основных размеров шва, которыми и определяются условия подобия.
Для соединений силовыми точками, выполненных одним и тем же способом, но имеющих разные геометрические параметры шва, показателями подобия являются соотношения
Д. 11. 11. J_. (53)
d 82 ’ d ’ L
Рассмотрим, например, условия распространения результатов испытания образцов серии «Х» на образцы серии «У» и Z» (табл. 24). Как видно из таблицы, показатели прочности всех соединений, подобных соединению «X», одинаковые.
Таблица 24
Прочность образцов (соединение типа А или Б, материал листов Д16-Т, заклепок — В65)
Серия образцов Показатели геометрического подобия Показатели прочности
fz d Si 62 si d 5 L f B10 ?П5000 T Лл/КП) РП25
X 34 A R — =0,0 5 — =0,67 3 — =0,4 5 —=0,085 29 0,76 0,82 0,68 0,9 4,5
Y 68 c o —=6,8 10 4 ——=0,67 6 — =0,4 10 —=0,085 58 0,75 0,82 0,68 0,9 4,5
Z 20 „ о —=6,8 3 — =0,67 1,8 3 —=0,085 17,5 0,76 0,82 0,68 0,9 4,5
Точно так же при исследовании соединений, выполняемых швами типа В, Г, Д (см. табл. 2), можно распространить результаты испытаний образцов (швов) одних размеров на такие же образцы других размеров.
105
В случае исследования соединений, выполняемых непрерывным швом (клеевых, паяных и сварных, выполненных роликовой сваркой или плавлением), для швов вида А и Б применяют соответствующие показатели подобия.
2^1; . (54)
I &2
Приведенные в выражениях (53) и (54) показатели подобия соединений разных размеров, выполненных одним способом, следует применять при исследовании различных вариантов технологии для установления оптимального процесса и при экспериментальной проверке расчетных размеров шва.
Рассмотренные критерии подобия позволяют распространять результаты испытаний на соединения других размеров при том условии, что листы, силовые точки или связующее вещество выполнены из одинакового материала.
Показатели подобия для случая распространения данных эксперимента, полученных при испытании швов из одного материала, на такие же швы из других материалов в настоящее время еще не разработаны.
Отсутствуют критерии подобия и для сравнения соединений различного вида (см. табл. 2).
3. УСЛОВИЯ СРАВНЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ
Сравнение соединений по жесткости, прочности и выносливости можно проводить при следующих условиях:
=const — коэффициенты прочности сравниваемых соединений (при статической нагрузке) равны;
?таХ “ коэФФВДиентЬ1 прочности сравниваемых соединений имеют максимальные значения;
const — число силовых точек у сравниваемых образцов различных соединений одинаково;
l~ const — ширина нахлестки I (или т) сравниваемых соединений одинакова.
Такое сравнение обычно проводят при проектировании изделий, когда возникает необходимость выбрать наиболее рациональный вид соединения или когда для существующего вида соединения (клепки, сварки, склеивания) разработаны новый, более совершенный технологический процесс и оборудование.
Шов вновь проектируемого соединения рассчитывают исходя из его условий работы в данной конструкции (если она известна) или пользуясь рекомендациями, приведенными в табл. 14.
Зная размеры, форму шва и вид соединения, выбирают по табл. 8—13 форму и размеры образцов для различного вида испытаний, затем рассчитывают геометрические параметры и коэффициент прочности шва ср проектируемого соединения.
Далее, в зависимости от целей исследования, выбирают «исход
106
ное соединение», которое будет служить эталоном для вновь проектируемого соединения.
Образец исходного соединения должен отличаться от вновь проектируемого только способом выполнения, т. е. должны соблюдаться усилия подобия (53) или (54).
Размеры шва исходного соединения выбирают с таким расчетом, чтобы соблюдалось какое-либо из принятых при исследовании условий, т. е. qj = const; (p = (pmax; и=const или 1 = const.
Исходное соединение выполняется наиболее прогрессивным из применяемых в производстве технологических процессов. При сравнительной оценке соединений основными показателями являются жесткость, прочность и выносливость (ресурс работы), при повторных статических и выбрационных нагрузках, габариты шва — ширина нахлестки m или I, вес погонного метра шва G и технологическая себестоимость погонного метра шва Ст.
Ширина шва зависит от особенностей каждого вида соединения. Для соединений, выполняемых силовыми точками (см. фиг. 1),
/ = 2с-Д (z — 1)/0. (55)
Для соединений, выполняемых склеиванием или пайкой (фиг. 10),
ш — 2/4-ДС1. (55а)
Вес погонного метра шва
G—Gj-J-Gg, (56)
где Gi — вес материала соединяемых элементов на ширине нахлестки шва m(l) и длине 1 м;
G2—вес соединяющих элементов (болтов, заклепок, клея или припоя) на длине 1 м.
Технологическая себестоимость Ст выполнения 1 пог. м шва определяется по общеизвестным формулам, приведенным в литературе [31, 32].
Рассмотрим некоторые примеры сравнения соединений, выполненных различными методами.
Сравнение при <р = const. В этом случае у сравниваемых соединений одинаковы: вид шва, коэффициент прочности шва при статической нагрузке (допуск на ср принимается ±5%), толщины листов, материал листов, размеры и форма образцов; применяются одни и те же приспособления для крепления образцов в испытательных машинах.
После проведения испытаний и обработки результатов получают характеристики сравниваемых соединений.
В табл. 25 приведена сравнительная характеристика клепаных и сварных соединений при <р = const.
Данные, приведенные в таблице, показывают, что при <р^0,65 прочность сварных и клепаных соединений при вибрационной нагрузке практически одинакова (срJfoc=0,8; 0,84), прочность свар-
ного соединения при повторной нагрузке ниже прочности клепаного соединения (?^о=О,ЗО; ?figeo=O,58).
107
Таблица 25
Характеристика клепаных и сварных соединений при <p=const
Из этой же таблицы видно, что вес погонного метра сварного шва (<?тэс = 1,9) больше веса клепаного (GKn= 1), а число силовых точек п и технологическая себестоимость Ст изготовления сварного точечного шва меньше, чем те же показатели у клепаного соединения.
Сравнение при п = const проводится для тех соединений, у которых при одинаковых размерах шва и количестве силовых точек различны сами силовые точки — заклепки (обычные или взрывные), болты, сварные точки и т. д.
В табл. 26 приведена характеристика соединений, выполненных обычными и взрывными заклепками при п = const. Результаты сравнения таких соединений показывают, что прочность при
108
Таблица 26
Характеристика клепаных соединений при «—const
Размеры и тип образца
Вид заклепок Показатели прочности Сравнительная характеристика соединения
Упбооо Дпц % число силовых точек п ширина шва т вес погонного метра шва G технологическая себестоимость СТ
Обычные (материал листа— сплав В95-Т, заклепки— сплав Д18; диаметр заклепки 5 мм) 0,4 0,47 1 1 1 1 1
В ” ''Разрывные (материал листа— сплав В95-Т, заклепки— сплав Д18; диаметр заклепки 5 мм) 0,3 0,35 2 1 1 0,95 1,5
статических и повторных статических нагрузках соединений с взрывными заклепками ниже, чем соединений с обычными заклепками (Ч>обычн=0,4; <рВЗр=О,3; <р“б“™ =0,47; q>gmo =°,35). Соединение с взрывными заклепками при некотором снижении веса 1 пог. м шва имеет в 1,5 раза большую технологическую стоимость, чем соединение с обычными заклепками.
Сравнение при / = const проводится для таких соединений, у которых заменяется один вид связующего вещества другим (склеивание, пайка, роликовая сварка) или связующее вещество заменяется силовыми точками при сохранении величины нахлестки /.
109
Из фиг. 69 видно, что при работе связующего вещества на срез величина напряжения среза тСр в значительной степени зависит от величины нахлестки /. В зависимости от I изменяется и коэффициент прочности шва ср (фиг. 70).
Фиг. 69. Зависимость напряжения среза т от величины нахлестки I (листы из Д16А-Т; толщина листов di=d2).
На фиг. 69 и 70 приведены показатели паяных и клеевых соединений из сплава Д16А-Т по данным С. В. Елисеева и Ю. Б. Горюнова [28]. При пайке был применен легкоплавкий припой, имеющий температуру
Фиг. 70. Зависимость коэффициента прочности шва ср от величины нахлестки I (листы из Д16А-Т; толщина листов 61 = 62).
плавления 198°, а при склеивании — клей БФ-2 в виде пленки на капроновой ткани. Ширина нахлестки в обоих случаях была одинакова (/ = 20 мм).
По результатам испытаний составлена табл. 27.
Исследования показывают, что наибольшую прочность имеют соединения, выполненные пайкой (легкоплавким припоем), по сравнению с клеевыми или сварными (роликовой сваркой). Однако по другим показателям, в особенности по технологической себестоимости паяные соединения имеют худшие показатели, чем клеевые и сварные. Здесь следует иметь в виду, что приведенная в табл. 27 технологическая себестоимость определялась в соединении, выполненном из двух плоских листов. В реальных же условиях технологическая себестоимость будет зависеть от возможности подхода к месту соединения при сборке конструкции и производительности того оборудования, которое будет применено. Поэтому показатель Ст, определенный при изготовлении образцов, необходимо уточнять применительно к реальной конструкции (узла, панели, агрегата).
ПО
Таблица 27
Характеристики паяных и клеевых соединений и соединений, выполненных роликовой сваркой, при 1= const (материал листов Д16А-Т;
толщина листов 2+2; —у—=0,1)
Метод соединения Показатели прочности Сравнительная характеристика соединений
?вю 'Рпбооо G 1 Ст
Склеивание (клей БФ-2) 0,48 0,38 1 20 1
Пайка (легкоплавкий припой) 0,9 0,68 1,2 20 3
Роликовая сварка 0,5 0,65 — 0,95 20 0,6
Глава VII
СТАБИЛЬНОСТЬ ПРОЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ
1 ПОКАЗАТЕЛИ СТАБИЛЬНОСТИ ПРОЧНОСТИ И ВЫНОСЛИВОСТИ СОЕДИНЕНИЙ
Как уже указывалось, область применения расчетно-аналитического метода определения прочностных показателей различных соединений еще весьма ограничена. Более широко при разработке и сравнительной оценке процессов производства применяются экспериментальные исследования. При проведении экспериментов важное значение имеет стабильность получаемых результатов, которая зависит от исходных материалов и совершенства технологических процессов выполнения соединений.
С методической точки зрения экспериментальные исследования можно разделить на две группы:
1. Испытание большого количества образцов (20—300 шт.) . и построение по результатам испытаний кривых практического и теоретического распределения отклонений исследуемого показателя прочности (разрушающая нагрузка, напряжение среза, деформация ит. д.) от среднего значения, затем анализ полученных данных методами теории вероятности.
2. Испытание небольшого количества образцов (3—20 шт.) и определение по полученным данным среднего значения исследуемого показателя и поля его рассеивания.
Совершенно очевидно, что испытание большого количества
111
образцов с последующей статистической обработкой результатов позволяет получить более достоверные данные, чем испытание нескольких образцов.
Основные положения теории вероятности и принципы ее применения для обработки опытных данных подробно освещены в литературе [38; 39].
При исследовании небольшого количества образцов суммарное отклонение исследуемого показателя прочности обозначается через 7? и выражается в %:
R = (57)
где т — отклонение в сторону большей прочности; п~отклонение в сторону меньшей прочности.
100%. (58)
%ср
гДе ^max’ Cmin — наибольшее и наименьшее значения исследуемого показателя;
Сср — среднее значение любого исследуемого показателя.
Величина Сср определяется по формуле
^ср
+ ”2^2 + • • • + пх^х
«14-пг+ • • • +
где п — количество испытаний, в которых были обнаружены значения
По результатам испытания образцов в зависимости от поставленной задачи представляется возможным определить следующие показатели стабильности прочности соединений: величину и характер распределения исследуемого показателя прочности, его среднее значение и величину отклонения от среднего значения.
Ниже приведены примеры обработки результатов испытаний клепаных, клеевых, болтовых и сварных соединений по данным автора, и материалам, опубликованным в печати.
Эти данные отражают технологию выполнения соединений на отдельных предприятиях и их следует рассматривать лишь как примеры, иллюстрирующие методику обработки результатов экспериментов.
2. СТАБИЛЬНОСТЬ ПРОЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ РАЗРУШЕНИИ ИХ СТАТИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ
Стабильность показателей прочности клепаных соединений
Исследование стабильности характеристик и статической прочности клепаных соединений при работе на срез проводилось на большом количестве образцов. Результаты испытания приведены в
112
табл. 28. При испытании все образцы разрушались от среза заклепок. Разрушающее напряжение тра3р изменялось в пределах от 18,3 до 21,3 кГ1мм2. При обработке экспериментальных данных отклонений за среднее значение было условно принято тразр = = 19,5 кГ1мм2 (фиг. 71).
В табл. 28 и на фиг. 71 приняты следующие обозначения.
Xi — отклонение величины разрушающего напряжения от условно принятого среднего значения тразр=19,5 кГ]м,м,2‘,
rrti — количество измерений, в которых были обнаружены откло-нения Xi\
X—расстояние от условно принятого среднего значения тразр до фактически полученного среднего значения центра рассеивания размеров.
Таблица 28
Граница интервалов тразр кГ)мм2 Частота замеров mi Отклонения Xi Xi~X СМ iR 1 £ (Xi-X^mi
от ДО
18,3—18,6 1 —1,2 —0,9 —1,05 —1,336 1,7848 1,7848
18,7—18,9 5 -0,9 —0,6 —3,75 —1,036 1,0733 5,3665
19,0—19,2 14 -0,6 —0,3 —6,30 -0,736 0,5114 7,5838
19,3—19,5 40 —0,3 0 —6,00 —0,436 0,1901 7,6040
19,6—19,8 50 0 0,3 7,50 —0,136 0,0185 0,9250
19,9—20,1 38 0,3 0,6 17,10 0,164 0,0269 0,6750
20,2—20,4 25 0,6 0,9 18,75 0,464 0,2153 5,3825
20,5—20,7 20 0,9 1,2 21,00 0,764 0,5837 11,6740
20,8—21,0 5 1,2 1,5 6,75 1,064 1,1321 5,6605
21,1—21,3 2 1,5 1,8 3,30 1,364 1,8605 3,7210
5 mi = =200 XXimi = —74,40 X(Xi — Xpmi= =50,3771
После внесения в таблицу результатов испытания, т. е. величин Xi и mi было определено
, (61)
^=7414О=о 286 кГ,мм^
200 • '
Среднее квадратическое отклонение
(62)
у
8 1125 ‘ ИЗ
к
Фиг. 71. Практическая и теоретическая кривые отклонения размера Хг, характеризующие величину Тразр.
Фиг. 72. Отклонения ф от средней величины фср.экс для потайных соединений (материал листов Д16-Т, материал заклепок Д18 и В65).
114
50,3771
200
=0,5 кГ/мм2.
(62)
Предельное отклонение Х^ т. е.
+ 3о=-1,5 кГ/мм2 ' j
или в % от фактически полученного среднего значения тср.ф = 19,54-4-0,286= 19,786 кГ[мм2, т. е.
±3о = 7,5%.
По полученным данным строят в одном масштабе кривые прак- тического и теоретического распределения значений Xi (см. : фиг. 71). : !
Теоретическая кривая соответствует кривой распределения’по | закону Гаусса. Ее координаты: ! |
где
Из фиг. 71 видно, что при испытании большого количества об- , разцов практическая кривая распределения близка к теоретической.
В другом случае было испытано 12 партий образцов клепаных соединений, 50—100 образцов в каждой партии. Предварительно была рассчитана прочность соединений и был определен коэффи- циент прочности шва <ррасч по формуле (10а) [см. стр. 22]. »
Образцы были склепаны на двух заводах (Л и Б) на различного вида применяемом в производстве клепальном оборудовании. Затем образцы были испытаны на статическую прочность. Данные ; испытаний обработаны и приведены в табл. 29.
Среднее значение экспериментальных коэффициентов прочно- • сти шва <рср.экс определялось по формуле (60).
Результаты испытаний показывают, что среднее значение <рСР.экс для высокопрочных (ВПШ) и прочных швов (ПШ) очень мало отличается от расчетного. Отклонения ср от среднего эксперименталь-. ного значения (рср. экс (в процентах) показаны на фиг. 72.
Наибольшие отклонения колеблются в пределах от —11% до 4-7% для швов, выполненных групповой клепкой заклепками с потайными головками. Для других, указанных на фиг. 72 способов клепки, отклонения находятся в пределах ±8%.
Приведенные данные показывают малый разброс, т. е. хорошую стабильность характеристик прочности соединений, выполненных обычными стержневыми заклепками.
Будем считать, что поле допуска находится в пределах поля рас-, сеивания, т. е.
Дд>6а (64)
8*
115'
Таблица 29
Стабильность коэффициента прочности шва <р при выполнении соединения на различного вида клепальном оборудовании
(листы из сплава Д16-Т)
№ по пор. Вид клепального оборудования и методы клепки Форма шва Тип заклепки Материал заклепок Соединения выполнены
на заводе А на заводе Б
?Ср. ЭКС Трасч эхе V S3 О, Э-
1 ЗПЛ В65 0,73 0,75 — —
2 Пресс групповой ВПШ ЗУ-1200 Д18 0,60 0,63 — —
3 клепки ПШ ЗПЛ В65 0,51 0,55 — —-
4 ЗУ-90° В65 0,44 0,44 — —
5 ЗПЛ В65 0,75 0,75 0,73 0,75
6 Пресс одиночной ВПШ ЗУ-120° Д18 0,61 0,63 0,66 0,63
7 клепки ПШ ЗПЛ В65 0,63 0,-55 0,49 0,55
8 ЗУ-9О0 В65 0,45 0,44 0,48 0,44
9 Прямая клепка ВПШ ЗУ-1200 Д18 0,59 0,63 0,65 0,63
10 пневмомолотком ПШ ЗУ-9О0 В65 — — — —
11 Обратная клепка ВПШ ЗПЛ | В65 0,74 0,75 0,75 0,75
12 пневмомолотком ПШ ЗУ-9О0 В65 0,46 0,44 — —
Примечание. Швы ВПШ при испытании разрушались по
листу, а швы ПШ — от среза заклепок.
или
(64а) Для соединений, выполняемых обычными стержневыми заклепками, предельное отклонение
—7,5-9%.
Весьма показательны проведенные М. И. Слесаревой исследования стабильности прочностных характеристик соединений, выполненных заклепками для односторонней клепки [40].
На фиг. 73 приведены практические и теоретические кривые рассеивания разрушающих нагрузок для соединений, выполненных обычными заклепками и заклепками для односторонней клепки. Предельное отклонение величины Тразр для обычных заклепок находится в пределах ±3сг=6,5—7,5% (см. табл. 30).
116
Фиг. 73. Практические и теоретические кривые рассеивания величин разрушающих нагрузок на срез.
а—соединения обычными заклепками, б—соединения двухкамерными взрывными заклепками, я—соединения заклепками с сердечником (черри), г—соединения гайко-пистонами.
Соединения, выполненные односторонней клепкой, имеют большой разброс показаний прочности: ±3о= 11,5—28%, что следует объяснить несовершенством конструкции заклепок и технологии их постановки в шов.
Обширные исследования стабильности характеристик прочности клепаных соединений опубликованы в работе Bowen [41]. В этой работе приведены данные о прочности образцов соединений, выполненных на заводах шести самолетостроительных фирм. Результаты исследований показывают предельное отклонение прочности при, срезе соединений, выполненных заклепками с выступающими головками, ±3сг=3—8%, а для соединений с потайными заклепками ±3сг = 5—14%.
Прочность клепаных соединений при отрыве & большей степени, чем при срезе, зависит от конструкции шва »технологии выпол,-нения соединения. В табл. 31 и на фиг. 74 приведены результаты
Ш
Таблица 30
Стабильность характеристик прочности при срезе соединений, выполненных обычными стержневыми заклепками и заклепками для односторонней клепки
Тип заклепок тср. эхе % %
С потайной головкой Обычные стержневые 100 6,5
Взрывные двухкамерные 78 11,5
С сердечником (черри) 75 28
Г айко-пистоны 68 32
С выступающей за- Обычные стержневые 100 7,5
кладной головкой Взрывные двухкамерные 77 14,7
С сердечником (черри) 76 21
Г айко-пистоны 67 25
испытания клепаных соединений на отрыв. В результате обработки данных испытания установлено, что для соединений с обычными заклепками предельное отклонение величины тразр лежит в преде-
Отклонение величин разрушающих нагрузок на отрыв в % от средней величины
Фиг. 74. Теоретические кривые рассеивания величин разрушающих нагрузок на отрыв.
