Ca indicator de bază pentru controlșurubforța de strângere, realitatea este că cea mai mare parte a cuplului de strângere se pierde prin frecare, doar o mică parte fiind convertită efectiv în forță de strângere. Deci, ce factori determină în cele din urmă distribuția cuplului bolțului și mărimea coeficientului de frecare? Astăzi, editorul de la Jiangsu Jinrui va împărtăși un studiu empiric bazat pe analiza microtopografică, care dezvăluie factorii cheie care influențează distribuția cuplului șuruburilor și coeficientul de frecare, oferind o bază solidă pentru obținerea unei fixări de-înaltă fiabilitate.
1. Coeficientul de frecare și distribuția cuplului
Când strângeți un șurub, cuplul de intrare nu este utilizat în întregime pentru a întinde șurubul și a genera forță de strângere. De fapt, cuplul este distribuit pe trei căi de consum:
Frecarea filetului: Frecarea are loc în zona de contact a filetului dintre șurub și piuliță, consumând o cantitate mare de cuplu;
Frecarea suprafeței lagărului: Frecarea există și între capul șurubului și șaibă sau suprafața componentei conectate, iar cuplul consumat în această parte reprezintă o proporție mai mare;
Efectul unghiului de avans al filetului (adică componenta efectivă de preîncărcare): Doar această parte a cuplului este cu adevărat folosită pentru a întinde șurubul și, astfel, a forma forța de strângere.
Studiile au arătat că aproximativ 85% până la 90% din cuplu este folosit pentru a depăși frecarea și doar aproximativ 10% este transformat în forță de tracțiune a șuruburilor.
Aceasta înseamnă că, odată ce coeficientul de frecare se modifică, eficiența conversiei cuplului se va modifica în consecință, rezultând o posibilă diferență de mai mult decât dublă în forța de strângere generată sub același cuplu. Prin urmare, nu este de încredere să blocați forța de strângere numai prin cuplu.
2. Proiectare Scheme
Pentru a explora în profunzime factorii de bază care determină distribuția cuplului bolțului și coeficientul de frecare, Laboratorul de Tribologie de la École Centrale de Lyon din Franța a conceput o schemă experimentală sistematică. Scopul principal al acestei scheme este de a combina testarea mecanică cu analiza microtopografiei de suprafață pentru a stabili o relație cauzală între comportamentul de frecare și microstructură.
Experimentul a fost efectuat în conformitate cu standardul ISO 16047 pentru testarea cuplului-forței de strângere. Șuruburile folosite au fost de specificația M10×60, din oțel 30MnB4, care au fost cu cap-la rece, file-laminate și apoi electrogalvanizate. Valorile specifice ale cuplului total au fost înregistrate în detaliu, în timp ce cuplul filetului și cuplul suprafeței rulmentului au fost separate pentru a calcula cu exactitate coeficientul de frecare și a analiza legea distribuției cuplului. Tehnologia de scanare a topografiei tridimensionale a fost utilizată pentru a extrage parametrii legați de rugozitate-, iar modificările parametrilor înainte și după strângere au fost comparate pentru a explora corelația intrinsecă dintre comportamentul de frecare și microtopografie. Acest design nu ia în considerare doar performanța mecanică, ci se adâncește și la nivelul micro, dezvăluind motivele fundamentale ale schimbărilor în distribuția cuplului șuruburilor și a coeficientului de frecare.
