Різьбовий кріпильний елемент

Реферат: Різьбовий кріпильний елемент, виконаний у вигляді стрижня з різьбленням на зовнішній поверхні та наскрізним осьовим отвором. Елемент виготовлений із сталі з межею текучості від 2 500 до 1200 Η /мм . Товщина стінки елемента визначається по залежності:     exp  0,3694 ln    2,0673 ln    5,5744  1. 2 UA 103677 U (12) UA 103677 U UA 103677 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до металообробки, зокрема до виробництва кріпильних виробів з рядових марок сталі, які можуть бути використані у вигляді болтів і шпильок з межею міцності понад 500 МПа в різьбових з'єднаннях в машинобудуванні, мостобудуванні, будівництві та інших галузях. Відомо різноманіття кріпильних порожніх виробів (болт, штуцер, шпилька та ін.), які застосовуються в автомобілебудуванні, моторобудуванні, авіабудуванні та інших галузях. Основне призначення такого кріплення - створення і функціонування паливних, масляних, гальмівних, охолоджуючих та інших систем по яким здійснюється рух рідин, мастил, палива чи повітря. Прикладом можуть служити порожнисті болти по ГОСТ 25682-84 для різьбових поворотних з'єднань трубопроводів. Основне призначення даного кріплення в таких системах це створення герметичності системи в різних переходах і з'єднаннях. При цьому до кріплення не пред'являються високі вимоги по механічним властивостям. Відомий ряд технічних рішень, де виконання кріпильних елементів з порожнинами 7 використовується з метою підвищення механічних властивостей (Патент RU №2192568, МПК F16B 13/00, F16B 15/00, F16B 35/00, F16B 35/04 «Кріплення», опублікований 10.11.2002 р., БІ №31), який має базову конфігурацію стрижневого кріплення, при цьому в його тілі виконана поздовжня порожнина з утворенням наскрізного каналу. Внутрішня поверхня тіла стрижневого кріплення, що обмежує порожнину, зміцнена. Внутрішня та/або зовнішня поверхні або їх частини виконані профільованими у вигляді різьблення. В результаті декларується (без подання відповідних чисельних даних) підвищення ресурсу використання кріплення при циклічних навантаженнях. Однак даний винахід не гарантує підвищення несучої здатності і надійності нарізного сполучення так як не нормує геометричних розмірів порожнини і не пов'язує їх з рівнем статичної міцності. Прототипом пропонованої корисної моделі, як найбільш близьким за своєю технічною сутністю та результату, що досягається, є різьбовий кріпильний елемент (патент UА №11158, МПК 7 F16B 35/00 «Різьбовий кріпильний елемент», опублікований 25.12.1996 р., Бюл. №4), що містить стрижень з різьбленням на зовнішній поверхні та наскрізним осьовим отвором, при цьому зовнішній діаметр стрижня дорівнює 1,4-1,5 діаметра отвору. Дане технічне рішення дозволяє збільшити втомну міцність різьбового елемента на думку авторів, без приведення ними відповідних даних. Недоліками відомого нарізного кріплення є: - хоча винахід, що розглядається, унормовує геометричні розміри порожнини, але як і раніше не пов'язує їх з рівнем статичної міцності; - не забезпечує можливості кількісного розрахунку характеристики опору руйнування і тим самим розрахунку на міцність різьбового елемента. Отже, винахід (прототип) не можливо гарантовано використовувати для різьбових елементів різних класів міцності і проводити кількісну оцінку їх експлуатаційної надійності. Задачею пропонованої корисної моделі є підвищення експлуатаційної надійності нарізного кріплення широкого діапазону по класу міцності із сталей рядового складу. Поставлена задача вирішується тим, що пропонований різьбовий кріпильний елемент виконується у вигляді стрижня з різьбленням на зовнішній поверхні та наскрізним осьовим 2 отвором, виготовляється із сталі з межею текучості від 500 до 1200 Η/мм , а товщина стінки елемента визначається по залежності: 2   exp  0,3694 ln    2,0673 ln    5,5744  1,   де:  - товщина стінки елемента, мм;  - межа текучості металу елемента, МПа, а 0,3694; 2,0673 і 5,5744 - коефіцієнти, отримані дослідним шляхом після обробки експериментальних даних по визначенню впливу межі текучості металу на товщину стінки елемента, що забезпечує максимальне значення в'язкості руйнування (Кс), як характеристики тріщиностійкості. Технічний результат пропонованої корисної моделі полягає в отриманні різьбових кріпильних елементів з підвищеною експлуатаційною надійністю різних класів міцності із сталей рядового складу. Досягнення зазначеного технічного результату забезпечується тим, що пропонований різьбовий кріпильний елемент містить стрижень з різьбленням на зовнішній поверхні та 2 наскрізним осьовим отвором