а—обычные заклепки, б—взрывные, в—заклепки с сердечником (черри), г—гайко-пистоны.
лах ±3а=9%—10,5%, а для соединений, выполненных заклепками для односторонней клепки, в пределах ±За = 14,5—29%. При этом процент снижения прочности соединений, выполненных заклепками для односторонней -клепки, по отношению к прочности соединений с обычными заклепками остается примерно одинаковым при испытаниях как на срез, так и на отрыв (см. табл. 30 и 31).
1.Ф
Таблица 31
Стабильность характеристик прочности при отрыве для соединений, выполненных обычными стержневыми заклепками и заклепками для односторонней клепки
Тип заклепки Qcp. Э.<С % j 1 i3a %
С потайной головкой Обычные стержневые Взрывные двухкамерные С сердечником (черри) Г айко-пистоны 100 80 60 65 10,5 14,5 23,6 29,4
С выступающей кладной головкой за- Обычные стержневые Взрывные двухкамерные С сердечником (черри) Гайко-пистоны 100 70 50 60 9,0 18,5 29
Стабильность характеристик прочности клеевых соединений
Клеевые соединения металлических деталей получают все большее распространение, а в ближайшее время для некоторых элементов конструкций они станут наиболее рациональным видом соединения.
В настоящее время в СССР и за границей ведутся обширные исследования с целью разработки новых клеев и внедрения их в промышленность. Опубликованные на эту тему работы, хотя и не многочисленные, позволяют сделать некоторые выводы относительно прочности клеевых соединений.
Совершенно бесспорно, что применение клеев для соединения металлических силовых конструкций требует высокой культуры производства, и в первую очередь тщательного изготовления оснастки, обеспечивающей выполнение заданных режимов склеивания. В настоящее время технология выполнения соединений и применяемое при этом оборудование еще не совершенны, вследствие чего получается большой разброс в прочности этих соединений. Так, по данным Г. Эпштейна [26] при испытании на срез образцов из нержавеющей стали, склеенных клеем марки 422, предельное откло-R
нение прочности ± у=12,5—16%.
Некоторые данные по исследованиям и практическому применению клеевых соединений опубликованы в сборнике статей «Клеи и технология- склеивания» [37]. Результаты испытаний приводятся в виде отношения предельных значений характеристик прочности (или напряжения) к их среднему значению.
119
Так, например, для клея ВС-10-Т при / = 20° С приводится прочность на сдвиг
__ 165 —225
Тср ~ 204 ’
где 165 и 225—наименьшее и наибольшее, а 2'04—среднее значения тСр в кГ/см2, полученные при испытании данной серии образцов.
Определим по формулам (57), (58), (59) предельные отклонения R = 30%, «2=10%, « = 20%.
Обработка материалов, приведенных в указанном сборнике, показывает, что предельные отклонения прочности клеевых соединений, выполненных отечественными клеями, составляют:
п
при работе соединений на срез -у- = ± 17,5% (фиг. 75);
р
при работе соединений на отрыв ~ =4^ 14 — 40 % (табл. 32).
Таблица 32
Стабильность прочности при работе на отрыв клеевых соединений
Марка клея R т п Материал Форма образца
% соединяемых листов
МПФ-1 36 20 16 Д16-Т + Д17-Т Образец из профилей
Л-4 75 35 40 Д16-Т + Д16-Т
ВС-10-Т 40 19 21 (СН-2)+Д16-Т Цилиндрический обра-
ВК-32-ЭМ 30 16 14 (СН-2)4-Д16-Т зец сотового заполнителя
Стабильность характеристик прочности соединений, выполненных точечной электросваркой
Широкое применение сварных соединений во всех отраслях промышленности позволило накопить большой фактический материал о стабильности характеристик прочности.
По данным, опубликованным в печати [1, 6, 20, 25, 58], составлен график (фиг. 76), показывающий предельные отклонения прочности сварных точек при срезе. На фиг. 76 приведены результаты многочисленных испытаний образцов соединений, выполненных в лабораторных и заводских условиях на оборудовании, применяемом в серийном производстве. Каждое сочетание толщин листов испытано на нескольких сериях образцов. Каждая серия содержала 10—25 образцов. Обработка результатов испытания образцов из листов с различными толщинами произведена по формулам (57)-(60).
Результаты испытания соединений из термически обработанные листов легких сплавов показывают, что предельные отклонения характеристик прочности сварных точек при срезе «2=12%;
120
Фиг. 75. Отклонения прочности на срез клеевых соединений, выполненных различными клеями (материал листов Д16-Т+Д16-Т; дп//=0,1; Z=20°C).
Фиг. 76. Предельные величины отклонения прочности на срез сварных точек при испытании статической нагрузкой (толщина листов di=d2).
121
л=17%; /? = 29%. Эти отклонения остаются неизменными для листов толщиной от 0,8 до 3,0 мм включительно. Для соединения листов из сталей и титана предельные отклонения значительно меньше. Так, по данным испытаний [3; 43; 44] соединений из листов малоуглеродистых сталей, титана и нержавеющей стали R = 10—15%.
Многочисленные испытания сварных соединений на отрыв показали, что разброс показателей прочности для этого вида соединений колеблется в пределах 14—20% (табл. 33).
Таблица 33
Стабильность прочности при работе на отрыв соединений, выполненных точечной электросваркой
R \ т \ п
Материал соединяемых листов
16
18
19
Ml 7-|-М А8 ЭИ654-4-ЭИ654 Д16-Т+Д16-Т
Форма образца
Образец из профилей
При испытаниях на срез соединений, выполненных роликовой сваркой, и разрушении шва от разрыва листа разброс показателей прочности соединения меньше, чем при разрушении от среза сварных точек.
3. СТАБИЛЬНОСТЬ ВЫНОСЛИВОСТИ СОЕДИНЕНИИ ПРИ РАЗРУШЕНИИ ПЕРЕМЕННЫМИ НАГРУЗКАМИ
Многочисленные исследования усталостной прочности элементарных образцов и конструктивных элементов показывают на большой разброс экспериментальных данных.
При испытаниях определяются отклонения от средних значений предела выносливости ош (фиг. 77, а) или при испытании повторными статическими нагрузками от среднего числа циклов N' (фиг. 77,6). Отклонения R, т, п определяют по формулам (57), (58), (59).
Значительный разброс экспериментальных данных при испытании переменными нагрузками наблюдается и тогда, когда образцы изготовлены в идентичных условиях и обеспечен надежный контроль нагрузок и числа циклов испытательных машин.
В главе «Концентрация напряжений в элементах конструкции» отмечалось, что выносливость в значительно большей степени, чем статическая прочность зависит от однородности свойств материала по сечению образца и от технологии выполнения соединения. Поэтому значительно больше и разброс характеристик выносливости соединений. Так, например, при испытании статическими нагрузками клепаных соединений ±3а (или R) составляет ~10% (см. табл. 30), а при испытании вибрационными нагрузками 7?=28% (табл. 34).
322
Стабильность выносливости различного вида соединений при переменных нагрузках в значительной степени зависит от качества выполнения всех операций технологического процесса (сверление,
Фиг. 77. Разброс показателей усталостной прочности.
а—испытание на вибрационные нагрузки до определения предела выносливости, б—испытание при данном значении атах‘- на ограниченную выносливость вибрационными нагрузками или выносливость при повторных статических нагрузках.
зенкование отверстий, установка заклепок, болтов, сварных точек и т. д.).
При исследовании способов обработки отверстий под болты было установлено [36], что с повышением качества и чистоты об-
Таблица 34
Стабильность значений предела выносливости различного вида соединений при работе на срез
Метод соединения R | т 1 1 п Эскиз образца 1 Материал
% листов силовых точек
Клепаный шов (обычные заклепки) 28 20 8 +п Js + 4-1 1 В95-Т4-+В95-Т Д18
Клепаный шов (взрывные заклепки) 29 17 12 В95-Т+ +В95-Т Д18
работки отверстий повышается ограниченная выносливость и уменьшается разброс чисел циклов до разрушения (см. табл. 35).
Из табл. 35 видно, что при образовании отверстий сверлением предельное отклонение 7? равно 81%, при развертывании — 58% а при дорновании — 34%.
Относительно влияния технологии выполнения соединения на прочность при переменных нагрузках имеются данные и в иностранной печати. Так, в сборнике статей «Усталость самолетных
123
Таблица 35
Стабильность выносливости болтовых соединений по числу циклов N до разрушения. Испытание на ограниченную выносливость при атах=0»5 <?разр (посадка ходовая по 5 классу)
Способ обработки отверстий под болты и класс чистоты поверхности Число циклов до разрушения N Среднее число циклов до разрушения N' Выносливость %
Сверление 4-й класс 39 600 25 400 17 000 27 400 100
Развертывание 7-й класс 43 700 23 600 39100 30000 34 200 125
Лорнирование 9-й класс 32 700 38 500 45 100 38 800 141,5
Эскиз и материал образца
Листы из сплава В95-Т
Болты из стали ЗОХГСНА
81
58
34
44
26
18
37
32
16
R
т
п
конструкций» [4] приведен пример исследования стыка лонжерона самолета.
Стык полок лонжерона был выполнен в двух вариантах — стыковые болты ставились без натяга и с натягом. Число циклов до разрушения при отах=13 кГ1мм? при посадке без натяга равнялось 0,6 • 106, а при посадке с натягом — 3,8 • 106. Предельное отклонение числа циклов при посадке без натяга оказалось в четыре раза больше, чем при посадке болтов с натягом.
Стабильность выносливости соединений при испытании их переменными нагрузками зависит также от вида соединения.
Из табл. 36 видно, что наименьший разброс выносливости при испытании повторными статическими нагрузками имеют клепаные соединения, затем идут болтовые соединения и наибольший разброс дают соединения, выполненные точечной электросваркой.
4. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ О СТАБИЛЬНОСТИ ПРОЧНОСТИ И ВЫНОСЛИВОСТИ СОЕДИНЕНИИ
Результаты механических испытаний различного вида соединений статическими и переменными нагрузками показывают значительный разброс показателей их прочности и выносливости.
124
Таблица 36
Стабильность выносливости различных видов соединений по числу циклов N до разрушения. Испытание повторными ______ ст а ти ческ 4 и и наг эу зчали нрч зтах -= onst_
Материал | силовых точек ОО ОО Д18 | Д18 1 ЗОХГСА ЗОХГСА 1 Д18 1
листов | В95-Т + В95-Т В95-Т + В95-Т Д16-Т + Д16-Т | Д16-Т + Д16-Т ( н со с=( + г—1 со 1=1 Д16-Т + Д16-Т ) Д16-Т + Д16-Т Д16-Т +Д16-Т В95-Т Д16-Т +Д16-Т Д16-Т4-Д16-Т
Эскиз соединения и характер работы силовых точек Силовые точки работают на срез 1 о -+ с + + 4- 1 I-Т] d" Силовые точки работают на отрыв б-~_JL_— '
с £ 1 СЧ ОО сч ~ 1О т—< СО т—н 30 | 24 29 ОО Г—< 28 35
Г-. ст> со Г—< о | 26 32 г—Н со сч СО СО 40
29 37 ОО сч 27 о о ю 62 09 сч ’ф 1—1 со 75 !
Метод соединения Клепаный шов Клепаный шов (взрывные заклепки) Клепаный шов J | Клепаный шов | Точечная электросварка | Точечная электросварка Болтовое соединение (отверстия из-под развертки) Болтовое соединение (отверстия из-под развертки) Лист с отверстиями Клепаный шов Точечная электросварка
№ по пор. 1-1 сч СО ио СО t'- ОО о о Г-—< т—<
1 25
I
Разброс этот зависит от ряда факторо-в, наиболее существенными из которых являются стабильность качества исходных материалов, технологических операций при выполнении соединения и процесса испытания.
Для обеспечения стабильности качества исходных материалов заготовки для образцов принято изготовлять из одного листа, а заклепки (болты) — из одного мотка (бухты) проволоки или прутка. Установка и закрепление образцов должны производиться особенно тщательно, причем образцы данной серии должны находиться при испытаниях в одинаковом положении. Соблюдение этих условий дает возможность более точно определить прочность (выносливость) соединения, выполненного данным способом, и уменьшить разброс полученных экспериментальных данных.
Результаты механических испытаний различного вида соединений статическими и переменными нагрузками показывают, что стабильность показателей прочности соединения в значительной мере зависит от способа его выполнения.
Следует иметь в виду, что приведенные в табл. 28—36 данные позволяют сделать лишь общие выводы относительно влияния технологии на прочность и выносливость различного вида соединений, так как в каждом отдельном случае отражают прочность какого-либо вида соединения и, следовательно, характеризуют стабильность операций выполнения соединения при данном технологическом процессе. В то же время эти данные показывают, что при соединении конструкций из легких сплавов наиболее стабильна прочность (выносливость) клепаных соединений, затем идут болтовые соединения, соединения, выполняемые точечной и роликовой сваркой и пайкой; наименее стабильна прочность клеевых соединений.
Большой разброс показаний при испытании свидетельствует о несовершенстве самого соединения и принятого способа его выполнения.
Глава VIII
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ НА ПРОЧНОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ, ВЫПОЛНЯЕМЫХ СИЛОВЫМИ ТОЧКАМИ
Процесс соединения деталей силовыми точками состоит из следующих основных операций (фиг. 78): подготовка поверхностей соединяемых деталей, образование отверстий под заклепки (болты), установка деталей в сборочное положение, вставка заклепок (болтов), сжатие пакета и, наконец, образование силовой точки.
Из фиг. 78 видно, что необходимость различных операций и последовательность их выполнения зависят .от метода соединения. Так, при выполнении клепаного или болтового соединения (не герметичного) нет необходимости в подготовке поверхностей, а при
126
точечной сварке отсутствуют операции образования отверстия и гнезда.
В соответствии с методом соединения устанавливается последовательность операций и определяется необходимый инструмент и оборудование. Подробно эти вопросы освещены в литературе [24„ 25, 31, 33, 34, 35].
метод соединения
Операция
Клепка потаи- болтовое Гочечная пая, прессовая соединение электросварка
Подготовка поверхности
Образование отверстия
хитам*
Образование гнезда
Установка заклепки (болта) сжатие пакета
Фиг. 78. Основные операции при соединении силовыми точками.
В данном разделе книги рассматривается влияние отдельных операций технологического процесса на прочность. Зная, как именно влияют различные технологические факторы на жесткость, прочность и выносливость соединения, можно сознательно управлять-процессом производства, стремясь к устранению причин, вызывающих снижение прочности.
Разработка технологии включает анализ и оценку различных вариантов каждой операции для выбора оптимального процесса,.
127
гарантирующего получение соединения требуемой прочности. Ниже рассматриваются основные операции, устанавливаются технологические причины, вызывающие снижение прочности, и даются рекомендации для выбора оптимальных технологических процессов.
1. ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТЕЙ СОЕДИНЯЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ ПОД КОНТАКТНУЮ ЭЛЕКТРОСВАРКУ
Подготовка поверхностей необходима при точечной и роликовой электросварке для создания хорошего электрического контакта между свариваемыми деталями и между электродами и деталями.
Для нагрева деталей до температуры сварки затрачивается тепло (кал)
Q=0,24/2/(R4 + RK+2R9), (65)
где I —сила сварочного тока в а;
Rjt — электрическое сопротивление свариваемых деталей в ом;
RK— переходное электрическое сопротивление между свариваемыми деталями в ом;
Rq — переходное электрическое сопротивление между электродом и свариваемой деталью в ом;
t — продолжительность нагрева сварочным током в сек.
Формула (65) только приближенно выражает энергетический баланс сварки, так как входящие в нее величины сопротивлений зависят от многих факторов, изменяющихся в процессе сварки.
С технологической точки зрения сопротивления RK и RQ зависят от состояния поверхностей соединяемых деталей и электродов. Ржавчина, окалина, окисная пленка, жировые пятна и другие загрязнения увеличивают сопротивление RK и RQ и образуют участки, не проводящие тока. Это нарушает нормальное распределение тока и теплоты в материале, зажатом между электродами, вследствие чего образуются непровары, пережоги, а ядро точки принимает неправильную форму.
Подготовка поверхностей под контактную электросварку преследует цель снижения RK и/?эисоздания одинакового сопротивления во всех точках шва.
Стабильность сопротивления в зоне сварки позволяет получать сварные точки почти одинаковой прочности.
Подготовка поверхностей ведется различными химическими и механическими способами, в соответствии с видом сварки. Технологический процесс подготовки поверхностей при неизменном режиме сварки (/, t; Рсв; Фэ)= const влияет на статическую прочность и выносливость соединения.
Чтобы выбрать оптимальный процесс подготовки поверхностей данного соединения необходимо изготовить образцы из того же материала и после подготовки поверхностей различными способами испытать их при статических и переменных нагрузках. По результатам испытаний устанавливают оптимальный процесс подготовки поверхностей.
128
2. ОБРАЗОВАНИЕ ОТВЕРСТИЙ ПОД ЗАКЛЕПКИ И БОЛТЫ
Методы образования отверстия
Отверстия под заклепки и болты можно получать сверлением, сверлением с последующей разделкой зенкерами, развертками или протяжками, пробивкой с последующим рассверливанием или разделкой протяжками. В ряде случаев после указанных операций стенки отверстий подвергают упрочняющей обработке.
Существует несколько способов образования гнезд под потайные головки заклепок и болтов.
Фиг. 79. Влияние способов изготовления отверстий и гнезд под болты и заклепки на прочность полосы (материал Д16-Т) при статических нагрузках:
/—полоса без отверстий, 2—полоса со сверлеными отверстиями и зенкованными гнездами под заклепки ЗУ-90°, <3—полоса со сверлеными отверстиями диаметром 3 мм и штампованными гнездами под заклепки ЗУ-120° с последующей рассверловкой до диаметра 4,1 мм, 4—'полоса со сверлеными отверстиями, 5—полоса с пробитыми отверстиями диаметром 3 мм и рассверленными — до диаметра 4,1 мм, 6—полоса со сверлеными и зенкованными отверстиями под заклепки ЗУ-120°, 7—полоса с пробитыми отверстиями диаметром 4,1 мм, 8—полоса е пробитыми отверстиями и штампованными гнездами под заклепки ЗУ-9О0.
Выше указывалось, что около отверстий возникает концентрация напряжений. Степень концентрации зависит не только от диаметра отверстия и расстояния между ними, но и от состояния поверхностного слоя стенок отверстия, обусловленного способом его образования.
Состояние поверхностного слоя стенки отверстия характеризуется степенью наклепа (упрочнения), направлением штрихов — следов обработки, размером микронеровностей, наличием микро- и макротрещин.
Ниже рассмотрены некоторые данные автора и других исследователей [8, 10, 36, 48, 49], иллюстрирующие влияние методов образования отверстий на прочность болтовых и заклепочных соединений.
Например, испытания показали, что при разрушении по листу прочность соединений с пробитыми отверстиями ниже, чем со свер-
9 1125
129
леными отверстиями. Объясняется это тем, что при пробивке, наряду с упрочнением, в наружных слоях материала около отверстия возникают микро- и макротрещины и штрихи от инструмента. Являясь очагами концентрации напряжений, они снижают прочность и выносливость соединений с пробитыми отверстиями.
Если прочность образца со сверлеными отверстиями сгра3р принять за 100%, то прочность образца с пробитыми отверстиями составит 92% (фиг. 79, 7), а образца с пробитыми и штампованными отверстиями — только 81% (фиг. 79,8).
В еще большей степени влияние метода образования отверстий проявляется при испытании вибрационными и повторными статическими нагрузками. Так, при испытании повторными статическими нагрузками образцов (листа из сплава Д16-Т с отверстиями) получены следующие данные:
Способ образования отверстия Рп25
Сверление и развертывание 1
Сверление 1,15
Пробивка 2,2
Существуют несколько технологических методов снижения концентрации напряжений в зоне отверстия — снятие поврежденного слоя, упрочнение стенок отверстия или снятие и упрочнение фасок на кромках отверстия.
Из фиг. 79, 7 и 79,5 видно, что рассверловка пробитых отверстий дает повышение прочности примерно на 7%, а рассверловка штампованных гнезд (фиг. 79,8 и 79,8) —примерно на 20%.
Упрочнение (наклеп) материала в результате пробивки отверстия иллюстрируется рентгенограммами (фиг. 80). Размыв линий (деформация атомной решетки) для пробитого отверстия (в) значительно больший, чем для сверленого отверстия (б). Степень наклепа при пробивке составляет 168%, а при сверлении — только 120%.
На фиг. 81 представлены микрофотографии кромок сверленого (а) и пробитого (б) отверстий в листе из сплава Д16-Т. У пробитого отверстия отчетливо выявилась текстура материала в направлении пробивки, в то время как в сверленом отверстии текстура отсутствует. Следовательно, в процессе пробивки металл вокруг отверстия претерпевает значительные пластические деформации и получает наклеп, в результате чего в материале возникают остаточные напряжения сжатия осж (фиг. 82,а).
