Характеристика свинчиваемости резьбовых соединений

Такое понятие, как свинчиваемость подразумевает под собой способность резьбовых деталей при их соединении образовывать работоспособное соединение, которое к тому же является разъемным. Это свойство характеризует склонность стержня болта к возможному во время затяжки скручиванию, а также заеданию в соединении, как при его затяжке, так и через некоторое время. Кроме этого, это свойство характеризует склонность болта к коррозии в процессе трения.

Для оценки свинчиваемости используют коэффициенты трения, как в резьбе, так и на торце гайки.

Многие ученые, среди которых такие как Альмен, Клейн, Старостин, Херниг, Щуренко изучали влияние различных факторов на коэффициенты трения, как в самой резьбе, так и на торце гайки, для чего проводились обширные и достаточно глубокие исследования.  Табл. 11.1 и 11.2 содержат и те и другие коэффициенты трения, которые бывают разными в зависимости от способа, при помощи которого было получено покрытие, а также от наличия и марки присутствующего смазочного материала и количества предварительных затяжек. Из анализа данных можно заключить, что в целом значение трения в резьбе несколько выше значения, характерного для трения на торце гайки.

Таблица 11.1

Средние значения коэффициентов трения в резьбе f _р и на торце гайки f _т в зависимости от вида покрытия и числа затяжек (по данным Г. Б. Иосилевича и О. А. Ямпольского)

Примечание. Болт М6х6; материал болта и гайки – сталь 14Х17Н2; толщина покрытий 10 мкм.

Стоит отметить, что коэффициент трения возрастает при увеличении числа затяжек, в случае если поверхность была подвергнута цинкованию, оксидированию, никилированию и меднению, табл. 11.1 

В случае если сила затяжки возрастет коэффициент трения без использования смазки, может несколько увеличиться, если не будет заедания, либо может немного снизиться. При этом сила F_o никак не влияет на величину коэффициента трения при нормальных напряжениях затяжки.

В тоже время характерным явлением для проводимых исследований стал большой разброс величин  f_р и f_т. При этом степень разброса f_р выше, что является свидетельством меньшего качества резьбы, если его сравнивать с торцом гайки. Для зарубежной практики характерно использование коэффициента трения при расчете затяжки соединений, что вызвано меньшим разбросом значений этого коэффициента, табл. 11.3. К тому же Зидер и Херниг установили, что увеличение количества затяжек способствует уменьшению разброса величин f_р и f_т.

Таблица 11.2

Средние значения коэффициентов трения в резьбе f_р и на торце гайки f_т (по данным И.Г. Старостина)

*¹ Материал болта и гайки – сталь 30ХГСА; резьба М12*1,5; толщина покрытия до 6 мкм.

*²  В скобках даны значения f_р и f_т при трении без смазочного материала.

*³ После трехкратной затяжки.

В тоже время увеличение скорости завинчивания влечет уменьшение обоих коэффициентов трения. Эта особенность должна быть учтена при ручной затяжке особенно при работе предельными ключами, когда d >= 10 мм. Неравномерность вращения в процессе монтажа может привести к перетяжке или, наоборот, недотяжке соединения, при этом механизированная затяжка зачастую приводит к значительной перетяжке.

Обеспечить пропорциональность между силой предварительной затяжки и моментом на ключе возможно при использовании смазки для поверхностей трения, что ведет к стабилизации коэффициентов трения. В тоже время при отсутствии смазки контроль затяжки по М_кл затруднен. К тому же использование смазки предотвращает чрезмерное изнашивание резьбы, что весьма важно во время эксплуатации соединения. Так, выводы, приведенные в работе [13], указывают, что наличие СМ при использовании в соединении высокопрочных болтов с f = 0,14-0,15, где на f не влияют ни способ изготовления резьбы, ни класс прочности, коэффициент трения как под гайкой, так и под головкой болта никак не зависит от степени твердости участвующих в соединении деталей, если твердость находится в пределах 22,1-51,3 HRCa.