3. Metoda de verificare a testului
Pe baza schemei de mai sus, a fost construit un dispozitiv de testare conform standardului ISO 16047, care poate măsura cu precizie cuplul și forța de strângere. Procesul de testare include următoarele link-uri:
Fixarea și încărcarea șuruburilor: instalați șurubul pe un banc de testare standard, aplicați un cuplu stabilit și înregistrați-în timp real valorile cuplului total, cuplul filetului, cuplul suprafeței rulmentului și forța de strângere;
Măsurarea separării prin frecare: Separați frecarea filetului de frecarea suprafeței rulmentului prin structura specială a dispozitivului și a senzorilor pentru a asigura acuratețea calculului coeficientului de frecare;
Aranjamentul de scanare topografică: înainte și după fiecare operațiune de strângere, efectuați o scanare tri-dimensională pe suprafața de sprijin a capului șurubului și a suprafeței șaibei pentru a capta informații despre caracteristicile la nivel de microni-;
Extragerea și analiza parametrilor: extrageți parametrii legați de rugozitate-și combinați-i cu datele de frecare pentru a analiza relația corespunzătoare dintre modificările topografiei suprafeței și comportamentul la frecare.
Figura de mai jos prezintă structura bancului de testare și pozițiile specifice ale punctelor de măsurare.
4. Analiza rezultatelor topografiei
Datele de testare au relevat mai multe fenomene cheie care ajută la înțelegerea profundă a factorilor fundamentali care determină distribuția cuplului și coeficientul de frecare:
4.1 Modificări dinamice ale coeficientului de frecare
În timpul procesului de strângere, coeficientul de frecare nu este constant, ci se modifică continuu odată cu starea de contact. În general, coeficientul de frecare a suprafeței lagărului este cu aproximativ 44% mai mare decât coeficientul de frecare a filetului, ceea ce indică faptul că cea mai mare parte a cuplului este consumată mai degrabă pe suprafața rulmentului decât pe suprafața filetului.
4.2 Dispersibilitate semnificativă a cuplului
Chiar și atunci când este setată aceeași țintă de forță de strângere, diferența de cuplu necesar poate fi aproape dublă. De exemplu, unele șuruburi necesită un cuplu de 96,7 Nm, în timp ce altele au nevoie doar de 54,5 Nm. Această dispersibilitate a valorilor cuplului este cauzată direct de instabilitatea coeficientului de frecare.
4.3 Evoluția semnificativă a topografiei de suprafață
Rezultatele scanării tri-dimensionale arată că parametrii de rugozitate ai suprafeței de rulment au suferit modificări semnificative:
Sq (rugozitatea pătrată medie a rădăcinii) a scăzut de la aproximativ 5,3 μm la 1,04 μm, iar suprafața a devenit mai netedă;
Ssk (aclinarea) a devenit negativă, indicând o schimbare în distribuția vârfurilor și văilor de suprafață, cu mai mult material concentrat în punctele joase (văile) ale suprafeței, iar caracteristicile gropii au devenit mai evidente;
Valoarea Sku (kurtosis) a crescut, ceea ce înseamnă că capacitatea portantă a suprafeței a fost îmbunătățită.
Aceste modificări indică faptul că în timpul procesului de strângere, suprafața suferă o deformare plastică, aria de contact reală crește, iar comportamentul la frecare se modifică în consecință. Figura de mai jos prezintă topografia tri-dimensională a suprafeței de rezemare a capului șurubului înainte și după strângere: înainte de strângere, suprafața prezintă o structură de vale-de vârf evidentă; după strângere, vârfurile aspre sunt forfecate, suprafața tinde să fie plană, iar direcționalitatea este mai evidentă. Acest lucru arată că frecarea nu numai că consumă energie, ci și remodelează structura suprafeței la nivel micro.
Figura de mai jos marchează în mod clar urmele de frecare și zonele de deformare plastică de pe suprafața rulmentului prin observație microscopică: există zgârieturi semnificative în unele zone, iar direcția de extindere a zgârieturilor este în concordanță cu direcția de rotație a șurubului, indicând faptul că frecarea a cauzat fluxul de material și deteriorarea suprafeței.
Figura de mai jos prezintă caracteristicile inegale ale contactului cu suprafața rulmentului: aria de contact reală este mult mai mică decât aria nominală, iar sarcina este concentrată în câteva micro-zone, ceea ce duce la stări locale de tensiune ridicată-și deformare plastică. Acest contact neuniform este factorul cheie care provoacă fluctuații ale coeficientului de frecare.