Возникающие при приложении внешней нагрузки напряжения °- суммируются с внутренними напряжениями, в результате чего растягивающие напряжения в наружном слое уменьшаются 130
ч
с
9*
131
(см. фиг. 82,6). Величина суммарного напряжения в зоне концентрации напряжений
'< = -1“ ( - °упр)> (66)
где о’— напряжение, вызванное нагрузкой;
<зупр — напряжение, вызванное упрочнением при образовании отверстия.
Положительное влияние упрочнения наружного слоя доказано многими работами [36, 42, 45, 57]. В работе А. И. Скакова [42] при-
Фиг. 82. Напряженное состояние в листе, а—напряжение от упрочнения, б—'суммарное напряжение от упрочнения и нагружения.
ведены результаты экспериментов по упрочнению рельсов у болтовых отверстий. Число циклов до разрушения определялось на установке, схема которой приведена на фиг. 83.
В результате этих исследований получены следующие данные:
Способ образования отверстия (условное)
Сверление 1
Пробивка и шлифование И
Сверление и обжатие стенок (увеличение диаметра) на 1,6% 1,7
Сверление и обжатие стенок на 4% 2
Сверление и обжатие стенок на 10% 10,7
Таким образом обжатие стенок отверстия приводят к значительному повышению выносливости. Например, обжатие на 10% повышает выносливость в 10,7 раза, т. е. на такую же величину, как пробивка с последующим шлифованием. Для пробивки отверстия требуются мощные прессы, а для шлифования — сложное приспособление, в то время как для сверления и обжатия можно использовать универсальное оборудование.
132
Обжатие стенок отверстий можно осуществлять конической оправкой, шариками, раскаткой (развальцовкой) или лорнирова
нием.
В табл. 35 приведены результаты испытания на ограниченную выносливость при вибрационной нагрузке болтовых соединений, в которых последней операцией образования отверстия было сверление или развертывание, или лорнирование. Развертывание повышает ограниченную выносливость на 25% по сравнению со сверлены-
ми отверстиями, а упрочнение стенок пятью калибрующими поясками с общим припуском 0,2 мм на диаметр — на 41,5%.
с
Интересно отметить, что эффект упрочнения отверстий с течением времени несколько снижается. Так, по данным исследований [42], при испытании соединения с пробитыми и шлифованными отверстиями через год после образования отверстий число циклов до разрушения снизилось на 10%.
после сверления дорном
Р
Фиг. 83. Схема испытания рельс на переменные нагрузки.
Наибольшая концентрация напряжений возникает на кромках отверстий, особенно со стороны выхода инструмента, где образуются заусенцы, способствующие возникновению усталостных тре-
Фиг. 84. Влияние обжима кромок отверстий на предел выносливости круглого образца [45] при изгибе с кручением.
/—сталь ^^кГ/мм2, 2—сталь ав=40 кГ!мм2.
50
Стиль 18ХНВА Цементировать на глубину 1-1,2мм Запалить до твердости HRC 58-60
Фиг. 85. Коническая обжимка.
Щин. Поэтому удаление заусенцев и упрочнение кромок отверстий значительно повышает выносливость соединений. Имеется ряд работ [45; 24; 36; 16], в которых приводятся данные о положительном влиянии обработки кромок отверстий на прочность материала соединений.
Испытание круглых стандартных образцов из стали на изгиб с вращением показало, что зенкование кромок отверстия повышает предел выносливости сгш на 5—15%, а обжатие кромок отверстия специальными пуансонами с усилием 17—20 т дает увеличение [% ° шах на 40—60% (фиг. 84).
133
1
Упрочнение при обжатии кромок зависит от предела прочности материала ств и усилие обжимного пуансона Рт. Установлено, что для различных материалов, диаметров образца и диаметров отверстий имеются свои оптимальные значения давления.
Значительное повышение выносливости клепаных соединений было получено [36] при упрочнении кромок отверстия специальными обжимками (фиг. 85).
Исследованию было подвергнуто листовое соединение типа А (см. табл. 2) из стали ЗОХГСА (материал заклепок — сталь 20ГА). Было испытано два комплекта образцов — со сверлеными отверстиями и с отверстиями, которые после сверления были упрочнены специальными обжимками с различными углами заострения при вершине и усилиями обжатия:
Угол заострения а в град 140 90 60 30 15
Усилие обжатия в тоннах 5 5 3 2,5 1,5
В результате испытания трех-четырех образцов на ограниченную выносливость при Отах=0,4(Уразр получены следующие данные: число циклов до разрушения образцов со сверлеными отверстиями составило 66 800, а Рв =1; для образцов ср сверлеными и обжатыми отверстиями N =^323'06, a {3g = 4,85. /V - 323 /СС
В литературе [47] приводятся данные о влиянии различных способов обработки кромок отверстий на прочность образцов из титановых сплавов. Исследования показывают преимущество сверленых отверстий перед пробитыми.
Приведенные примеры показывают, что выбирая соответствующие способы обработки отверстий и их кромок, можно значительно повысить прочность соединений, однако по ним еще нельзя составить четкие рекомендации для промышленности. Ближайшей задачей в этом направлении является проведение комплексных исследований, на основании которых будет получена зависимость прочности и выносливости соединений от марки материала листов и силовых точек, геометрии шва, методов выполнения силовых точек, усилия обжатия и т. д.
Совпадение отверстий в соединяемых элементах
При расчете соединения нагрузку, разрушающую шов по силовым точкам, определяют по формуле (2):
Рс.т = »/стр-
т. е. принимают равномерное распределение усилий по силовым точкам. В действительности усилия по силовым точкам распределены неравномерно, что приводит к снижению фактической, определяемой при испытании прочности шва.
Характер распределения усилий по силовым точкам зависит от механических свойств и толщин соединяемых элементов (листов), характера размещения силовых точек в шве (шаг, число рядов), технологического процесса выполнения соединения, а также от 134
способа обеспечения совпадения отверстий в соединяемых элементах.
Как известно, отверстия под силовые точки в соединяемых элементах можно получать раздельно в каждой детали или одновременным сверлением (пробивкой) всех соединяемых листов, т. е. пакета. В зависимости от выбранного способа образования отверстий, оснастки и оборудования получается различная точность размещения силовых точек по шагу и рядам. Так, например, при одновременном сверлении пакета отверстия во всех листах хорошо совпадают. При раздельном сверлении добиться совпадения отверстий
Фиг. 86. Схема нагружения силовых точек.
можно только при применении одинаковых высокоточных кондукторов или при последующей совместной протяжке или развертывании пакета. Даже незначительное несовпадение отверстий или волнистость в одном из соединяемых листов приводят к неравномерной работе силовых точек и понижению прочности соединения.
На фиг. 86 приведены два наиболее ярких случая несовпадения отверстий в соединяемых листах. Волнистость одного из листов (фиг. 86,6) приводит к тому, что при нагружении соединения нагрузка первого листа (di) передается (фиг. 86, в) на второй лист (дг) через одну силовую точку 1. Это продолжается до тех пор, пока первый лист (61) не выпрямится или не уничтожится зазор At (фиг. 86, а), после чего в работу вступит силовая точка 2 (фиг. 86, г). Момент включения в работу силовой точки 2, а также величина начальной нагрузки на точку 1 зависят от прогиба Аг (или зазора А1) и прочности листов.
Значительные зазоры и волнистость листов могут привести к тому, что силовая точка 1 будет срезана, прежде чем в работу вступит силовая точка 2. Чтобы не допустить этого, необходимо определить допускаемую величину зазора Ai исходя из условий работы силовой точки 1 (в упругой области) на смятие и листа (б^) на растяжение на длине /о, т. е.
Д1 < Дсм — Д£, (67)
ИЛИ
Д1<ДА- Дсм . (67а)
135
1
в зависимости от того, что будет больше — Дсм или ДА. В формулах (67) и (67 а)
Дсм —сдвиг от смятия листа (32) и силовой точки 7;
ДА —удлинение листа (&2) на участке /0.
Зная характеристику соединения, можно определить Д, и допуск на расстояние /о между центрами отверстий.
Фиг. 87. Совпадение отверстий в листах.
Рассмотрим совпадение отверстий в соединяемых листах (7 и 2 фиг. 87). Для обеспечения полной взаимозаменяемости, т. е. сборки без подгонки отверстий, должны быть компенсированы зазоры, т. е.
где С[ и с2 — смещение каждой из осей;
Si и s2 — зазоры [50].
Примем, что смещение осей отверстий одинаково: fi=c2; тогда и Sj =s2.
По формуле (67)
с2<0,5$2 или
s1>2<?1; s2>2c2. . (68)
Формула (68) показывает, что компенсационный зазор в отверстии должен быть не меньше двойного смещения оси этого отверстия.
Если принять отверстие А (фиг. 87) за базовое, то смещение оси отверстия Б по диагонали
(69)
136
причем наибольшее возможное смещение
c6=ca-]-0,5AD, (70)
где AD— допуск на отверстие.
Пользуясь формулами (68—70), определим диаметр отверстия под силовую точку Б для установки болта или заклепки диаметром d = 6-0,08 мм, если допуск на величину шага t'Q и /2 по условию технологии может быть выдержан с точностью с =±0,05 мм.
Смещение
сд = |/(4,)2 + (Ау = /ода+О,О252=0,056 мм и зазоры
s1^s2±e;2ct^ 0,112 мм.
Следовательно, наименьший зазор smm = 0,ll мм. Зазор Ai (см. фиг. 86) в этом случае 2с = 0,1 мм.
Наименьший ДИамеТр ОТВерсТИЯ Дпш==^б+5т1п = 6-|-0,1 1 = = 6,11 мм.
Ближайший размер отверстия по системе вала соответствует 4 классу:
г\ __д+0,240
LJ =0+0,160 ММ.
При постановке заклепки диаметром 6 мм отверстие под нее, согласно существующим нормалям, сверлится сверлом диаметром dc = 6,2 мм, т. е. возможна сборка без подгонки отверстий. Получаемые зазоры Si и s2 заполняются стержнем заклепки в процессе образования замыкающей головки. Деформация стержня заклепки при заполнении им зазоров несколько компенсирует несоос-ность отверстий в соединяемых листах и выравнивает распределение усилий по заклепкам (силовым точкам).
В табл. 37 приведены экспериментальные данные по прочности клепаных соединений при разрушении от среза силовых точек.
Из таблицы следует, что даже в таких «пластичных» соединениях, как клепаные, влияние технологии образования отверстий проявляется при всех видах их нагружения. Полученные данные еще раз подтверждают, что испытание образцов с одной силовой точкой не отражает влияния технологии на качество соединения.
Еще в большей степени технология получения отверстий отражается на прочности соединений при установке болтов, винтов, высокопрочных заклепок и заклепок с односторонним подходом, т. е. в тех случаях, когда размеры стержней при установке их в лист не изменяются или материал стержней менее пластичен, чем материал листов.
Для того чтобы такая посадка силовой точки была одинаковой в обоих листах, возможны следующие варианты выполнения соединения.
При раздельном выполнении отверстий сверление каждого листа
137
Таблица 37
Влияние способа образования отверстий на статическую прочность клепаных соединений
Статическая разрушающая нагрузка
№ по пор.
Схема образца
Число
рядов при сверлении z через кондуктор двух листов совместно
при сверлении по разметке отдельно каждого листа
100
100
100
101
95,6
93,5
нужно производить по кондуктору с жесткими допусками на межцентровые расстояния t и t'Q.
После сверления каждое отверстие необходимо протягивать или развертывать под требуемый размер. Этот метод весьма трудоемок, требует оснастки, высокой точности и все же не гарантирует одинаковую посадку болтов в листах.
Более надежен и производителен процесс, когда сначала отверстия меньшего диаметра сверлят раздельно по кондуктору или по направляющим отверстиям в одном из листов, а затем листы совмещают и производят протяжку отверстий одновременно во всех листах. Одновременная окончательная разделка отверстий при установке силовых точек с натягом обеспечивает равномерное включение их в работу, при этом соединение выдерживает высокие напряжения смятия сгСмпц.
При расчетах необходимо помнить, что характер распределения усилий по силовым точкам влияет (через тСр) на величину [см. формулу (10)]. При расчетах и испытаниях соединений ПШ, разрушающихся от среза силовых точек, изменение гср сильно влияет на <р, а для соединений ВПШ, разрушающихся по листу, это влияние мало ощутимо.
Так, например, для соединения ПШ (заклепки из сплава Д18) при тср=19 кГ/мм2 коэффициент ср=0,4. При тех же условиях, но с заклепками из другого материала (сплав В65), т. е. при увели-138
чении тСр до 25 кГ!мм2 (или примерно на 30%) коэффициент ф возрастет до 0,5 (на 25%).
Для соединения же ВПШ, разрушенному по листу, при тср = = 19 кГ1мм2 коэффициент ф = 0,68, а при увеличении тср на 30% ко* эффициент ср = 0,72, т. е. увеличивается всего лишь на 6%.
Способы образования гнезд под потайные головки заклепок и винтов (болтов)
В современных конструкциях из легких сплавов (летательных аппаратах, судах, автомобилях и т. д.) 70—80% общего количества силовых точек выполняются заклепками, винтами (болтами) с потайными головками.
В зависимости от сочетания толщин соединяемых деталей гнезда для головок заклепок (винтов, болтов) изготовляют зенкованием или штамповкой, или зенкованием и штамповкой; в последнем случае гнездо для головки во внешних тонких листах штампуют, а в нижних толстых — зенкуют.
В соответствии с процессами образования гнезд существуют четыре способа потайной клепки (табл. 38), условно обозначенных Д S, С и D.
Тип закладной головки оказывает значительное влияние на прочность вследствие того, что в соединениях с потайными головками в сечении листа наблюдаются резкие переходы, возникающие при зенковании или штамповке гнезд. Эти резкие переходы являются источниками дополнительной концентрации напряжений, которых нет в листах с отверстиями, просверленными под заклепки или болты с выступающими головками. Полезная площадь сечения листа Fz в соединениях с потайными головками меньше, чем в соединениях с выступающими головками. Условия работы силовой точки с потайной головкой в соединении также отличаются от условий работы силовой точки с выступающей головкой.
Работа соединения на с р е з. На фиг. 88 показана схема нагружения заклепки при зенковании верхнего листа. Заклепка работает в условиях сложного напряженного состояния, испытывая напряжение среза под действием силы Р и растяжения от силы.
Q = Ptga. (71)
Соединение разрушается от среза стержня и отрыва головки (фиг. 89). Соединения, выполненные заклепками с выступающими головками (фиг. 90), разрушаются от среза стержня.
В зависимости от сочетания толщины листа и диаметра силовой точки изменяются и условия разрушения, т. е. соотношение между усилиями растяжения и среза.
Многочисленные эксперименты, проведенные автором, показали, что при di/^^0,5 соединения, выполненные заклепками с углом 90°, разрушаются при наименьшей разрушающей нагрузке (фиг. 91). Поэтому целесообразно применять для соединений потайными заклепками с углом головки 90 и 120° отношение 6i/d>0,5.
139
Основные операции различных
Содержание
Условное обозначение способа Условия применения сверление или пробивка отверстия зенкование или штамповка гнезда для головки сверление отверстия в обшивке
А Bi < h s < d 1
В < h s < 0,54/
С VA Й. Sr EUZj ч
D ! >h ши® \ Г !
При отношении 6i/cZ^0,75 прочность соединения потайными заклепками ЗУ-90° и ЗУ-120° максимальна и достигает прочности соединений заклепками ЗК (фиг. 92).
Весьма показательны результаты сравнения прочности соединений с потайными и выступающими головками при работе на вибрационные и повторные статические нагрузки (табл. 39 и фиг. 93).
Образцы! серий 114 и 182 разрушались от среза- заклепок, а серий 104 и 139 по листу.
Коэффициент прочности шва ф соединений с заклепками ЗК выше на 20—35%, чем соединений с потайными заклепками ЗУ-90° с зенкованными гнездами.
Коэффициент выносливости фв.ю у соединений с выступающими головками больше, чем у соединений, выполненных потайной клепкой.
При повторных статических нагрузках число циклов до разру-
140
Таблица 38
способов потайной клепки
операций
штамповка гнезда для головки
рассверливание отверстия для заклепки после штамповки гнезда для голов-
установка заклепки в отверстие
штамповка заклепкой
гнезда для ее головки
образование замыкающей головки
шения соединения с заклепками ЗК в 7—8 раз больше, чем соединений с заклепками ЗУ-9О0. Следовательно, при di/d=O,4 заклепки с выступающими головками обеспечивают большую прочность, чем с потайными головками (с зенкованием гнезда) при всех видах нагружения.
Поэтому всегда, когда возможно, лучше применять заклепки и болты с выступающими закладными и замыкающими головками. Помимо более высокой прочности и выносливости соединения, уменьшается его трудоемкость по сравнению с соединениями с потайными болтами или заклепками, так как отсутствует операция зенкования гнезд под головки.
Прочность на срез потайных соединений, выполненных различными способами, в значительной степени зависит от отношения 6jd. Для наиболее употребительных сочетаний толщин листов и диаметров силовых точек прочность соединений В и С
141
Фиг. 88. Схема нагружения потайной заклепки в соединении с зенкованным гнездом.
Фиг. 89. Процесс разрушения потайной заклепки.
Фиг. 90. Характер разрушения соединения на заклепках с выступающей головкой.
142
хСр кГ/ммг
26-
25
29
23
22
21
20
19
16
17
16
15
19
13
12
11 -ю-
9' 4 I
//
о
/
I Ч~ I
Соединения „Я* и об"заклепками ЗУ-90 ! - однорядное 03мм 1 заилен на в - двухрядное 09 мм 2 заилен ни---
• -однорядное <2)5мм 3 заилении
-ддихрядное 0 9 мм 6 заилепон —— *-двухрядное 03 мм 6 заилепон • - доулрядное 09 мм 12 заклепок а - двухрядное 0 9 мм 29 заклепки — -— Характер рпзрушения ——разрушение заклепок*,—разрыв листа
0,2 О,J 0,9 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 U 1,2 1,3
Фиг. 91. Разрушающие нагрузки (напряжения) для потайных соединений при различных отношениях б/d.
143
Фиг. 92. Напряжение тСр при разрушении соединения с различного вида закладными головками.
144
Фиг. 93. Прочность различного вида клепаных соединений при испытании повторными статическими нагрузками.
10 1125
145
Таблица 39
Показатели прочности соединений, выполненных заклепками
с выступающими и потайными головками (8j/rf=0,4; листы из сплава Д16-Т; заклепки из сплава Д18), при работе на срез
Вид шва ПШ ВПШ
Число заклепок в шве 6 6 15 15
Тип заклепки ЗК | ЗУ-90° ЗК 1 ЗУ-90° i
№ серии образцов 114 182 104 139
Результаты испытания статической нагрузкой 0,47 0,4 0,79 0,58
—- — 1,05 1,32 1 । I ;
— — 1,25 | 1,7
Вид разрушения Срез заклепок Разрыв листа ,
Результаты испытания вибрационной нагрузкой при аср=10 кГ!мм2 ?ВЮ 0,25 0,21 0,4 0,2
Результаты испытания повторными статическими нагрузками ?П5000 0,46 0,27 0,6 —
^П15 8 1 — —
^П25 — | — 7 1
(см. табл. 38) больше, чем соединений, выполненных силовыми точками с выступающими головками.
Разрушение соединения по силовым точкам (фиг. 89), происходит в условиях сложного напряженного состояния, причем величина разрушающей нагрузки при срезе силовых точек не постоянна, а изменяется с изменением отношения bi/d (фиг. 91).
В связи с этим были проведены специальные исследования, для которых автором была скомпонована установка из двух испытательных машин, позволяющая создавать одновременно напряжения растяжения и среза (фиг. 94).
По результатам испытания образцов проволоки из сплава Д18 составлены табл. 40 и 41 и построена диаграмма сложного напря-
146
Фиг. 94. Установка, состоящая из двух испытательных машин, для исследования сложного напряженного состояния «растя-жение-|-срез».
10*
147
женного состояния (фиг. 95), в которой по горизонтальной оси отложены напряжения растяжения о, а по вертикальной — напряжения среза тср. Напряжения сг0 и То отнесены к первоначальной площади сечения проволоки, а напряжения S и ти — к действительной площади f в момент разрушения. Изменение площади f показано на фиг. 95.