Достаточно эффективными средствами, которые способны снизить коэффициент трения, что, в свою очередь, защищает резьбу от коррозии во время затяжки, являются такие смазочные материалы как MoS₂ (дисульфид молибдена). Это способствует предотвращению разрушения соединений при использовании в качестве крепежа высоко- и сверхпрочных болтов. Как правило, СМ на поверхность наносят после ее обработки, т. е. после кадмирования, анодного оксидирования и т. п.

Таблица 11.3

Средние значения приведенного коэффициента трения f  для определения момента на ключе

Примечание. При повторных затяжках и трений с СМ значение f _пр следует уменьшать на 10…30%.

В тоже время нужно признать, что оценка влияния СМ, оказываемая на коэффициент трения в резьбовом соединении, не полна, одним из главных требований в этом случае выступают хорошие противозадирные характеристики смазки. Подобные свойства характерны для MoS₂, графитных смазок, например НК-50 и масла, в которое добавлены присадки, состоящие из жирных кислот и особых соединений фосфора, серы и хлора с хорошими характеристиками сцепления с молекулами метала и высокой прочностью своих мономолекулярных слоев, которые к тому же обладают способностью к самовосстановлению, а это очень важно в случае воздействия больших удельных давлений на витки. Боуден и Тейбор подробно описали в своей работе все вопросы, связанные с применение противозадирных средств.

Соединения из сплавов титана. Для таких соединений характерными являются большие значения величин коэффициентов трения, как в самой резьбе, так и на торце гайки, из-за чего существует опасность скручивания, как шпилек, так и болтов диаметром до 10 мм. К тому же такие соединения склонны к разрушению в результате воздействия контактной коррозии.

Таблица 11.4

Коэффициенты трения в резьбовых соединениях из титановых сплавов

* В состоянии поставки.

** Покрытие кадмием нельзя использовать при температуре свыше 200 ^оС вследствие эффекта Ребиндера.

К наиболее эффективным способам уменьшения коэффициентов трения в подобных соединениях следует отнести:

• Химико-термическую обработку;
• Применение специальных покрытий;
• Применение смазочных материалов.

Табл.11.4 содержит результаты, полученные в ходе исследования свинчивамости соединений, выполненных из сплавов титана. Так наилучших результатов по снижению коэффициентов трения в резьбе в данных соединениях можно получить при покрытии поверхностей оловом, кадмием и в особенности серебром. При этом увеличение количества затяжек ведет к ухудшению антифрикционных свойств, что вызвано малой степенью адгезии покрытия к материалу, как болта, так и гайки. Лучшие результаты можно получить при использовании в паре с титановыми болтами гаек, выполненных из стали, например, хорошо зарекомендовали себя стальные гайки из 30ХГСА, 12Х18Н10Т, которые затем покрываются оловом или кадмием. Благодаря хорошей адгезии в этом случае свинчивать соединения можно до 50 раз.

Таблица 11.5

Коэффициенты трения в резьбе с медным покрытием

(болт из ВТ16, гайка из ВТ6)

В тоже время марка использованного сплава и последующая термообработка влияния на коэффициент трения в резьбе практически не оказывают.

Для значительно снижения коэффициента трения в соединениях используют такие средства смазки, как: №8, СК-2-06, ВНИИ НП-232, 4Ф, MoS₂, петролатум. Из этих смазок смазки №8, 4Ф и СК-2-06 являются фторорганическими и естественно, обладают хорошими характеристиками адгезии по отношению к титану и смазочной пленкой, которая отличается высокой прочностью. В тоже время ВНИИ НП-232 характеризуется хорошими антифрикционными свойствами, что возможно благодаря 70% содержанию в составе этого СМ MoS₂.

Наибольшую эффективность при улучшении характеристик свинчиваемости показали соединения, выполненные из титана, где совместно с СМ были использованы мягкие покрытия. Так, при использовании мягких покрытий из меди можно получить поверхность с хорошими адсорбирующими характеристиками в отношении компонентов СМ, при этом на витках резьбы будет образован достаточно тонкий, адсорбционно-пластифицированный слой. Этот слой будет способствовать улучшению характеристик адгезии смазки и повысит ее прочность. Также увеличение количества затяжек приведет к приработке поверхностей. Следствием чего станет уменьшение величины f_т.

К тому же соединения, выполненные из сплавов титана не склонны к заеданию.