Таблица 40
Зависимость нагрузки на срез (Р) от нагрузки на растяжение (Q)
Растяжение под действием силы Q кГ
0 50 75 100 125 150 200 250 300 350 400 430
270 257 257 265 262, 249 250 225 215 170 90 0
Срез под дейст- 262 255 262 251 255 250 — — 205 — 115 0
вием силы Р кГ 260 266 263 256 255 252 — — 202 — — —
276 — — 250 — — — — 210 — — —
Р 267 260 260 255 258 250 250 225 208 170 103 0
Среднее . значение ’ мм 3,96 —- 3,96 3,9 3,96 3,95 3,94 3,92 3,90 3,82 3,53 2,7
f, мм2 12,31 — 12,31 — 12,31 12,25 12,2 12,06 11,94 11,46 9,8 5,7
Связь между S и тп можно представить схематически (фиг. 96). Возьмем на прямой тср—сгв точку k, определяющую текущие значения сгг и т2.
Прямая Е, соединяющая точку k с началом координат, образует с направлением т угол а.
t2 = Ecos<x; <з2 —Esina.
Из треугольников ОАК и ОАБ найдем
f = -. (72)
sin a COS a
% Tcp
При изменении a от 0 до 90° величина Е соответственно изменяется от тСр до ов, проходя через минимальное значение.
Угол соответствующий минимальному значению Е, является критическим, при котором разрушение происходит при минимальной нагрузке.
В зоне изменения а от 0° до ак материал разрушается главным образом от напряжения среза, а в зоне от ак до 90° — превалирующее значение имеют напряжения растяжения. С достаточной для практических целей точностью ак можно определять, воспользовавшись коэффициентом относительно сужения ф.
МВ
Таблица 41
Напряжения растяжения и среза (по данным табл. 40)
№ эксперимента Растяжение Срез
Q кГ S кГ[млР ао ,кГ[мм2 Р кГ ти кГ/мм2 го кГ[мм2
1 0 — — 267 — 21,7
2 50 4,05 4,05 260 21,1 21,1
3 75 6,1 6,1 260 21,1 21,1
4 100 8,1 8,1 255 20,7 20,7
5 125 10,02 10,02 258 21 21
6 150 12,3 12,2 250 20,4 20,3
7 200 16,5 16,2 250 20,4 20,3
8 250 20,8 20,3 225 18,7 18,3
9 300 25,2 24,3 208 19,1 17
10 350 30,8 28,4 170 14,9 13,8
11 400 40,8 32,5 103 10,5 8,3
12 430 76 35 0 — —
^=-^=4. 100%, (73)
/о
где fo — площадь поперечного сечения образца (заклепки — проволоки) до испытания;
f—площадь поперечного сечения образца заклепки после испытания.
Определим / из уравнения (73):
<Ио = / л /= / /1________
100 J 0 \ 100/ *
Разрушающая нагрузка
откуда
с =—-------, (74)
8 1-i
100
где сгв — предел прочности материала заклепки (напряжение при разрушении, отнесенное к площади /о);
а в — напряжение при разрушении, отнесенное к площади f.
149
Из треугольников, связывающих о; т; тср и Е (фиг. 96) при Дшп» определим
"Др
tga= —.
%
Подставив вместо с/ его значение из формулы (74), получим
По формуле (75) были подсчитаны значения критических углов ак для ряда материалов (табл. 42).
Таблица 42
Значение ак для различных материалов при сложном напряженном состоянии под действием растяжения и среза (значения тср; ав; ф взяты по справочнику „Машиностроение", т. 4 |51])
Марка материала гср к Г /мм- ав Ф ак
Дуралюмин Д18 17 30 50 16
Дуралюмин Д16-Т 26 46 30 22
Сталь ЗОХГС 60 100 45 31
Дуралюмин В95-Т 32 54 23 24
Характер изменения напряжения т0 и сг0 при сложном напряженном состоянии, установленный на образцах из сплава Д18, подтверждается экспериментами, проведенными на других металлах.
С. В. Серенсен в работе «Прочность металла и расчет деталей машин» [52] на стр. 44 приводит диаграмму, которая показывает связь между тио при одновременном действии растяжения и кручения (фиг. 97). Там же упоминается, что такой характер кривой, полученной Тэйлором и Квиннеем, подтверждается опытами Роша и Энхингера. Если напряжения тио, представленные на фиг. 97, отнести к истинной площади, то по аналогии с фиг. 96 можно получить прямую зависимости между S и ти.
Наличие критического угла ак, при котором соединение выдерживает наименьшую нагрузку, подтверждено многими экспериментами автора.
На фиг. 98 приведены результаты испытания специальных образцов с отогнутыми под углом а кромками (заклепки из сплава Д18). Испытания показали, что при а~15° соединение разрушается при наименьшей нагрузке, следовательно, подтверждается, что для сплава Д18 критическое значение ак=15—18°, как было определено при испытании проволоки (фиг. 95) и по формуле (75).
На фиг. 99 приведен график, подтверждающий наличие критического угла ак и минимальной нагрузки Р, построенный по результатам испытания соединений при сложном напряженном
150
гА;
Ж"
Фиг. при НИИ
97. Связь между тио одновременном растяже-и кручении, по данным С. В. Серенсена [52].
Фиг. 98. Изменение прочности соединения в зависимости от угла а°.
(заклепки Д18, экспериментальные точки — среднее из пяти
151
состоянии в специальном приспособлении. Приспособление позволяет определять разрушающую нагрузку, устанавливая образец под различными углами.
Наличие критического угла при разрушении соединений в условиях сложного напряженного состояния подтвердилось и при исследовании соединений с односторонним подходом [40]. Результаты испытаний указанных соединений с заклепками из сплава Д18 в приспособлении (фиг. 99) помещены в табл. 43.
Таблица 43
Влияние угла а на величину разрушающей нагрузки для заклепочных соединений [40]
Тип потайных заклепок Разрушающая нагрузка в % при величине угла а
0° 22,5° 45° 67,5° 90°
Обычные стержневые 100 92 120 120 130
Взрывные двухкамерные 100 90 110 по 115
Гайко-пистоны 100 85 90 95 110
С сердечником (черри) 100 70 80 90 115 1
Из таблицы видно, что для всех видов соединений разрушающая нагрузка является наименьшей при ак = 22,5°.
В зависимости от сочетания толщины точки шения срезе,
пряжениями растяжения и среза (фиг. 89 и 100), в соответствии с чем изменяется и величина суммарной разрушающей нагрузки (см. фик 91, 92).
D
листа и диаметра силовой изменяются и условия разру-потайных соединений при т. е. соотношение между на-
Фиг. 100. Схема действия сил при разрушении заклепки в соединении со штампованным
Фиг. 101. Схема разрушения шва по листу.
гнездом.
Рассматривая разрушения по листу в соединениях со штампованными гнездами (тип В или С), можно предположить две схемы (фиг. 101):
152
1} линия разрыва проходит по сечению х—х. Величина разрушающей нагрузки на расчетную полосу шириной I
р;г= (ГО)4-2^8Л1; (76)
2) линия разрыва проходит по сечению х'—х'. Тогда
PF2 = t\^ (7/)
В том и другом случае разрушающая нагрузка больше, чем для соединений с выступающими головками (см. формулу (3)). На основании выражений (3), (76) и (77)
Разрушение будет происходить по сечению х'—х'\ так как площадь разрыва в этом сечении меньше чем в сечении х—х. Такой характер разрушения подтверждается экспериментально.
Соединение со штампованными гнездами имеют высокий коэффициент прочности шва ср, так как в них нет сечений, ослабленных сверлеными отверстиями, и прочность снижается только вследствие концентрации напряжений около гнезд и в зоне изгиба листа. Коэффициент у для соединений типа В и С равен 0,9—0,95. Наивыгоднейшее число силовых точек в соответствии с формулой (5)
^сТс^ср
Так как лист со штампованными гнездами не ослабляется (как это имеет место при сверлении), то &z=0, поэтому и выражение 7^zfo<yB = 0.
Коэффициент £с учитывает изменение напряжения тСр Для соединений, выполненных штамповкой (см. ниже).
Разрушение листа толщиной б] в соединении со штампованными гнездами (фиг. 102, а) происходит по касательной к диаметру головки заклепки, а в геометрически подобном соединении D (фиг. 102,6) с зенкованными гнездами — по линии, проходящей через центры заклепок. Такой характер разрушения сохраняется при всех видах нагружения — статическом, вибрационном и повторно-статическом для соединений с <р>0,6; у соединений с ф<0,6 при статических нагрузках возможен срез силовых точек или смешанный характер разрушения (см. фиг. 102,6).
Прочность соединений типов В, С, D при разрушении статической нагрузкой по сравнению с прочностью соединения заклепками ЗК иллюстрируется фиг. 103.
Результаты вибрационных испытаний показали, что выносливость соединений с зенкованными гнездами (способ D), выполненных заклепками, болтами или винтами, ниже при всех режимах нагружения, чем соединений со штампованными гнездами (способ В) на 10%. Так, например, предел выносливости при аСр =
r/шт^е ;'v
л * »
4 * i i
Фиг. 102. Характер разрушения соединений со штампованными и зенкованными гнездами.
151
— 5 кГ/мм2 составляет 5,7 кГ)мм2, а соединений с Зенкованными гнездами — 5,2 кГ/мм2.
По результатам испытания повторными статическими нагрузками видно, что выносливость клепаных соединений со штампованными гнездами выше, чем соединений с зенкованными гнездами (табл. 44). Особенно заметна разница в выносливости соединений из сплавов МА8 и Д16А-Т, достигающая 50 % •
Результаты сравнительной оценки прочности и выносливости соединений, выполненных способами С и D, и соединений с выступающими головками приведены в табл. 45. Наибольшую статическую прочность при срезе имеют соединения с зенкованными и штампованными гнездами.
Фиг. 103. Прочность образцов соединения на срез, склепанных различными методами.
Изложенное и выносливость
выше показывает, что потайных соединений
на статическую прочность оказывают значительное
влияние способ образования гнезд и соотношение размеров §\/d.
Таблица 44
Число циклов до разрушения заклепочных соединений со штампованными гнездами (способ В) и зенкованными гнездами (способ D) згпах- 5 кГ/мм2
Характеристика пакета листов Способ D клепки В 8' ?п-5” nd
§1=0,8 мм, сплав МА8 §2=1,0 мм, сплав МА8 Заклепки ЗУ-1260 хЗ, сплав АМг5 5167 6825 6818 7828 6800 6525
Среднее значение 6270 7050 1,12
§!=0,8 мм, сплав МА8 §2=1,0 мм, сплав Д16А-Т Заклепки ЗУ-120°хЗ, сплав АМг5 6738 8624 6552 10 951 10 774 11 115
Среднее значение 7300 10 950 1,5
155
Таблица 45
Прочность соединений при срезе в зависимости от способа образования гнезд под потайные головки (при 0,4)
Соединение С выступающими головками С потайными головками
В 1 с °
<р в % 100 130 150 75
В соединенях, выполненных силовыми точками с выступающими головками, при срезе силовых точек приведенное напряжение
п ср
и его можно найти в соответствующих справочниках.
Для определения напряжения среза в потайных соединениях, примем, что приведенное напряжение
\ = (78)
где £с — коэффициент, учитывающий влияние на тср отношения и способа образования гнезд.
Экспериментально установлено, что при 5i/d=0,75 для соединений с заклепками ЗУ-90° прочность при срезе потайных и непотайных соединений одинакова.
Графики зависимости £с—bi/d для различного вида соединений приведены на фиг. 104, где нанесены и экспериментальные значения £с-
Работа соединения на отрыв. Прочность заклепочных и болтовых соединений при работе на отрыв, как и характер разрушения, зависят от марки материала листов и силовых точек, формы закладной головки и сочетания толщин листов и диаметров заклепок или болтов.
Разрушение может произойти от разрыва листа, кольцевого среза закладной или замыкающей головки или от разрыва стержня силовой точки. Заклепочное соединение обычно конструируют с таким расчетом, чтобы оно разрушалось при растягивающих статических нагрузках не по листу, а по заклепкам. Для того, чтобы найти условия такого характера разрушения, было проведено экспериментальное исследование заклепочных соединений с заклепками различных типов. Материал листов — сплав Д16-Т (ов = = 43 кГ/мм2), а материал заклепок — сплав Д18 (тср = 20 кГ)мм2 и ог3=Зб кГ]мм2).
Приведенный на фиг. 105 график показывает зависимость разрушающих нагрузок для соединения с заклепками диаметром 3 мм от толщины листов. Каждая экспериментальная точка есть — среднее из пяти испытаний. На графике четко выражены границы перехода от разрушения по листу к разрушению по заклепкам.
156
Фиг. 104. Значение £с для соединений из легких сплавов.
/—потайная клепка способами В и С, 2—потайная клепка способом D, 3—соединение заклепками ЗК.
Фиг. 105. Результаты испытаний соединений на отрыв.
157
Практически прочность соединений на заклепках ЗПЛ и ЗК одинакова, как и соединений с потайными заклепками ЗУ-90° п ЗУ-120°.
Прочность при отрыве соединений с потайными заклепками на 25% ниже, чем соединений, выполненных заклепками с выступающими головками.
При работе на отрыв для соединений, клепанных по способу D, прочность определяется по формулам (17) —(20). Те же формулы можно рекомендовать для подсчета прочности соединений, выполненных способами А, В и С. Значения ?л в формуле = = рлПв^6 приведены в табл. 46.
Таблица 46
Значение рл для заклепок и болтов
Тип заклепок (болтов) С выступающими головками С потайными головками (ЗУ-900)*
ЗК ЗПЛ В с D
Рл 1,65 1,73 1,30 1,25 0,85
* Для заклепок и болтов ЗУ-1200 значения рл на 1,1 больше. '
Увеличение коэффициента рл для потайных соединений Л, В, С по сравнению с соединением D объясняется тем, что площадь
Фиг. 106. Прочность различного вида соединений на отрыв.
сечения при разрыве листа толщиной 61 больше, так как в этом листе нет зенкованных гнезд.
Построенный по результатам испытаний график (фиг. 106) показывает, что при малых отношениях di/tZ прочность на отрыв потайных соединений В, С, D ниже, чем соединений ЗК-
При увеличении отношения прочность потайных соединений В, С, D повышается; при определенной величине отношения она максимальна и ограничивается прочностью закладной головки заклепки
при кольцевом срезе.
Границьи перехода от одного вида разрушения к другому соответствуют точкам равнопрочности соединений в смежных зонах.
Решая совместно уравнения (17) — (20), можно аналитическим путем найти границу перехода от одного вида разрушения к другому. Переход от разрушения по листу к кольцевому срезу голов
158
ки определяется равенством разрушающих нагрузок, подсчитываемых по уравнениям (17) и (19), т. е.
Решив эти уравнения относительно b/d, получим точку перехода от разрушения по листу к разрушению от среза силовой точки:
/1l'| (79)
\ d /пер
Потайные соединения Л, В, С достигают наибольшей прочности при меньшем отношении b\/d, чем потайные соединения D и соединение заклепками с выступающими головками ЗК- Так, например, для соединений листов из сплава Д16-Т заклепками В65 отношение (bi/d) равно: для потайных соединений А; В; С — 0,45; для соединения заклепками ЗК — 0,5; для потайных соединений D — 0,65.
Максимальная прочность соединений В; С; D на отрыв примерно на 20% ниже, чем соединений заклепками с выступающими головками из-за меньшей высоты потайной головки h по линии среза.
мости разрушающей нагрузки от толщины листа для различных типов заклепок (материал листов Д16-Т, заклепок Д18).
/—срез головки заклепки ЗПЛ, 2—разрыв стержня для заклепок всех типов, 3—экспериментальная кривая для заклепок с выступающими головками, -/—срез головок заклепок ЗК, 5—срез головок заклепок ЗУ-9О0, 6~экспериментальная кривая для заклепок .с потайными головками, 7—срез головок заклепок ЗУ-120°.
159
Решая таким же методом другие уравнения, можно определить точки перехода и характер кривых, определяющих прочность различного вида потайных соединений. На фиг. 107 приведены аналитические и экспериментальные кривые зависимости статической разрушающей нагрузки при отрыве от соотношения толщины и диаметра заклепок из сплава Д18 для листов из сплава Д16-Т.
Из графика видно, что теоретические кривые хорошо совпадают с экспериментальными.
Рассмотренные примеры показывают, что при рациональном сочетании геометрических параметров шва и способов выполнения отверстий можно получить наибольшую прочность соединения.
3. ХАРАКТЕР ПОСАДКИ ЗАКЛЕПОК И БОЛТОВ В ОТВЕРСТИЯ
Напряженное состояние в листе при различной посадке болтов и заклепок
Для обеспечения возможности сборки соединяемых деталей отверстия в них и межцентровые расстояния между отверстиями ограничивают допусками. Формулы для расчета допусков приведены в книгах по взаимозаменяемости и техническим измерениям [50]. Некоторые расчетные формулы этого типа приведены в разд. «Совпадение отверстий в соединяемых элементах».
Величина допуска (характер посадки болта или заклепки в отверстие) в значительной степени влияет на процесс сборки и на прочность соединения.
С точки зрения технологии желательно, чтобы была предусмотрена посадка болтов в отверстия с большими зазорами, так как это снижает затраты на изготовление болтов, обработку отверстий и процесс сборки.
С точки зрения прочности и выносливости соединения свободные посадки не желательны, так как увеличивают неравномерность распределения усилий по болтам и концентрацию напряжений около отверстий, что приводит к снижению прочностных показателей.
Опубликован ряд работ [5, 16, 36, 31, 47], в которых приведены данные о влиянии посадки болтов на прочность соединений. Однако этот вопрос еще исследован очень слабо, выводы о влиянии посадки на прочность соединений мало обоснованы и противоречивы. В значительной мере это объясняется отсутствием работ, рассматривающих в комплексе влияние характера посадок на прочность соединений.
В настоящей книге автор не ставил задачу теоретического исследования влияния посадок на прочность различного вида соединений. Ниже рассматриваются лишь некоторые схемы напряженного состояния листа при различных посадках.
Как и в работе [31], опубликованной ранее, будем характеризовать посадку отношением диаметра болта к диаметру отверстия db/d0. Примем также, что при проведении экспериментов величина dg соответствует фактическому диаметру болта с точностью до 160
0,001 жж, а при расчетах — среднему значению диаметра болта с учетом допуска на посадку. То же относится и к диаметру отверстия.
На фиг. 108 приведены значения диаметров отверстия и бол-^з
та (вала) для 3-й прессовой посадки ( Пр^ ) при номинальном диаметре. 6—10 мм. Среднее значение d^—10,085, среднее значение do= 10,0015, отношение d<-Jda = 1,007. Обычно отношение
Фиг 108. Прессовая в системе отверстия
диаметров 6-НО мм
3-я посадка
в интервале
/ Л, \
\ ПР33/
Фиг. 109. Эпюры напряжений в листе от посадки.
d^do для различных видов соединений колеблются в пределах от 0,9 до 1,1:
^б/^о
горячая клепка черных металлов...................... 0,94-0,98
холодная клепка легких сплавов...................... 1,014-1,08
при установке болта диаметром 10 мм по широкоходовой посадке 4-го класса точности ............... 0,96
Рассмотрим в качестве примера напряженное состояние в листе с отверстием, в которое запрессован болт, и прочность такого образца при разрушении по листу.
Около отверстия в листе возникнут напряжения сжатия: радиальные dr и касательные (от посадки) (Тпос. Величина этих напряжений зависит от марок материала листа и болта, их размеров и характера посадки болта в отверстие (фиг. 109).
Если лист не нагружен, то свободная посадка болта не вызывает в нем напряжений, а посадка с натягом создает напряженное состояние в листе и при отсутствии нагрузки. Напряженное состояние в листе от посадки с натягом рассматривается в ряде работ по теории упругости [13, 15]. Однако рассчитать на основании этих работ действительное напряжение для реального соединения не представляется возможным, и решение дает качественную, а не количественную оценку напряженного состояния.
И 1125
161
Г. Н. Савин [13] указывает, что благодаря ряду важных допущений, упрощающих задачу теории упругости, решения ее не точны; теоретические решения будут тем точнее, чем меньше отверстие по сравнению с шириной листа. Вопрос о том, при каких соотношениях d/B (или t/d) решение можно считать достаточно-точным, должен быть решен экспериментальным путем.
Кроме того, напряженное состояние в листе рассмотрено только в условиях упругих деформаций и совершенно не изучено для случая упруго-пластических деформаций и процесса разрушения листа. Необходимо проведение дальнейших теоретических и экспериментальных исследований в этой области.
Выше было установлено, что при образовании замыкающей головки заклепки происходит увеличение диаметра стержня заклепки и уплотнение материала стенок отверстия, вызывающее в листе напряжения сжатия.
О степени упрочнения листа от посадки заклепки можно судить по изменению твердости материала. На фиг. ПО построена пространственная диаграмма, характеризующая твердость по Виккерсу в различных точках ненагруженного соединения. Упрочнение материала листа в зоне отверстия составляет примерно 5%, а упрочнение материала стержня заклепки 5—8%. Твердость нарастает плавно, без скачков, что указывает на отсутствие значительной концентрации напряжений, могущей служить причиной разрушения соединения при нагружении. Следовательно, хотя при установке заклепки в листе возникают напряжения сжатия, но они не являются критическими для прочности соединения.
Опубликованных исследований напряженного состояния в листовом металле при посадке болта с натягом автору обнаружить не удалось. Однако имеются работы по дорнированию отверстий, при котором в материале листа создается напряженное состояние такого же характера, как при посадке в отверстие болта с натягом.
Как при дорнировании, так и при посадке с натягом, происходит деформация поверхностного слоя, повышается его микротвердость и сглаживаются микронеровности, а в поверхностном слое возникают сжимающие напряжения. Так, при дорнировании отверстий диаметром 10 мм в стали ЗОХГСА при увеличении диаметра отверстия на 0,1 мм микротвердость поверхности увеличилась с 340 до 500 кГ/мм2. В поверхностном слое толщиной 150 мк возникло остаточное напряжение сжатия 45 кГ/мм2.
Было установлено [36], что при дорнировании с повышением прочности материала возрастают сжимающие напряжения и толщина упрочненного поверхностного слоя. Если иметь в виду, что при дорнировании оптимальная величина натягов — отношение диаметров дорна и отверстия равно 0,01 [54], то указанная выше величина напряжения сжатия листа близка к напряжениям, возникающим при посадке болтов с натягом.
Рассмотрим напряженное состояние в листе с заполненным при различных посадках отверстием. Характер напряженного состояния можно определить по микротвердости.
162
Фиг. 110. Диаграмма твердости материала заклепки илиста при ненагруженном соединении.
11*
163
На фиг. Ill приведены кривые равной микротвердости (изосклеры) для листа в нагруженном состоянии при посадке болтов с зазором и натягом. При нагружении такого листа через болт (штифт) образуются различные зоны напряженного состояния. При посадке с зазором напряженная зона располагается с одной стороны, ширина ее изменяется от d/2 до какой-то величины <р, соответствующей посадкам с большим зазором (фиг. 112, а).
Различная степень заполнения отверстия вызывает различную концентрацию напряжения в опасном сечении листа х—х.
Фиг. 111. Напряженное состояние листа при свободной посадке (а) и посадке с натягом (б).
Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования концентрации напряжений в листах со свободными и заполненными отверстиями позволяют определить напряжение в зоне концентрации.
Для рассмотрения картины напряженного состояния при посадке с зазором представим себе образец (фиг. 112, а) разделенным по оси на две половины (фиг. И2,г). Половина образца в этом случае будет воспринимать силы Ру и Q.
При посадке с большим зазором, если материал листа не был упрочнен при образовании отверстия, максимальное напряжение в зоне концентрации
(80) если была применена упрочняющая технология, то
®/=°/н + <’<г+( —°упР\ (80а)
где oq — максимальное напряжение, вызываемое силой Q (см. фиг. 112, г);
oiH—максимальное напряжение в зоне концентрации, вызываемое внешней нагрузкой.
Величины силы Q и плеча С приложения этой силы зависят от зазора при посадке болта в отверстие. С увеличением зазора уве-164
личивается плечо С, а следовательно, и концентрация напряжения, вызываемая силой Q.
Такое схематизированное напряженное состояние листа рассмотрено в работе К. Шахтерле [53]. Рассчитанные по этому методу величины коэффициента концентрации напряжений хорошо совпадают с результатами экспериментального исследования фотооптическим методом.
Возникновение дополнительной концентрации напряжений при посадке с большим зазором можно объяснить и расклинивающим действием стержня (болта) при его нагружении, в результате чего в сечении х—х (фиг. 113) происходит местное утонение материала листа (зона Т на фиг. 113). Утонение материала свидетельствует о возникновении в этой зоне значительных растягивающих напряжений.
Фиг. 112. Характер напряженного состояния в листе при различных посадках.
Предлагаемые объяснения, подтвержденные результатами экспериментов, правильно отражают причины возникновения дополнительной концентрации напряжения при посадке с зазором.
В случае посадки болта с натягом напряженная зона D будет значительно больше диаметра болта d (см. фиг. 112,в). Посадка с натягом вызывает дополнительное напряжение сжатия пПос (см. фиг. 109).
Если при образовании отверстия применялась упрочняющая технология, то при посадке болта с натягом произойдет дополнительное сжатие материала.
Суммарная величина сжимающих напряжений будет равна сумме напряжений от упрочнения (см. фиг. 82) и от посадки (см. фиг. 109):
асж °упр °ПОС • (81)
165
Фиг. 113. Зона утонения материала листа при посадке с зазором.
Фиг. 114. Зависимость величины статической разрушающей нагрузки от характера посадки болта в отверстие.
166
*
Создаваемое внешней нагрузкой Р(см. фиг. 112, д) напряжение о^н будет суммироваться с внутренним напряжением сжатия <?сж-
Следовательно при посадке с натягом максимальное напряжение в зоне концентрации
»г=»/я + (-»еж) (82)
или
oi=°iB-(%p + on0C)- (82а)
При переходных посадках максимальное напряжение в зоне концентрации
°/=0/н + (-°упР)- (66а)
Формулы (66а) и (80—82) показывают, что разрушающая нагрузка и критическое значение сч зависит от метода образования отверстия и характера посадки в него болта. Так, при разрушении листа по сечению х—х нагрузка будет изменяться по кривой (фиг. 114). Наименьшей она будет при посадке с максимальным зазором, а наибольшей — при посадке с натягом, пока напряжение Осж'^Пс (пределу прочности при сжатии). При дальнейшем увеличении напряжения оСж в поверхностном слое могут возникнуть трещины и прочность соединения резко понизится.
Концентрация напряжения в листах при испытании вибрационными и повторными статическими нагрузками
При переменных нагрузках выносливость соединений в значительной степени зависит от состояния поверхностного слоя в зоне отверстий. Особенно благоприятно на усталостную прочность влияет упрочнение и уменьшение шероховатости поверхности [45]. Сжимающие напряжения в поверхностном слое (вызванные обработкой отверстия или посадкой с натягом) затрудняют образование усталостной трещины и приводят к повышению предела выносливости (если чрезмерное сжатие не привело к хрупкости поверхностного слоя и образованию в нем трещин).
Оптимальную степень сжатия поверхностного слоя при образовании отверстий или посадке силовых точек можно определить экспериментальным путем.
При испытаниях переменными нагрузками образцов соединений возможны два случая нагружения.
1. Максимальное напряжение в зоне концентрации напряжений меньше предела текучести материала листа (табл. 47, схема б или в):
ох.<ст. (83)
2. Максимальное напряжение в зоне концентрации больше предела текучести:
о.>ат. (83а),
167
Если испытания проводятся при асимметричном цикле растяжения при условии Ог<от, то при разгрузке образца от Р max ДО Emm в зоне концентрации возникнет напряжение растяжения. Если же при испытании напряжение в зоне концентрации будет больше предела текучести, то в листе у краев отверстия возникнут остаточные пластические деформации.
После разгрузки образца эти деформации будут препятствовать возвращению материала в исходное состояние, вследствие чего в сечении возникнут уравновешивающие напряжения разного знака (см. табл. 47, схема д). При испытании образцов со свободным отверстием или с отверстием, в которое болт установлен с зазором, в зоне отверстия возникнут напряжения сжатия —<тж. Следовательно, при 2-м случае нагружения изменяется знак напряжения в зоне концентрации напряжений, что приводит к снижению выносливости материала.
Еще больше выносливость соединения снижается при знакопеременном циклическом растяжении — сжатии. В этом случае в зоне концентрации не только изменяется знак напряжения, но и значительно увеличивается (суммируется) напряжение о* (табл. 47).
Для листов со свободными упрочненными отверстиями и с заполненными отверстиями (посадка с натягом), а также для соединений с установленными с натягом болтами характер напряженного состояния будет одинаков, но напряжения будут переходить из упругой в пластическую область при различных внешних нагрузках Ртах (в зависимости от величины стСж)- Так, при 1-м случае нагружения (табл. 48 схемы б, в, а) напряжение в зоне концентрации складывается из напряжения сжатия и напряжения от внешней нагрузки:
°!=0(н + ( —°сж)<°т- (836)
Напряжение в зоне концентрации в зависимости от натяга и величины нагрузки будет растягивающим (4-ог-) или сжимающим (—««)•
Перемена знака напряжения в зоне максимальной концентрации напряжений зависит от сочетания величин напряжений от сжатия и напряжений, вызываемых нагружением и разгружением листа ОТ Ртах ДО Emin.
Если по абсолютной величине
°/н<°сж. (84)
то при нагрузке образца до Етах и разгрузке до Ет1п в зоне концентрации будет напряжение сжатия (табл. 48, схемы б, вид).
Если
СЧ н^Осж, (84а ।
то при нагрузке до Етах будут напряжения растяжения (табл. 48, схема г), а при разгрузке образца до Emin в зоне концентрации останутся напряжения сжатия (табл. 48, схема д).
168
Таблица 47
' Напряженное состояние в листах со свободными неупрочнениыми отверстиями или с отверстиями, в которых болт установлен с зазором при испытании вибрационными и повторными статическими нагрузками
Характер нагружения Величина нагрузки Максимальное напряжение в зоне концентрации
1-й случай нагружения 2-й случай нагружения °/>°т
Асимметричный цикл растяжения Ршах^ 0 схема б или схема в схема б или схема в
^min^ 0 а/=а- или схема г схема д
Знакопеременный цикл (растяжение 4-4-сжатие) ^тах> (растяжение) схема б или схема в а1=а1н схема б или схема а
Р min<0 (сжатие) ai=z—ain=z(j. схема е О; == — О/н4-4- (—°дг)
169
Таблица 48
Напряженное состояние в листе с заполненным^ натягом) •отверстием и в листе с заполненным с натягом и нагруженным отверстием при асимметричном цикле растяжения повторными статическими или вибрационными нагрузками
Нагрузка Максимальные напряжения в зоне концентрации напряжений
1-й случай нагружения н + ( — асж) < °Т 2-й случай нагружения °/=°/нЧ~(— °сж) > ат
^шах>0 ст/н<стсж; = — (схемы б; в) ai н>стсж,’ = + Of (схема г) а£н<стсж> CTZ — 4“ai ст/н->асж> ~ Ч- (схема г)
Р min— 0 а(н<асж> а/ = — <?сж = — (схема д) СТ4Н>асж! <4 = — °сж = — (схема д) ст/н<асж,‘ а/ = (схема д) CTz Н>стсж1 а/ — —
170
При 2-м случае нагружения и приложении нагрузки Лпах в зоне концентрации возникнут напряжения растяжения (табл. 48, схема г).
Уменьшение нагрузки до Pmin приводит к изменению знака напряжения, и в зоне концентрации будет действовать напряжение сжатия — ст/ (табл. 48, схемы д, е).
Прочность и выносливость листа с отверстиями при нагружении его через болты будет различной в зависимости от характера посадки болтов. Выносливость такого вида образца, определенная при асимметричном цикле растяжения, будет изменяться, как показано на фиг. 115, на которой по формулам (80) — (84) и табл. 47 и 48 при Рщах и сГгн = const построен ряд кривых. Кривые 13, /н и 1' соответствуют 1-му случаю нагружения, когда сГг<от, и кривые 23, 2н и 2' - 2-му случаю нагружения, когда 6i>от.
При вибрационных нагрузках могут иметь место оба случая нагружения, а повторные статические нагрузки относятся в основном ко 2-му случаю нагружения.
На фиг. 115 приведены кривые выносливости образца, характеризуемой эффективными коэффициентами концентрации (Зп или Рв. Характер кривых будет таким же и при сравнении прочности и выносливости образцов по другим показателям (табл. 23). Кривые на фиг. 115 показывают, что начиная с точек щ=ат; ог=ат; аг-=СГв ИЛИ СГг=СГв прочность и выносливость резко снижаются.
Кривые (фиг. 114 и 115) показывают, что прочность и выносливость листа зависят от напряжения сжатия (метода образования отверстия и характера посадки) и величины прилагаемой переменной нагрузки.
Влияние характера посадки на жесткость, прочность и выносливость соединений при статических, вибрационных и повторных статических нагрузках «
Сделанные выше выводы о влиянии характера посадки болтов (заклепок) на прочность листа относятся и к прочности соединения.
Структура формул и характер кривых, определяющих прочность и выносливость соединения, будут такими же, как и для листа, однако величина напряжений в зоне концентрации, в соединении и в листе будет различной, так как в соединении возникает дополнительная концентрация от изгиба листов (см. гл. «Концентрация напряжений в элементах конструкции»). Приведем результаты некоторых исследований, посвященных этому вопросу.
При работе соединения под действием статической нагрузки главную роль играет жесткость, от которой зависят сдвиги в швах и величина разрушающей нагрузки.
Жесткость (сдвиги в швах) в значительной степени зависит от характера посадки силовой точки (болта или заклепки) в отверстие.
На фиг. 116 приведены кривые, показыва-ющие сдвиг листа Лл
171
Фиг. 115. Зависимость прочности листа при испытании вибрационной (Рв) или повторными статическими (Рп) нагрузками от характера посадки болта в отверстие (при -Pmax = const; (Г,-H = COnst).
Фиг. 116. Диаграмма «напряжение смятия—сдвиг» в зависимости от посадки.
172
при различных посадках [24]. При посадке с натягом (</бМ> = = 1,06) сдвиг листа при напряжении осм = 40 кГ/мм2 равен примерно 1 % от диаметра стержня болта, а при посадке с зазором (б/б/^о = 0,81) и том же напряжении он составляет 3%.
Результаты экспериментального определения сдвигов при соединении листов из легких сплавов стальным закаленным болтом приведены на фиг. 117. Кривые фиг. 117 показывают, что при нагрузке Р — 1600 кГ сдвиг листов при посадке скольжения второго класса (“^ ) равен ~2,5% d, а при посадке скольжения пятого класса ( ) составляет 5% d.
05
. Следовательно, при увеличении натяга жесткость шва повышается, а сдвиг листов соответственно уменьшается. Это обстоятельство следует учитывать при разработке технологии выполнения болтовых и клепаных герметичных швов и швов, работающих при значительных переменных нагрузках.
Статическая прочность также зависит от характера посадки болта (заклепки) в отверстие. На фиг. 118 приведена экспериментальная кривая зависимости разрушающей лист нагрузки от посадки болта в отверстие. Эта кривая подтверждает полученные на основании теоретических предположений зависимости прочности листа (соединения) от посадки болта (заклепки) (см. фиг. 114).
Как уже указывалось, процесс формообразования замыкающей головки заклепки (прессом и пневмомолотком) существенно влияет на прочность соединения.
Кроме того, прочность клепаного соединения зависит от формы замыкающей головки заклепки. Прочность соединения с полукруглыми замыкающими головками (фиг. 119,6) больше, чем с плоскими (фиг. 119,4).
Влияние степени заполнения отверстия при клепке на прочность листа иллюстрирует диаграмма (фиг. 119). Как видно из диаграммы, прочность полосы с заполненными отверстиями на 4—8% выше прочности такой же полосы, но со свободными отверстиями. Это объясняется тем, что при образовании полукруглой замыкающей головки создается большая плотность посадки, т. е. отверстие заполняется стержнем заклепки с большим натягом.
Изучению влияния плотности посадки заклепки на выносливость заклепочного соединения путем применения подтяжки заклепок на эксплуатируемых самолетах, посвящено исследование, установившее положительное влияние подтяжки ослабленных заклепок и на статическую прочность соединений. Увеличение прочности, хотя и незначительное (на 3—5%) наблюдается на всех испытанных образцах.
Выносливость при вибрационных и повторных статических нагрузках в значительной степени зависит от характера посадки болтов (заклепок) в отверстия.
173
Фиг. 117. Диаграммы растяжения для соединений при различных посадках.
Фиг. 118. Зависимость величины разрушающей нагрузки от характера посадки штифта (материал листа Д16-Т; t!d=§).
174
Опубликовано большое количество работ в СССР и за границей, в которых исследуется влияние характера посадки болтов (заклепок) на прочность и выносливость соединений. В этих работах проводятся исследования частных случаев различных соединений на самых разнообразных по форме и размерам образцах при произвольно выбранных режимах нагружения. Поэтому по результатам опубликованных работ не представляется возможным ни сделать исчерпывающие выводы о влиянии посадки на проч-
Фиг. 119. Прочность полосы в зависимости от образования и степени заполнения отверстия.
/—сверленое отверстие, 2—сверленые и развернутые отверстия, 3—отверстие заполнено заклепкой со спиленными плоскими головками, 4—полоса с расклепанными заклепками, 5—отверстие заполнено заклепкой со спиленными полукруглыми головками, 6—отверстие заполнено заклепкой с полукруглыми головками.
ность соединения, ни сопоставить результаты эксперимента с теоретическими кривыми, приведенными на фиг. 104. Однако боль* шинство работ подтверждает положительное влияние предусмотренных стандартом (ГОСТ) посадок с натягом на выносливость соединений при вибрационных и повторных статических нагрузках.
На фиг. 120 показано болтовое соединение полок лонжерона. Проушина из сплава ДТД 363 (сгв = 55 кГ/мм2) сделана за одно целое с полкой. Были проведены усталостные испытания этого стыка при посадках с натягом 2% (d^/dQ = 1,02) и с зазором [48]. Испытания проводились на ограниченную выносливость при оср= ==10,6 ±2,52 кГ/мм2, т. е. (Утах= 13,12 кГ/мм2, Grmin=8,08 кГ!м,м,2.
Как показали испытания, посадка с натягом дала исключи
175
тельно хорошие результаты; среднее число циклов при посадке с зазором равнялось 0,6-106, а при посадке с натягом — 3,8* 106.
Эффективный коэффициент концентрации в этом случае будет:
При исследовании заклепочных соединений было установлено, что прочность при вибрационных и повторных статических нагрузках соединений, выполненных обычными заклепками, выше, чем соединений, выполненных заклепками с односторонним подходом [40].
Фиг. 120. Стык полок лонжеронов самолета.
Фиг. 121. Зависимость рп от величины подтяжки заклепки . (А%).
₽П5
При работе соединения на срез были получены значения
₽п(1з,6) =-^1=2,5;
'’Одност
М)бычч__у
М)днОст
Объясняется это тем, что при постановке обычной заклепки получается натяг (d^dQ= 1,06), а при постановке заклепок с односторонним подходом стержень только касается стенок отверстия {d6/d,^\).
Большой интерес представляет исследование влияния характера посадки заклепки на выносливость соединения при повторных статических нагрузках. После выполнения заклепочного соединения высота замыкающей головки h=Q,4d и заклепка заполняет отверстие с натягом (djdo> 1).
При нагружении соединения, вследствие смятия листов и заклепок натяг уменьшается и выносливость соединения снижается из-за разупрочнения материала и роста концентрации напряжения в зоне отверстия.
Дополнительная осадка (подтяжка) замыкающей головки увеличивает диаметр стержня, упрочняет материал листа, увеличивает силу трения и снова повышает выносливость соединения. Экспериментально [70] установлено, что подтяжка заклепки на 10—15% по
176
высоте Л, сделанная после однократного нагружения, увеличивает выносливость в 1,5 раза, такая же подтяжка, сделанная после 100—500 нагружений, повышает выносливость соединения в 2,5— 2,7 раза по сравнению с соединением без подтяжки заклепок.
Так как непосредственно определить степень упрочнения материала в зоне отверстия благодаря расширению стержня заклепки при подтяжке невозможно, то оценка проводилась косвенно — по изменению высоты замыкающей головки h и коэффициента рд.
На фиг. 121 приведена зависимость (3^ от величины подтяжки при испытании соединения, работающего на срез повторными статическими нагрузками. Были исследованы две группы образцов; одна группа — непосредственно после клепки в исходном состоянии, другая—после 100-кратного нагружения до напряжения 0,5 Оразр и подтяжки заклепок. Испытание проводилось при Отах^ = const=13 кГ/мм2. При статической нагрузке такой же образец разрушался от среза заклепок при оРазр=19 кГ]мм2 (разрушающее усилие отнесено к площади целого сечения листа).
В этом случае
Q ' NИСХ
Лц1з)=—, ;*под
Фиг. 122. Величина натяга {deld0) при различной величине замыкающей головки h (100% h соответствует высоте замыкающей головки h = 0,4af).
где jVhcx —число циклов до разрушения образца в исходном после клепки состоянии (/г = 100%);
7УПОД-число Циклов до разрушения образца при подтяжке заклепки до 90 % А; 80 % h и т. д.
Таким образом, подтяжка головки на 25—30% h повышает выносливость соединения примерно в 4,5 раза, а дальнейшая подтяжка приводит к понижению прочности соединения. Результаты исследований и обоснование положительного влияния подтяжки (плотности посадки) заклепки хорошо согласуются с проведенными ранее исследованиями [55].
На фиг. 122 приведена кривая, показывающая изменение натяга (d^/do) в зависимости от величины дополнительной (более, чем /г = 0,4<У) осадки замыкающей головки.
Натяг — (отношение d§ldQ) в данном случае определялся по
диаметру отверстия в листе, замеренному после удаления заклепки. Натяг характеризует только пластическую, остаточную деформацию отверстия; если учесть и упругие деформации, то фактические
12 1125
177
величины натяга, т. е. отношения d^/do при данной осадке будут несколько больше, чем приведенные на фиг. 122.
Необходимо обратить внимание на то обстоятельство, что в болтовых соединениях увеличить натяг, после некоторого числа нагружений невозможно, так как происходит обмятие стенок отверстия (если натяг был недостаточен, он может перейти в зазор). В результате прочность соединения снижается и особенно в том случае, когда соединение подвергается вибрационным, повторным статическим или ударным нагрузкам [56].
В связи с этим посадки для болтовых соединений следует выбирать особенно тщательно.
При экспериментальном определении влияния характера посадки на прочность соединения необходимо размеры, форму и режимы нагружения образцов максимально приближать к условиям работы проектируемой конструкции. Если же испытание проводится по программе общих исследований, то в публикуемых материалах необходимо подробно указывать размеры, форму, материал, технологию изготовления образцов и режимы нагружения при испытании, иначе опубликование не имеет смысла, так как их нельзя будет применить в практической деятельности. Так, имеется ряд работ [36, 15], в которых не было обнаружено положительного влияния посадки с натягом на повышение прочности болтовых соединений. Но так как в этих работах отсутствуют необходимые данные об образцах (t/d; di/62; &i/d) и режимах испытания, сделать из этих работ какие-либо выводы невозможно.
4. ОБРАЗОВАНИЕ СИЛОВОЙ ТОЧКИ
Образование замыкающей головки заклепки
В зависимости от вида соединения процесс образования силовой точки заключается в образовании замыкающей головки заклепки или сварной точки, или установке болта и затяжке гайки.
Каждому соединению свойственна своя технология, оборудование и инструмент.
Замыкающая головка заклепки образуется путем осадки выступающей части стержня пневматическим молотком (ударная клепка) или под прессом (прессовая клепка). Ударная клепка разделяется на прямую и обратную, а прессовая — на одиночную и групповую.
Прессы для групповой и одиночной клепки (фиг. 123) снабжены приспособлениями для предварительного сжатия пакета и ограничителями высоты замыкающей головки заклепки. При клепке пневматическим молотком приспособления для сжатия пакета не применяются, а высота замыкающей головки определяется клепальщиком «на глаз». В связи с этим различно и качество соединений, выполненных прессовкой и ударной клепкой.
Прессовая клепка обеспечивает более равномерное заполнение отверстия по толщине пакета и стабильную высоту замыкающей головки заклепки, что дает возможность повысить расчетную ве-178
1
личину напряжения смятия. При сжатии пакета повышается коэффициент трения и улучшается сцепление контактных поверхностей листов, а одинаковая высота замыкающих головок заклепок всего соединения обеспечивает стабильность его прочностных характеристик при работе на срез и отрыв.
Фиг. 123. Способы клепки.
Л—прессовая групповая, Б—прессовая одиночная, В—ударная прямая. Г—ударная обратная, 1—-приспособление для натяжки—сжатия пакета, 2—приспособление для регулирования высоты замыкающей головки заклепки.
Изменение давления сжатия пакета в пределах от 5 до 50 кГ/см2 на прочность клепаного соединения практически не влияет. Однако при давлении свыше 30 кГ/см2 на поверхностях дуралюминовых листов остаются следы от прижимной втулки. Для устранения местных деформаций тонких листов при клепке конструкций из легких сплавов рекомендуется применять давление прижима в пределах 15—30 кГ/см2.
Процесс образования замыкающей головки заклепки показан на фиг. 124. Для потайного соединения при условии, когда b\2>h и головка заклепки выступает на величину ДЛ усилие qx сжатия пакета передается через лист А, контактные поверхности 1, лист Б, контактную поверхность 2 и через головку заклепки на поддержку 3 (фиг. 124, а). Так же передается усилие q2, возникающее при образовании замыкающей головки. После выполнения соединения листы плотно прижаты друг к другу и удерживаются в сжатом состоянии силами q2 в период эксплуатации изделия.
В случае нарушения технологического процесса, когда di<A (фиг. 124, б), усилия 71 и q2 передаются через лист А и контактную поверхность 2 на поддержку 3. Лист Б в сжатии пакета на участ
12*
179
вует, и в таком соединении может возникнуть зазор Д6 между листом и головкой заклепки. То же самое может получиться если 61>/гл но при излишней глубине зенкованного гнезда (фиг. 124, в). В том и другом случае при нагружении соединения верхний лист Б может отойти от листа А, образовав зазор Д61-2 (фиг. 124, а).
При нагружении такого соединения контакт между листами нарушится и лист при изменении направления нагрузки сможет перемещаться вдоль оси заклепки, что приведет к снижению прочности и герметичности соединения.
|«
Фиг. 124. Схема сжатия пакета и передачи усилий при образовании замыкающей головки заклепки.
Рассмотрим, как влияет трение контактных поверхностей, листов на прочность заклепочных соединений.
Выше указывалось, что нагрузка на соединение воспринимается силовой точкой и контактными поверхностями, между которыми возникают силы трения, т. е.
Р = Рз+Рт.
До настоящего времени не было изучено влияние сил трения в конструкциях из легких сплавов на прочность соединений силовыми точками, поставленными с натягом. Силы трения в расчет не принимались и лишь увеличивали запас прочности. Однако изучая влияние технологии на качество соединений, целесообразно оценить влияние и сил трения. Учет сил трения позволит повысить расчетное напряжение среза тр, вследствие чего расчетное число силовых точек в шве будет меньше-
Силы трения зависят от ряда факторов: давления сжатия и материала листов, состояния их поверхностей и т. д. Изучению сил трения и сдвигов при трении посвящено большое число работ при
180
менительно к заклепочным соединениям стальных конструкций. В настоящей книге ставится задача выяснить роль сил трения в конструкциях из легких сплавов.
Сила трения
P^Zfi, (85)
где Z — внешняя нагрузка, действующая перпендикулярно поверхности листа;
f — коэффициент трения;
i — число контактных поверхностей.
Сила Z возникает после снятия нагрузки, когда сжатые листы и стержень заклепки упруго деформируются в обратном направлении.
Фиг. 125. Форма образцов для исследования сил трения.
Трудность определения сил трения состоит в том, что в уравнение (85) входят три неизвестных величины Z, f, Рг, для определения которых необходимы другие уравнения или проведение экспериментов. Наиболее целесообразно определять Рт на образцах
д мм
Фиг. 126. Диаграмма «усилие вытяжки—
сдвиг».
реальных соединений, так как при этом воспроизводятся действительные условия работы соединения и исключаются пересчеты. Кроме того, отпадает необходимость в постановке экспериментов для определения Z и f.
Экспериментальное определение сил трения при исследовании соединений получило широкое распространение [58, 59]. Исследования проводят для определения влияния на силы трения метода клепки (прессовая, ударная), диаметра и материала заклепок и
181
состояния поверхности листов. Для таких исследований применяют специальные образцы. В одном из листов образца делают прорези или отверстия большего диаметра, чем стержень заклепки (фиг. 125). Образцы склепывают обычным принятым в производстве способом и испытывают при статической нагрузке, снимая диаграмму «усилие вытяжки — сдвиг» (фиг. 126). По диаграмме определяют силу Рт.
В табл. 49, 50, 51 приведены результаты определения сил трения для различного вида соединений из различных материалов на образцах, показанных на фиг. 125.
Таблица 49
Сила трения Рт, приходящаяся на одну заклепку
Вид соединения (по табл. 2) и число контактных поверхностей Способ клепки Соединяемые материалы Диаметр заклепки в мм
3 4 5
Л кГ тт кГ1мм2 Р. кГ тт кГ}мм2 Р. кГ кГ[мм2
Прессовая Д16-Т+Д16-Т 40 5,7 75 6 100 5,5
Шов В Д16-Т+30ХГСА МА14-МА1 — — — — — 5,6 4
1=2 Ударная Д16-Т+Д16-Т — — — — 52 2,7
П р и & нии, в каь (ечание. Материал лис' сом он применяется в koi гов ICTp должен укции. быт ь в тако* 1 Ж( 2 СОСТОЯ-
Таблица 50
Зависимость т' от площади контакта при z=2; листы из сплава Д16-Т
Ширина образца В в мм 50 60 90 120
Шаг t в мм 15 20 30 40
Площадь контакта F^ в мм2 273 340 540 740
Сила трения Рт на одну заклепку диаметром 5 мм в кГ 94 93 93 101
в кГ{мм2 5,6 5,5 5,4 5,8
Величина представляет собой силу трения, отнесенную к 1 мм2 площади сечения стержня заклепки (болта). Сила трения не зависит от площади контактных поверхностей соединяемых эле-
182
Таблица 51
Величины и Ст для соединений вида А и Б по табл. 2 (г=1)
Способ клепки Материалы соединяемых листов Материал заклепки
Д18 В65
г тт кГ^мм^ Ст кГ[мл& Ст
Д16-Т+Д16-Т 2,7 1,15 2,8 1,12
Прессовая Д17-Т+30ХГСА 2,7 1,15 — —
MAl-f-MAl 2,0 1,1 — —
Ударная Д16-Т+Д16-Т 1,4 1,08 — —
ментов (см. табл. 50), а также от характера расположения заклепок или болтов в шве, однако она зависит от числа контактных поверхностей т. е. вида шва. Для соединения В при i=2 (см. табл. 2) напряжение х'т в два раза больше, чем для соединения А или Б при /= 1 (табл. 49 и 51).
Для практических расчетов вводят коэффициент, учитывающий влияние сил трения на прочность соединения при срезе:
Ст=т-1±2.. (86)
т
Значения для различных случаев клепки приведены в табл. 51, из которой видно, что с учетом сил трения прочность соединения при срезе увеличивается на 8—15%.
При прессовой клепке благодаря хорошему сжатию листов коэффициент больше, чем при ударной.
Существенное влияние на прочность клепаного соединения оказывает глубина зенкования гнезд под головки заклепок. Излишняя глубина зенкования ведет к возникновению зазора между листами (фиг. 124, а) и силы трения между контактными поверхностями почти отсутствуют. В табл. 52 приведены результаты испытания клепаных соединений из легких сплавов с зенкованными гнездами различной глубины. При глубине гнезда меньше номинала (фиг. 124, а) головка выступает из листа на величину АЛ, листы прижаты друг к другу. Нагрузка при срезе воспринимается одновременно стержнем и контактными поверхностями листов, поэтому при АЛ>0 прочность соединения при всех видах нагружения (см. табл. 52) будет больше, чем при АА<0.
Эти выводы относятся к клепаным соединениям с зенкованными гнездами под головки заклепок, т. е. выполненным обычными стержневыми заклепками или заклепками с высоким сопротивлением срезу.
1S3
Таблица 52
Влияние глубины зенкования на прочность и выносливость соединений
Выступание замыкающей головки мм ДА' >0 ДА' =0 ДА' <0
0,2 0,1 0,0 —0,1 —0,2
<р (статическая нагрузка) в % 106 104 100 98 97
(вибрационная нагрузка при оср=5 kTImm'1') в % ПО 103 100 100 96
3П(Ю) (повторная статическая при атах=10 кГ/льи2) в % 125 10! 100 86 94
Примечания. 1. Величина ДА' i над поверхностью листа или углубляет клепки). 2. При статической нагрузке соеди клепок. юказывае ся головк нения ра т, насколько ВЫС' :а потайной заклеп зрушались от ере гупает ки (до за за-
Постановка и затяжка гаек болтового соединения
В зависимости от вида шва соединения и характера нагружения конструкции болты работают на растяжение, передавая осевые нагрузки, Или на срез, передавая поперечные нагрузки.
Исследованию болтовых соединений, передающих осевые нагрузки, посвящены работы А. И. Якушева [60], М. А. Саверина [62]. В них подробно исследовано влияние технологии изготовления болтов и гаек на прочность болтового соединения при передаче осевых сил.
В то же время опубликовано очень мало работ, посвященных исследованию влияния технологии на прочность и методам испытания болтовых соединений, передающих поперечные нагрузки. Поэтому в настоящей книге больше внимания уделено исследованию соединений, работающих на срез.
В соединении, работающем на срез, нагрузка воспринимается болтом и, благодаря силам трения, контактными поверхностями листов.
Р = Рб + Рт-
В зависимости от характера посадки болта в отверстие различают два предельных случая нагружения болта.
1. Посадка болта в оба соединяемых элемента с натягом, когда нагрузка в основном передается через болт, вызывая в нем напряжения среза.
2. Посадка болта в отверстие с зазором, когда нагрузка в основном передается через контактные поверхности, вызывая в болте растягивающие напряжения.
184
Возможны и другие промежуточные случаи, при которых нагрузка передается частично через болт, а частично через контактные поверхности листов. Независимо от этого сила трения на контактных поверхностях соединяемых элементов
Pr = Z f i.
Определить силу трения в болтовом соединении можно путем экспериментов на образцах, показанных на фиг. 125 или 127.
РгкГ
Фиг. 127. Влияние нормального давления Z на силу трения Рт.
Образец, состоящий из трех листов (фиг. 127), устанавливают в испытательной машине и сжимают силой Z. При данном значении Z выдергивают средний лист, фиксируя затраченное усилие, которое равно Рт. Задавая различные значения Z, строят кривую зависимости Рт от Z (или определяют несколько значений Рт при данной величине Z).
Коэффициент трения
Таким путем для плакированных листов Д16-Т-КД16-Т был определен коэффициент трения f = 0,4. Зная коэффициент трения / и усилие затяжки Z, можно определить силу трения Рт для любого вида соединения.
Максимальное усилие затяжки болта
= (87>
где ат —предел текучести материала болта;
/б —площадь поперечного сечения болта.
Исходя из предельного значения Zmax, можно определить наибольшую силу трения, возникающую в соединении.
185
Задавшись величиной Z, определяют крутящий момент на ключе
= + (88)
где Mz — момент, необходимый для создания осевого усилия и преодоления трения в резьбе;
Л/г —момент сил трения на торцевой поверхности гайки.
+ (89)
Z/2(p3 rf3)
(90)
Здесь dcp —средний диаметр резьбы в мм\ ф —угол подъема резьбы;
р —угол трения резьбовой пары; tgp=/j (коэффициент трения в резьбе);
/$—коэффициент трения на опорной поверхности гайки; D — диаметр опорной поверхности гайки;
d0~диаметр отверстия под болт.
Мкр определяют по формуле (88) исходя из выбранного значения напряжения растяжения в болте по формуле (87) и момента трения Л1Г.
Для получения однородной затяжки болтов, т. е. постоянства Мкр необходимо применять тарированные ключи.
Усилие затяжки болта можно контролировать и по величине деформации (вытяжки болта).
Повышение прочности болтовых соединений за счет увеличения затяжки болтов неоднократно отмечалось в литературе. Так, при испытании на выносливость соединения стрингеров [48] швом вида «В» (девять болтов по длине шва) при оср = 0,25оразр было получено:
1) при испытании слабо затянутых болтов N' = Q,3»106;
2) при сильно затянутых болтах N" = 2,8 • 106.
Коэффициент выносливости, определяемый отношением при сравнении этих соединений
₽П <0.23’разр> = 9’3-
Далее в этой работе указывается, что столь значительное увеличение выносливости вызвано увеличением сил трения, возникающих на большой площади.
Исследование при работе на срез образцов болтовых соединений [36] с различной затяжкой болтов показало значительное повышение выносливости соединений при усилении затяжки. В табл. 53 приведены значения коэффициента Pg , вычисленные на основании указанной работы.
Так, при посадке болтов с натягом (глухая посадка) повышенная затяжка увеличивает выносливость на 18%, а при посадке 186
Таблица 53
Эффективный коэффициент концентрации при атах=03 аразр
Класс точности и посадка болтов N1 при Л1кр = 160 кГсм При Л4кр - 80 кГсм D3 ' ^12=
2-й, специальная глухая 65 200 55 000 1,18
5-й, ходовая 321 000 120 000 2,7
с зазором (ходовая) такое же увеличение затяжки повышает выносливость на 170%.
При разработке технологии выполнения болтового соединения необходимо выбрать оптимальную величину затяжки для данного соединения. Какая затяжка лучше — решают экспериментальным путем на образцах, определяя статическую прочность и выносли-
Фиг. 128. Влияние AfKp на число циклов до разрушения для болтового соединения при работе на срез.
вость соединений. По данным таких исследований строится кривая зависимости предела прочности и выносливости (числа циклов N) от величины AfKp.
На фиг. 128 показана зависимость числа циклов до разрушения от крутящего момента затяжки по данным работы [61]. Были испытаны образцы, состоящие из листов сплава ДТД363А (ов = = 50 кГ/мм2), соединенных закаленными болтами со швом В (двухсрезное соединение). Кривая показывает, что при значительном увеличении Мкр усталостная прочность начинает снижаться. Оптимальное значение крутящего момента определяется экспериментальным путем.
Образование сварных точек
Точечная сварка представляет собой процесс с наименьшим числом операций, необходимых для получения шва. Основными операциями (см. фиг. 78) являются подготовка поверхностей и выполнение сварной точки.
187
Значение подготовки поверхностей рассмотрено в начале настоящей главы. Операция образования сварной точки включает ряд переходов: сжатие листов, пропускание сварочного тока, проковка шва.
На прочность и выносливость сварного соединения оказывают влияние режимы сварки (Л Qcz, t, центровка и охлаждение электродов; порядок выполнения сварных точек и ряд других технологических факторов, указанных выше в табл. 15.
Исследование и отработка технологии точечной электросварки требует большой затраты труда и времени. При изучении какой-либо составляющей части процесса (силы тока 1 или давления Фс.д) необходимо учитывать взаимное влияние различных факторов, которое при сварке проявляется значительно больше, чем при соединении заклепками или болтами. Оптимальное значение того или иного технологического фактора процесса сварки расчетным путем точно определить невозможно, приходится проводить экспериментальные работы по отработке режимов сварки.
Как упоминалось выше, для определения оптимального процесса точечной сварки последовательно находят оптимальные значения его отдельных параметров (/, Qc-д, t, F^ и т. д.).
Проводимые в настоящее время исследования процессов сварки позволят в недалеком будущем определять оптимальные значения технологических параметров сварки расчетным путем, используя вычислительные машины. Тогда объем экспериментальных работ уменьшится и задача эксперимента будет состоять не в выборе процесса, а в проверке расчетных данных.
Исследованию теории процесса сварки и технологии выполнения сварных соединений посвящено очень большое количество работ в СССР и за границей. В настоящем разделе книги автор ставит своей задачей рассмотреть вопросы, связанные с влиянием процесса образования сварной точки на прочность соединения, не касаясь теории и техники сварки.
В частности, значительное место уделяется методике испытания образцов с целью всестороннего исследования составных элементов процесса образования сварной точки.
Выше в табл. 15 была показана в общем виде зависимость прочности сварного точечного соединения от основных элементов процесса сварки. Для рассмотрения влияния того или иного элемента процесса, исследование необходимо проводить при постоянстве всех других параметров, включая форму образцов.
Как уже ранее отмечалось, при проведении механических испытаний необходимо соблюдать подобие в размерах и форме образцов и методе их закрепления и нагружения, так как изменение жесткости образцов для сварных и клеевых соединений в значительной степени влияет на величину разрушающей нагрузки и выносливость соединения. В табл. 54 приведены результаты испытания [63] образцов, выполненных различными методами соединения.
188
Таблица 54
Влияние формы и жесткости образца на величину разрушающей нагрузки на отрыв (листы из сплава Д16-ТД16-Т, толщина 2 Д-2)
Вид соединения Образец Разрушающая нагрузка при отрыве %
Форма № эскиза
Потайными заклепками диаметром 5 мм (материал за- Крестообразный 1 100
клепок— сплав В65) Трубчатый 3 100
I Крестообразный 1 100
Точечной сваркой Коробчатый 2 по
Трубчатый 3 133
Точечной сваркой и склеи- Крестообразный 1 100
ванием (клей ВК-1) Трубчатый 3 185
Склеиванием (клей ВК-1) Крестообразный 1 100
Трубчатый 3 1200
Из табл. 54 видно, что для более жестких трубчатых образцов разрушающая нагрузка при работе соединения на отрыв повышается.
Жесткий трубчатый образец (эскиз 3 табл. 54) состоит из двух листов толщиной 6] и 6'2, соединенных каким-либо из исследуемых
189
методов (клепкой, сваркой). К листам приварены трубки так, чтобы сварная точка находилась между листами на оси трубок.. С помощью вставок образец устанавливают в испытательную машину.
При нагружении образца соединяемые листы изгибаются очень мало, шов разрушается от равномерного отрыва листов, что приводит к повышению разрушающей нагрузки.
Объясняется это тем, что сварные соединения хорошо работают в условиях равномерного отрыва и очень чувствительны к неравномерному нагружению. Если принять прочность сварного точечного соединения при неравномерном отрыве за 100% (крестообразные образцы), то при равномерном отрыве прочность повысится на 33%, в то время как клепаные соединения не чувствительны к подобного' вида изменениям формы и способа нагружения образцов. Испытания сварных точечных соединений для нахождения оптимального процесса выполнения соединения следует проводить на образцах, показанных в табл. 8—12.
Пользуясь предлагаемой методикой, определим, например, влияние силы сварочного тока на прочность шва.
Потребная сила тока I входит в формулу (65) баланса тепла.
Q = 0,24/2/ (/?Д+Як+2£Э).
Потребная для сварки сила тока / зависит от толщины и марки материалов соединения и режима сварки.
Интенсивность нагрева при сварке определяется, кроме силы тока, плотностью тока
I i =---,
^ЭЛ
где Еэл — площадь контактной поверхности электрода.
Под действием развивающейся при сварке температуры снижаются механические свойства листа в зоне сварки.
При изменении силы тока I (при неизменных других элементах процесса) изменяется и температура листа в этой зоне (см. фиг. 24), что в свою очередь отражается на прочности и выносливости соединения.
Сила сварочного тока влияет на прочностные характеристики соединения при разрушении по листу и при срезе сварных точек. Поэтому для установления оптимального с точки зрения прочности соединения значения I необходимо провести испытания образцов, разрушающихся как от среза сварных точек, так и от разрыва листа в зоне сварки.
Оптимальная величина сварочного тока для этих случаев разрушения может быть различной. Тогда следует выбирать величину / в зависимости от характера нагружения соединения при эксплуатации изделия.
Следует иметь в виду, что при работе соединения в условиях
190
вибрационных или повторных статических нагрузок в 90--95% случаев шов разрушается по листу.
На фиг. 48 приведен полученный экспериментальным путем график, показывающий зависимость прочности соединения (ср) от силы сварочного тока при неизменных других параметрах (фСд; Рков)- Наибольшая прочность соединения получается при /^38 000 а. Было также исследовано [6] влияние величины сварочного давления рсд на прочность соединения; при этом исследовании приняты неизменными все элементы процесса, в том числе /=34 000 а. Установлено, что оптимальное значение <2Сд=300— 400 кГ.
Фиг. 129. Зависимость прочности сварной точки от давления при постоянном значении силы тока и времени сварки.
Приведенный пример показывает, что в данной работе не придавалось значение методике исследования, так как фСд определялось не при оптимальной величине / = 38 000 а, а при / = 34 000 а. По-видимому, при / = 38 000 а будет другим и оптимальное значение <2сд. Кроме того, в указанной работе не было исследовано, как влияет сила тока на прочность соединения при разрушении по-листу и при работе на переменные нагрузки.
В другом исследовании [64] установлена зависимость прочности соединения от величины сварочного давления (фиг. 129). Однако из приведенного графика нельзя установить оптимальное давление, а следовательно, и оптимальную прочность соединения.
Глава IX
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ НА ПРОЧНОСТЬ И ВЫНОСЛИВОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ, ВЫПОЛНЯЕМЫХ НЕПРЕРЫВНЫМ ШВОМ
1. ХАРАКТЕРИСТИКА СОЕДИНЕНИЙ, ВЫПОЛНЯЕМЫХ НЕПРЕРЫВНЫМ ШВОМ
Непрерывный шов может быть образован склеиванием, пайкой, сваркой плавлением и роликовой сваркой.
Процесс образования этих швов состоит из следующих основных операций: подготовки поверхностей, нанесения связующего
191
вещества, сжатия соединяемых элементов (в клеевых соединениях) и отверждения связующего вещества.
Технологические операции, инструмент и оборудование рассмотрены в литературе, посвященной этому виду соединений. Задача данной книги обратить внимание исследователей и производственников на те технологические факторы, которые влияют на прочность и выносливость соединений, и рекомендовать методы их выявления.
При исследовании технологии выполнения соединений непрерывным швом * необходимо учитывать свойственные им следующие конструктивные и технологические особенности.
1. Большую зависимость результатов испытаний соединений от формы образца, способа крепления его и характера приложения нагрузки.
В табл. 54 приведены данные, показывающие, что при испытании на отрыв прочность жесткого образца клеевого соединения в 12 раз больше, чем прочность нежесткого, так как в последнем случае происходит неравномерный отрыв. На пониженную прочность клеевого соединения при неравномерном отрыве указывается и в ряде статей, опубликованных в сборнике «Клеи и технология склеивания» [37] и книге «Склеивание металлов» [26].
Учитывая это, отработку технологии клеевых, паяных и сварных швов необходимо вести в условиях, возможно более близких к условиям работы конструкции и на образцах, подобных исследованному шву. Так, например, изучая возможность применения склеивания (при пайки) при сборке станочных приспособлений [65] или соединении труб, установке шпилек, соединении жестких деталей [66] следует применять «жесткие» образцы (типа ЦО, табл. 13), трубчатые образцы и специальные образцы, подобные соединяемым деталям. При изучении и разработке технологических процессов склеивания, пайки или сварки (плавлением и роликовой) для изготовления листовых конструкций исследования необходимо проводить на листовых образцах (табл. 8—12).
2. Понижение прочности соединяемого материала в зоне шва вследствие нагрева в процессе соединения.
В процессе выполнения клеевого, паяного и сварного швов соединяемые детали в зоне шва нагреваются до температуры плавления (полимеризации) связующего вещества. Понижение прочности материала при нагреве зависит от максимальной температуры нагрева, выдержки при этой температуре и длительности охлаждения металла до нормальной (в данном помещении, цехе) температуры.
На фиг. 130 приведен график термического цикла при выполнении соединения непрерывным швом. На графике обозначено:
Тп — максимальная температура нагрева материала соединяемых элементов;
Л— время нагрева до температуры Гн;
t2— время выдержки при температуре Тн;
* Рассматриваются клеевые и паяные соединения; методика исследования соединений роликовой сваркой и сваркой плавлением такая же.
192
t3— время охлаждения соединяемых деталей до температуры помещения (цеха);
А — общая длительность цикла.
При склеивании и пайке соединяемые детали постепенно нагреваются вместе со сборочным приспособлением, вследствие чего время ti — больше (30—40 мин.). Время выдержки /2=0,5—4 часа, в зависимости от марки клея, а время остывания принимается таким же, как время нагрева t\. При склеивании общая длитель-
Фиг. 130. Типовой график термического цикла при выполнении соединений непрерывным швом.
Фиг. 131. Изменение временного сопротивления растяжению пв (при /=+20° С) в зависимости от температуры предварительного нагрева и остывания на воздухе материала Д16-Т
1—«температурное поле нагрева шва при склеивании, 2—то же при пайке легкоплавкими припоями, 3—то же при пайке тугоплавкими припоями или роликовой сварке (температура в сечении X—X). 4—то же при сварке плавлением.
ность цикла занимает от 1,5 до 6 час. При пайке в случае нагрева в печах принимают £i = £3 = 5—45 мин., а время выдержки t2 = = 10—15 мин. При роликовой сварке и сварке плавлением соединение происходит в течение 0,2—1,0 мин, а температура Тн очень высокая, доходящая до температуры плавления материала соединяемых деталей. После соединения непрерывным сварным швом некоторые детали подвергают термообработке, для повышения их прочности.
Детали из закаленных материалов (Д16А-Т, В95А-Т, ЗОХГСА, ЭИ659 и т. д.) после соединения не подвергаются термообработке, а остывают на воздухе, вследствие чего прочность материала снижается.
На фиг. 131 приведен график, показывающий изменение предела прочности ов сплава Д16А-Т в зависимости от температуры предварительного нагрева. График построен на основании испытаний, проведенных следующим образом: образец из листа Д16А-Т нагревали до какой-либо температуры (100, 300 или 400°С), затем давали ему остыть до температуры помещения (+20°С), после чего испытывали и определяли ов. Нагревали и охлаждали образцы по цикловому графику (фиг. 130) применительно к технологи-
13 1125
193
ческим процессам выполнения соединения. Для сплава Д16А-Т получена зависимость предела прочности сгв от температуры предварительного нагрева. На графике показан диапазон температур нагрева при выполнении различного вида соединений. При склеивании предел прочности термически обработанного сплава Д16А-Т практически не изменяется. При пайке, роликовой сварке и сварке плавлением прочность материала и соединения значительно снижается, что подтверждается также данными, приведенными в табл. 55.
Таблица 55
Предел прочности при растяжении паяного соединения из различных материалов, припой и флюс 34А
(пайка в стык, шов Е, см. табл. 2)
Соединяемые материалы Предел прочности в кГ!мм^
исходного материала паяного шва
АМц-}-АМц 13 9,8
Д17-Т+Д17-Т 42 13,6
АЛ44-АЛ4 23 13,6
Примечания. 1. Паяные образцы разрушались по листу.
2. Температура плавления припоя и флюса 34А равна 525° С.
Следует иметь в виду, что прочность материала резко изменяется даже при незначительном изменении температуры (см. интервал от 200 до 500° С на фиг. 131). Для получения стабильных показателей прочности и выносливости соединений необходимо сужать температурный интерва’л нагрева деталей при выполнении шва и тщательно контролировать температуру.
3. Зависимость прочности соединения от сочетания марок связующего вещества (клея, припоя, присадочной проволоки, флюса) и материала соединяемых деталей.
Марки клея (припоя, присадочной проволоки) для соединения того или иного материала подбираются экспериментально [26, 37, 67]. Для этого изготовляют образцы соединения, склеивая их различными клеями (припоями и т. д.). Путем механических испытаний определяют, какое из связующих веществ обеспечивает наибольшую прочность и выносливость соединения.
Большое значение имеет и материал соединяемых деталей. Соответствующие данные для клеевых соединений приведены в табл. 56, составленной по результатам параметрического эксперимента, при котором изменялся только материал соединяемых деталей. Из таблицы видно, что при применении одного и того же клея прочность при работе на срез соединений из различных материалов изменяется более чем в два раза. Так для соединения из стали ЗОХГСА клеем ВС-350 тСр==185 яГ/см2, а соединение тем же клеем
194
Таблица 56
„ (,
Пределы прочности клеевых соединении при срезе —-— = 0,1, температура испытания 20° С, шов в нахлестку, образец ПП по табл. 9)
Соединяемые материалы тсР в кГ[см2 при склеивании клеями
ВС-10-Т 70 ВС-350 70 ВК-32-ЭМ 37 „Хай-Темп“ 26
Сталь ЗОХГСА-рсталь ЗОХГСА 180 185 270 —
Сталь ЭИ654-}-сталь ЭИ654 185 185 — 168
Дуралюмин Д16-Т+Д16-Т 130 84 165 141
Титан ВТ5-Д4-ВТ5-Д 76 140 — 134
Примечание. Разрушение образцов происходило по клею.
деталей из сплава Д16-Т имеет тср=84 кГ{см2. Столь же значительную разницу дает применение различных припоев.
Влияние марки припоя на прочность было обнаружено испытаниями (при 20° С) соединений из листов нержавеющей стали 17-7РН (сгв=140 кГ/мм2), паянных различными припоями. Были получены следующие показатели:
Марка припоя СМ-53 90А-10СЛ 95А-5СЛ 100А
тср, кГ1см~ 2100 1540 980 700
Эти примеры показывают необходимость экспериментальных работ, чтобы найти оптимальное сочетание марок соединяемых материалов и связующего вещества, так как сам припой не определяет прочности и выносливости соединения.
При этом опыты необходимо проводить на образцах соединения, а не на образцах отвержденного клея, припоя или присадочной проволоки. При определении прочности и выносливости клееного или паяного соединения нужно принимать во внимание марки клея (припоя), марки соединяемых материалов и процесс выполнения соединения. Кроме того, необходимо проводить испытания при повышенных температурах, чтобы установить влияние высокой температуры на прочность и выносливость соединения (адгезия, температурные деформации). Только после этого можно получить прочностные показатели соединения и выбрать оптимальный процесс его выполнения.
Зависимость прочности клеевых, паяных и сварных соединений от температуры испытания приведена на фиг. 132. Как видно из графика, прочность всех видов соединений при повышении температуры снижается. Образцы клеевых и паяных соединений разру-
13* • 195
шались по клею или припою, а сварных — по листу в зоне сварки. Прочность при работе клеевого и паяного соединений на срез уменьшается при возрастании температуры в большей степени, чем сварного соединения.
Такой же характер зависимости прочности от температуры наблюдается при испытании соединений на отрыв, но в этом случае сварные и паяные швы более прочные, чем швы, полученные склеиванием, особенно при повышенных температурах.
Пределом — температурной границей применения клея принято [26, 37] считать температуру, при которой тСр^70 кГ{см2. Предел применения клея определяется при следующих условиях испытания: вид шва — внахлестку, коэффициент геометрического подобия (ЗЛ^п)/^ = 0,1; материал образца—сплав Д16А-Т с анодированной поверхностью.
Температура при испытании а)
Фиг. 132. Показатели прочности соединений при повышенных температурах (образец Д16А-Т+Д16А-Т, ]Zdn//^0,l. поверхность анодирована).
а—предел прочности на срез, б—коэффициент прочности шва. /—соединение на клее ВК-32-250, 2—паяное соединение, припой N3.
Клеи, у которых температурная граница находится выше температуры 4-200° С, принято называть теплостойкими клеями.
4. Повышенные требования к подготовке поверхностей деталей в зоне шва.
Подготовка поверхностей деталей — одна из важнейших операций, влияющих на прочность соединений, выполняемых непрерывным швом. Она преследует две цели: 1) уничтожение волнистости (которая может образоваться при изготовлении заготовки) для создания требуемого зазора; 2) обеспечение необходимой чистоты поверхности для хорошего сцепления (адгезии) связующего вещества с материалом соединяемых деталей.
Характер подготовки поверхностей зависит от марки материала соединяемых деталей, марки клея или припоя.
Хорошая пригонка поверхностей соединяемых деталей необходима для получения тонкого равномерного слоя связующего веще
‘ 196
ства, без местных пустот и утолщений. Результаты исследований клеевых и паяных соединений показали, что прочность этих соединений возрастает при уменьшении зазора между деталями от 0,5 до 0,05 мм.
На фиг. 133 приведен график, показывающий влияние зазора (толщины связующего вещества) на прочность соединений при срезе и растяжении (равномерном отрыве). Из графика видно, что при разрушении по связующему веществу (клею и припою) величина зазора оказывает существенное влияние на прочность соеди-
Фиг. 133. Влияние величины зазора между соединяемыми деталями на прочность при срезе тсР и растяжении (равномерном отрыве) ав соединений, выполняемых непрерывным швом.
а—соединение, работающее на срез, б—соединение, работающее на разрыв связующего вещества.
У—соединение листов из Д16А-Т клеем ПУ-2, 2—соединение листов из Д16А-Т легкоплавким припоем, 3—соединение листов ЗОХГСА клеем BK-1, 4—соединение листов ЗОХГСА припоем ПСР-25, 5—соединение листов ЗОХГСА аргоно-дуговой сваркой (без последующей термообработки).
нения; при зазорах до 0,2 мм прочность наибольшая [26, 30, 37]. Если соединение разрушается по листу (роликовая сварка или сварка плавлением), то зазор между листами на прочность практически не влияет.
Для получения высокой прочности всех видов клеевых и паяных соединений необходимо обращать особое внимание на качество соприкасающихся поверхностей, особенно тонколистовых деталей, полученных холодной штамповкой; в этом случае зазоры в зоне шва при сборке деталей не должны превышать 0,2 мм.
2. ЗАВИСИМОСТЬ ПРОЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ ОТ СПОСОБА ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ, ТОЛЩИНЫ СЛОЯ и РЕЖИМОВ
ОТВЕРЖДЕНИЯ СВЯЗУЮЩЕГО ВЕЩЕСТВА
Прочность и выносливость соединений непрерывными швами в значительной мере зависят от технологических процессов, оборудования и инструмента, применяемого при выполнении основных операций.
197
К основным операциям относятся подготовка поверхностей деталей к соединению, нанесение связующего вещества, сборка и запрессовка, отверждение связующего вещества или образование шва.
Содержание и порядок выполнения технологического процесса, применяемые при этом материалы, инструменты и оборудование определяются видом соединения.
Разработке, описанию и исследованию технологии выполнения соединений непрерывным швом (склеиванием, пайкой, сваркой) посвящено много работ, некоторые из них приведены в списке литературы [7, 26, 27, 28, 30, 31, 37]. Эти работы позволяют оценить зависимость прочности и выносливости от технологических процессов выполнения соединений.
Фиг. 134. Влияние чистоты поверхности на прочность клеевого соединения (клей МАТИ-К1, соединяемые детали чугун+чугун).
Подготовка поверхностей необходима для создания хорошей и равномерной адгезии связующего вещества с материалом листов и для увеличения площади соединяемых поверхностей путем придания им шероховатости, получаемой механической обработкой или химическим травлением. Подготовка поверхностей механической обработкой осуществляется на токарных или фрезерных станках, вручную металлической щеткой или наждачной шкуркой, пескоструйной обработкой и т. д. Обработанные поверхности перед склеиванием обезжиривают.
Чистота поверхности оказывает существенное влияние на прочность соединения. Так, по данным Г. В. Филатова (фиг. 134) наибольшая прочность клеевого шва при срезе и отрыве получается при чистоте поверхности — V 7, а в работе [31] приведены следующие данные: если прочность при срезе клеевого соединения с поверхностями, обработанными шкуркой (или шаброванными) принять за единицу, то прочность шва при притирке поверхностей будет равна 0,75, при пескоструйной обработке — 0,6 и при строгании ( V3) поверхностей — 0,4.
В работе Лидаржик [30] приводятся данные о прочности клеевых соединений, обработанных механическим путем и химическим травлением. Так, при испытании на срез прочность при пескоструйной 198
обработке составила 134, при травлении 220 и при пескоструйной обработке и травлении 224 кГ/сж2.
Результаты исследования [69] влияния способа подготовки поверхностей листов из алюминия АМГ-АП на прочность соединения показывают (фиг. 135), что механическая обработка повысила прочность соединения на клее ЭПЦ-1 при срезе на 25%, а химическая обработка — в 2,7 раза по сравнению с прочностью соединения из листов в состоянии прокатки.
Для клея Б наблюдается аналогичная, но более слабая зависимость прочности от метода обработки поверхности. В то же время эффект подготовки поверхности зависит от марки клея: например, на соединение эпоксидным клеем (ЭПЦ-1) химическая обработка поверхности алюминия влияет сильнее, чем на соединение, выполненное фенольным клеем Б.
Приведенные примеры и ряд других исследований показывают, что прочность соединений с химически обработанными поверхностями не ниже, а во многих случаях выше, чем соединений, поверхности которых были подвергнуты механической обработке. Кроме того процессы химической обработки поверхностей более стабильны и производительны, чем механической. Поэтому в серийном производстве в основном применяют химические методы подготовки поверхностей соединяемых деталей.
Химикаты для подготовки поверхностей необходимо выбирать с учетом материалов соединяемых деталей и связующего вещества. Так, например, [26] при обработке серной кислотой и бихроматом натрия склеиваемых поверхностей деталей из титана тср=60 кГ!см2, а при применении азотной и плавиковой кислоты тср=140 кГ]см2.
Подобный же эффект наблюдается и при склеивании деталей из нержавеющей стали: при обработке поверхностей серной кислотой и бихроматом натрия тср= 130 кГ{см2, а при обработке соляной кислотой, перекисью водорода и формалином — тср=190 кГ/см2.
Нанесение связующего вещества, сборка и запрессовка. При изготовлении образцов клеевых и паяных соединений толщина слоя клея (припоя) зависит от зазора между соединяемыми деталями, способа нанесения связующего вещества и удельного давления при запрессовке.
Удельное давление, необходимое для получения пленок требуемой толщины (обычно 0,05—0,2 мм), различно для различных марок клея.
На фиг. 136 приведены графики, показывающие влияние удельного давления при склеивании на толщину клеевой прослойки при испытании образцов типа ПП (см. табл. 9).
При применении вязкого клея ВК-32-200 для получения тонкой клеевой пленки (толщиной примерно 0,05 мм—0,1 мм) требуется высокое удельное давление. Тонкие пленки жидкостных клеев типа ВС-10-Т нужно получать при незначительном удельном давлении, так как давление более 5 кГ1см2 может привести к выжиманию клея и непроклеиванию. В соответствии с этим и подбирается конструкция приспособления для сборки и склеивания, обеспечиваю-
199
Фиг. 135. Влияние обработки поверхностей под склеивание на прочность соединения (т). Пунктиром показаны наибольшие и наименьшие значения т.
а—без обработки, б—шлифование шкуркой № 100, в—анодирование в растворе серной кислоты, г—травление в растворе серной кислоты с добавкой хромпика.
Фиг. 136. Зависимость толщины клеевой пленки от удельного давления прессования.
200
щая равномерное давление требуемой величины при отверждении связующего вещества.
Влияние способа приложения давления и равномерности его распределения на прочность при срезе соединений на клее «Хай-Темп» [26] при / = 20° С характеризуется следующими цифрами: при применении винтовых зажимов тСр = 91 к,Г[см2> при применении вакуумного мешка тСр=120 кГ!см2\ при применении гидравлического пресса с плоским столом тср =141 кГ1см2.
Равномерность давления при склеивании зависит от качества подгонки деталей, т. е. зазоров, плавности и идентичности их обводов. Следует иметь в виду, что равномерную пленку требуемой толщины можно получить только на лабораторных образцах, влиять на толщину клеевой пленки при изготовлении сложных узлов и панелей практически невозможно. Наиболее целесообразно применять в производстве готовую точную (калиброванную) клеевую пленку.
Уменьшение толщины клеевой пленки за счет деформации детали при чрезмерно большом удельном давлении недопустимо, вследствие того, что в соединяемых деталях возникают внутренние напряжения, стремящиеся оторвать их друг от друга, а так как клеи плохо работают на неравномерный отрыв, то шов разрушается даже при незначительном нагружении конструкции.
Отверждение связующего вещества. Собранное соединение проходит термическую обработку в приспособлении для склеивания. Цикл термической обработки для отверждения связующего вещества приведен выше на фиг. 130.
Основное внимание в процессе отверждения необходимо обращать на температуру нагрева и время выдержки при этой температуре.
Продолжительность выдержки склеиваемых изделий под давлением при данной температуре зависит от скорости отверждения клея.
Температура и выдержка, необходимые для отверждения клеевого шва, взаимосвязаны; с повышением температуры время выдержки уменьшается (табл. 57). С точки зрения производства для сокращения цикла сборочных работ желательна наименьшая выдержка. Однако при небольшой выдержке необходима высокая температура нагрева, которая может привести к снижению прочности материала соединяемых деталей (см. фиг. 131). Поэтому принимают допустимую для данного материала температуру нагрева, а затем, пользуясь табл. 57, определяют время нагрева. Так, например, при склеивании клеем эпоксид П деталей из плакированного сплава Д16А-Т допускаемая температура нагрева 180° С, время выдержки равно 2 час., а при склеивании тем же клеем деталей из стали ЗОХГСА — допускаемая температура нагрева 240° С, а время выдержки всего 5 мин.
201
Таблица 57
Время выдержки под давлением для получения наибольшей прочности клеевого соединения [26, 37]
Температура °C ВС-10-Т Эпоксид-П, эпоксид-11р Аральдит-1
Время выдержки в час.
120 — 10 —
140 4 — 24
150 — 5 —
160 2 — 8
180 1 2 2
2С0 1 40 мин. 1
220 — 15 мин. 40 мин.
240 — 5 мин. 20 мин.
3. ОФОРМЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ СОЕДИНЕНИЙ, ВЫПОЛНЯЕМЫХ НЕПРЕРЫВНЫМИ ШВАМИ
Проведенный выше анализ зависимости прочности и выносливости соединений с непрерывными швами (пайка, склеивание) от технологии их выполнения можно представить в виде функции
/ (^’ ^св.вещ» ^2’ ^н» Рул • • •)» (91)
где — прочность (выносливость) соединения при срезе (или —при отрыве);
П — способ подготовки поверхностей;
Та — температура нагрева;
Рул.— удельное давление сжатия;
t2 — время выдержки при температуре Гн;
йсв. вещ-толщина слоя связующего вещества (клея, припоя).
Следовательно, по результатам испытания технологического процесса выполнения клеевого или паяного соединения при статической или переменной нагрузках должны быть указаны:
1) марка и состояние (термообработка) материала соединяемых деталей;
2) марка клея, припоя;
3) предел прочности клея (припоя) в шве при работе на срез (тСр) и отрыв Пот;
4) форма образца (вид шва), толщина листов;
5) коэффициент геометрического подобия —
6) технологические условия проведения эксперимента (П, T-r, руд, бсв,вещ) ;
202
7) показатели жесткости, прочности и выносливости (Р, 8, ср, р).
Наличие полученного при испытании образцов комплекса показателей, характеризующих соединение, позволит перейти к следующему этапу — исследованию экспериментальных узлов и реальных конструктивных элементов.
Следует иметь в виду, что специалисты-химики при создании клея проводят минимум экспериментов для установления общих показателей соединений при применении данного клея. Эти эксперименты проводятся для ограниченного количества марок материала соединяемых деталей на листах одной-двух толщин. Полученные при этих исследованиях данные дают возможность проведения дальнейших исследований для проектируемого соединения.
Вопрос о возможности применения клея (припоя) для соединения различных материалов и изыскание оптимальных технологических процессов, оборудования, инструментов и приспособлений, необходимых для выполнения соединения, решают технологи-машиностроители при участии специалистов по клеям или припоям.
Технологи должны исследовать возможности применения данного клея (припоя) на наиболее ходовых и перспективных материалах, используя образцы, экспериментальные узлы и реальные изделия. В задачу технологов входит получение полной характеристики соединения, выраженной функцией (91) по всем показателям прочности (Р, 8, ср, р).
Исследования необходимо проводить до получения оптимального значения каждого показателя прочности при различных вариантах технологического процесса.
ЛИТЕРАТУРА
1. Орлов Б. Д., Шавырин В. Н., Новосельцев Н. А., О прочности соединений из сплава Д16А-Т, выполненных точечной сваркой, «Сварочное производство», 1958, № 2.
2, Расчетные нагрузки для винтов с потайными головками, Product Engineering, III, 1950.
3. Обухов С. А., К р а й ч и к С. И., Усталостная прочность многоточечных соединений из малоуглеродистой стали и возможные пути ее повышения, «Вестник машиностроения», 1953, № 11.
4. Усталость самолетных конструкций, Сборник статей, перевод с английского под ред. И. И. Эскина, Оборонгиз, 1961.
5. Астахов М. Ф„ Караваев А. В., Макаров С. Я., Справочная книга по расчету самолета на прочность, Оборонгиз, 1954.
6. Андреев Н. X., Исследование процесса точечной электросварки магниевых сплавов и пути повышения качества сварных соединений, Диссертация, 1956.
7. М и х а л е в И. И., Колобова 3. Н., Склеивание металлов в авиастроении, Оборонгиз, 1960.
8. Стрелецкий Н. С., Курс металлических конструкций, Стройиздат, 1940.
9. Фридман Я. Б„ Зилов а Т. К., Концентрация деформаций и напряжений при больших пластических деформациях, ДАН, 1950, т. XXIII, № 6.
10. Григорьев В. П., Эльяшева М. А., Концентрация напряжений в элементах заклепочных и сварных точечных соединений, Оборонгиз, 1953.
11. Одинг И. А., Структурные признаки усталости металлов, как средство установления причин аварии машин, Изд. АН СССР, 1949.
12. МусхелишвилиН. И., Некоторые основные задачи теории упругости. Изд. АН СССР, 1949.
13. Савин Г. Н., Концентрация напряжения около отверстий, Гостехтеорет-издат, 1951.
14. Серене ен С. В., Концентрация напряжений в деталях машин, Вестник машиностроения, 1949, № 10—12.
15. Т а р а б а с о в Н. Д., О концентрации напряжений в листовых элементах металлоконструкций, Известия АН СССР, 1953, № 12.
16. Подзолов И. В., Расчет допускаемых напряжений для черных металлов, Оборонгиз, 1947.
17. Стригунов В. М., Исследование и расчет на прочность заклепочных соединений и проушин из электрона, Труды МАИ, 1953, № 23.
18. Gozzone F. Р„ Efficiency of Plates in Riveted Tension Joints, „Product Engineering", 1946, vol. 17, No 9.
19. Hoile max С. H., Tension Joints in Aircraft Structures, „Journal of the Aeronautical Sciences", 1943, vol. 10, No 8.
20. Hiroshi К i h a r a, Fatigue Strength of Spotwelded High Alloy Joints, „The Welding Journal", 1951, vol. 30, No 10.
21. Giddings H., Aircraft Riveting, „Journal of the Royal Aeronautical Society", 1950, vol. 54, No 480.
22. Fefferman R. Z. and Langhaar, Investigations of 24ST Riveted Tension Joints, „Journal of the Aeronautical Sciences", 1917, vol. 14, No3, p.133.
23. Edward W. T h r a 11, Fatigue Life of Thick-Shinned Tension Joints, „Aeronautical Engineering Review", 1953, vol. 12, No 11, pp. 27—46.
204
24. Григорьев В. П., Голдовский П. Б., Клепка конструкций из легких сплавов, Оборонгиз, 1954.
25. Б а л к о в е ц Д. С., Орлов Б. Д., Точечная и роликовая сварка специальных сталей и сплавов, Оборонгиз, 1957.
26. Э п ш т е й н Г., Склеивание металлов, Перевод с английского, Оборонгиз, 1956.
27. М и х а л е в И. И., Применение клеев в силовых узлах металлических авиаконструкций. Сборник статей «Клеи и технология склеивания», Оборонгиз, I960.
28. Г о р ю н о в Ю. Б., Применение клеевых и клее-заклепочных соединений при ремонте самолетов, Сборник статей «Клеи и технология склеивания», Оборонгиз, 1960.
29. К и р п и ч е в М. В., Теория подобия как основа эксперимента, Известия АН СССР, ОТН, № 4—5, 1945.
30. Ing. М. L i d а г i k, vuspl, Pardubice Lepeni Kovu a hodnoceni hotovych Spoju, «Strojirenstvi», 8, 1958, cis. 3.
31. Григорьев В. П., Технология самолетостроения, Оборонгиз, 1960.
32. Т и х о м и р о в В. И., Организация и планирование самолетостроительного предприятия», Оборонгиз, 1957.
. 33. Г р и г о р ь е в В. П., Клепка и клепальное оборудование в самолетостроении, Оборонгиз, 1948.
34. Бойцов В. В., Григорьев В.П., Разумихин М. И., «Сборочные и монтажные работы», Оборонгиз, 1959.
35. Григорьев В. П., Голдовский П. Б., Клепка на прессах, Оборонгиз, 1950.
36. Д е р я г и н Г. А., Повышение прочности деталей машин технологическими методами, Оборонгиз, 1960.
37. Сборник статей «Клеи и технология склеивания», Оборонгиз, 1960.
38. Б о р о д а ч е в Н. А., Щиголев Б. М., Обработка опытных данных и способ наименьших квадратов, Энциклопедический справочник «Машиностроение», т. 1, кн. 1, Машгиз, 1947.
39. Г о р о д е ц к и й И. Е., Основы технических измерений в машиностроении (гл. VI), Машгиз, 1950.
40. С л е с а р е в а М. И., Исследование заклепочного шва при односторонней клепке, Диссертация, 1953.
41. Bowen К., The Strength of Riveted Joints, „Aircraft Engineering“, 1945, vol. XVII, No 8, p. 83.
42. С к а к о в А. И., Упрочнение рельсов у болтовых отверстий, Труды ВНИИЖТ, вып. 82, под ред. Н. П. Щапова, Желдориздат, 1954.
43. Орлов Б. Д., Ч у л о ш н и к о в П. Л., Эльяшева М. А., Прочность соединений титана ВТ1Д, выполненных точечной и роликовой сваркой, «Сварочное производство», 1957, № 5.
44. Третьяков Ф. Е„ Каинова Г. Е., Прочность различных типов соединений титана ВТ1, выполненных контактной сваркой, «Сварочное производство», 1958, № 7.
45. С е р е н с е н С. В., Катаев В. П., Козлов Л. А., Шнейдер о-в и ч Р. М„ Сборник статей «Несущая способность и расчет деталей машин», Машгиз, 1954.
46. Ужик Г. В., Сопротивление отрыву и хрупкая прочность, Изд. АН СССР, 1950.
47. Ш л е й х е р Р. Л., Практические вопросы усталостной прочности самолетных конструкций, Сборник статей «Усталость самолетных конструкций», перевод с английского, Оборонгиз, 1961.
48. Гиддингс Г., Значимость проблемы усталостной прочности в проектировании самолетов, Сборник статей «Усталость самолетных конструкций», перевод с английского, Оборонгиз, 1961.
49. Григорьев В. П., Прочностные и технико-экономические показатели клепаных и сварных соединений из легких сплавов, «Вестник машиностроения», 1953, № 5.
50. Энциклопедический справочник «Машиностроение», т. 5, гл. I и II, Машгиз, 1948.
205
51. Энциклопедический справочник «Машиностроение», т. 4, гл. II, Маш-гиз, 1947.
52. С е р е н с е н С. В., Прочность металла и расчет деталей машин, ОНТИ, 1937.
53. Schaechterle К., Die Nietverbindung Neue Erkenntnisse aus Dauerversuchen, „Die Bautechnik", 1932, H. 22.
54. Справочник технолога машиностроения, т. 1, Машгиз, 1958.
55. Григорьев В. П., Не д о ро з о в П. В., Методика технического нормирования клепально-сборочных работ, Оборонгиз, 1947.
56. Epstein A., Bearing strength in Airplane desighn, „Journal of the Aeronautical Sciences", 1945, vol. 12, No 1.
57. Ратнер С. И., Разрушение при повторных нагрузках, Оборонгиз, 1959.
58. Г р и г о р ь е в В. П., Исследование влияния технологических факторов на качество соединений силовыми точками, Диссертация, МАИ, 1955.
59. Конструкционное демпфирование в неподвижных соединениях. Сборник статей под редакцией Я. Г. Пановко, Издание АН Латвийской ССР, Рига, 1960.
60. Якушев А. И., Влияние технологии изготовления и основных параметров резьбы на прочность резьбовых соединений, Оборонгиз, 1956.
61. Heywood R. В., Simplified Bolter Joints for High Fatigue Strength .Engineering", 1957, No 11.
62. С а в e p и н M. А., Разъемные соединения, Энциклопедический справочник «Машиностроение», т. 2, Машгиз, 1948.
63. Андреев Н. X., Ш а в ы р и н В. Н., К вопросу об испытании на отрыв клее-сварных точечных соединений, «Сварочное производство», 1961, № 8.
64. Энциклопедический справочник «Машиностроение», т. 5, гл. IV, Машгиз, 1947.
65. Ф и л а т о в Г. И., Склеивание элементов станочных приспособлений из нормализованных деталей, Сборник статей «Технология и организация авиационного производства», Оборонгиз, 1961.
66. М е т е л к и н А. Ф., Применение эпоксидных смол для сборки деталей машин, «Пластические массы». 1960, № 8.
67. Б р у к е р X. Р., Б и т с о н Е. В., Пайка в промышленности, перевод с английского, Оборонгиз, 1957.
68. Иванова 3. Г., С о б о л е в с к и й М. В., Теплостойкие клеи на основе сополимеров поливинилацеталей, фенальных смол и кремнеорганических соединений, Сборник статей «Клеи и технология склеивания», Оборонгиз, 1960,
69. Ф р е й д и н А. С., Влияние способа подготовки поверхности алюминия на прочность его склеивания с различными материалами, «Пластические массы». 1961, № 11.
70. К а р л о в Г. И., Шарыгин Н. Г,, Якобсон И. В., Рощупкин В. В., Исследование выносливости заклепочных соединений, издание ВВИА им. Жуковского, 1959.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Принятые обозначения основных величин ...........................
Введение ............................................................
Глава I. Общая характеристика соединений, выполняемых силовыми точ ками и непрерывным швом..............................................
1. Общая характеристика соединений и виды швов...................
2. Соединения, выполненные силовыми точками......................
Работа соединений, выполненных силовыми точками, на срез . . .
Работа соединений, выполненных силовыми точками, на отрыв . .
3. Соединения, выполняемые непрерывным швом......................
Работа соединений, выполненных непрерывным швом, на срез . . Работа соединений, выполненных непрерывным швом, на отрыв ,
3
5
8
8
12
12
23
24
24
25
Глава II. Понятия о конструктивных и конструктивно-технологических параметрах шва........................................................ 26
Глава III. Концентрация напряжений в элементах конструкции............ 28
1. Концентрация напряжений в листах, вызываемая отверстиями, силовыми точками и изменением механических свойств материала ... 28
2. Концентрация напряжений в листах от изгиба..................... 43
3. Суммарный коэффициент концентрации напряжений Y................ 49
Глава IV. Исследование процессов выполнения^ соединений на образцах, экспериментальных конструкциях и готовых изделиях..................... 50
Глава V. Методика проведения исследований технологических процессов выполнения соединений на образцах..................................... 53
1. Форма и размеры образцов....................................... 53
2. Изготовление образцов.......................................... 57
3. Режимы нагружения при испытаниях и показатели прочности сравниваемых соединений............................................... 65
Глава VI. Условия сравнения соединений ............................... 98
1. Подобие сравниваемых соединений.............................. 98
2. Условия сравнения соединений одного вида, выполненных различными способами . . . . .......................................... 105
3. Условия сравнения соединений различных видов.................. 106
Глава VII. Стабильность прочности соединений, выполненных различными способами............................................................ 111
1. Показатели стабильности прочности и выносливости соединений . 111
2. Стабильность прочности соединений при разрушении их статическими нагрузками . . ...................................... 112
Стабильность показателей прочности клепаных соединений .... 112
Стабильность характеристик прочности клеевых соединений ... 119
Стабильность характеристик прочности соединений, выполненных точечной электросваркой ,........................................ 120
207
Стр.
3. Стабильность выносливости соединений при разрушении переменными нагрузками............................................... 122
4. Общие выводы о стабильности прочности и выносливости соединений 124
Глава VIII. Влияние технологических операций на прочность соединений, выполняемых силовыми точками........................................ 126
1. Подготовка поверхностей соединяемых деталей под контактную электросварку .................................................. 128
2. Образование отверстий под заклепки и болты.................... 129
Методы образования отверстия ................................. 129
Совпадение отверстий в соединяемых элементах ......... 134
Способы образования гнезд под потайные головки заклепок и винтов (болтов)..................................................... 139
3. Характер посадки заклепок и болтов в отверстия................ 160
Напряженное состояние в листе при различной посадке болтов и заклепок....................................................... 160
Концентрация напряжения в листах при испытании вибрационными и повторными статическими нагрузками........................... 167
Влияние характера посадки на жесткость, прочность и выносливость соединений при статических, вибрационных и повторных статических нагрузках ......................................... 171
4. Образование силовой точки..................................... 178
Образование замыкающей головки заклепки...................... 178
Постановка и затяжка гаек болтового соединения................. 184
Образование сварных точек...................................... 187
Глава IX. Влияние технологических операций на прочность и выносливость соединений, выполняемых непрерывным швом............................ 191
1. Характеристика соединений, выполняемых непрерывным швом . . . 191
2. Зависимость прочности соединений от способа подготовки поверхностей, толщины слоя и режимов отверждения связующего вещества 197
3. Оформление результатов исследований соединений, выполняемых непрерывными швами.............................................. 202
Литература........................................................... 204
Василий Прохорович Григорьев
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПОЛНЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ НА ИХ ПРОЧНОСТЬ И ВЫНОСЛИВОСТЬ
Изд. редактор В. М. Токарь
Технич. редактор Л. А. Гарнухина
Т-03902 Подписано в печать 28/II 1963 г. Учетно-изд. л. 11,72
Формат бумаги 60X92716=6,50 бум. л.—13,00 печ. л.
Цена 74 коп. Тираж 4500 экз. Заказ 1125/1861
Типография Оборонгиза
Замеченные опечатки
Страница Строка Напечатано Следует читать
3 11 снизу осесимметричном асимметричном
15 1 снизу ПРИ ав (8,) < 5в(8В) ПРИ ^(S,) < °в(82)
88 Таблица 21 188 162 162
93 6 сверху клепаные клепано-клеевые
109 В таблице 4 снизу Разрывные Взрывные
133 Подпись под фиг. 84 <зв = 25 ов = 55
134 20 сверху 32300 323100
170 В таблице колонка 2 5 снизу = — °СЖ = — °' ®Z ® ®сж —
Заказ 11^/1861