і виконаний зі сталі з межею текучості від 500 до 1200 Η/мм , а товщина стінки елемента визначається в залежності від значення межі текучості сталі. При цьому товщина стінки елемента, що забезпечує максимальне значення в'язкості руйнування при конкретному значенні межі текучості, визначається по залежності: 1 UA 103677 U  5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55  2   exp  0,3694 ln    2,0673 ln    5,5744  1, де:  - товщина стінки елемента, мм;  - межа текучості металу елемента, МПа, а 0,3694; 2,0673 і 5,5744 - коефіцієнти, отримані дослідним шляхом після обробки експериментальних даних по визначенню впливу межі текучості металу на товщину стінки елемента, що забезпечує максимальне значення в'язкості руйнування (тріщиностійкість). Всі відмітні ознаки корисної моделі, що заявляється, взаємопов'язані і сприяють досягненню поставленої задачі. Так, якщо пропонований різьбовий кріпильний елемент містить стрижень з різьбленням на зовнішній поверхні та наскрізним осьовим отвором, то це полегшує формування 2 в сталі різних рівнів межі текучості від 500 до 1200 Η/мм шляхом термічної обробки за рахунок того, що порожнистий виріб з певною товщиною стінки легше загартувати на необхідну товщину. А створення стінки елемента завтовшки, що визначається залежно від значення межі текучості сталі сприяє забезпеченню максимального значення в'язкості руйнування при конкретному значенні межі текучості і визначається з рівняння:     exp  0,3694 ln    2,0673 ln    5,5744  1, де:  - товщина стінки елемента, мм;  - межа текучості металу елемента, МПа, а 0,3694; 2,0673 і 5,5744 - коефіцієнти, отримані дослідним шляхом після обробки експериментальних даних по визначенню впливу межі текучості металу на товщину стінки елемента, що забезпечує максимальне значення в'язкості руйнування (тріщиностійкість). Останнє підвищує експлуатаційну надійність різьбового з'єднання, тому що істотно знижує небезпеку руйнування при напруженнях нижче межі текучості. Порівняльний аналіз пропонованого винаходу з прототипом дозволяє зробити висновок, що різьбовий кріпильний елемент, який заявляється, відрізняється від відомого тим, що виконується зі сталі з різною межею текучості, тобто виробляється виріб різного класу міцності під конкретні умови застосування, а вибір товщини стінки здійснюють за певною формулою, що забезпечує максимальний рівень конструктивної міцності (оптимальне поєднання рівня межі текучості і в'язкості руйнування, тобто тріщиностійкості). Аналіз патентної та науково-технічної інформації не виявив рішень, що мають аналогічну сукупність ознак, якими досягався б подібний ефект - отримання нарізного кріплення різних класів міцності з економнолегованих марок сталей рядового складу, з розрахунком геометрії полого нарізного елемента і підвищення їх експлуатаційної надійності за рахунок оптимального поєднання характеристик опору деформації і тріщиностійкості. Пропонований різьбовий кріпильний елемент має базову конфігурацію стрижневого кріплення і може бути виконаний у вигляді шпильки, болта, або іншого кріпильного елемента, які використовуються для з'єднання та кріплення різних деталей, з різьбленням на зовнішній поверхні та наскрізним осьовим отвором. Пропонований різьбовий кріпильний елемент ілюструється кресленнями. На фіг. 1 наведено різьбовий кріпильний елемент у вигляді шпильки 1 з різьбленням по всій довжині L 1 діаметром d1, яка має суцільний отвір 6 діаметром d2 (порожниста шпилька з різьбленням по всій довжині). На фіг. 2 наведено різьбовий кріпильний елемент у вигляді шпильки 2 з різьбленням на двох торцевих ділянки довжиною L2, яка має суцільний отвір 6. При цьому середня частина зовнішньої поверхні виконана гладкою (порожниста шпилька з різьбленням на торцях). На фіг. 3 наведено різьбовий кріпильний елемент у вигляді болта 3, де різьблення довжиною L3 виконано на всій довжині циліндричної ділянки, який має суцільний отвір 6. На другій торцевій ділянці сформовано потовщення в вигляді шестигранною головки 5 (порожнистий болт з різьбою під головку). На фіг. 4 наведено різьбовий кріпильний елемент у вигляді болта 4 з різьбленням на торцевій ділянці довжиною L 4, який має суцільний отвір 6. При цьому на поверхні між ділянкою з різьбленням на одному торцевому кінці і голівкою 5 на іншому торцевому кінці є гладка частина зовнішньої поверхні (порожнистий болт з гладкою частиною зовнішньої поверхні і ділянкою з різьбою). Як показано на кресленнях, відмітною особливістю пропонованого нарізного кріплення у вигляді шпильки або болта с наявність наскрізного осьового отвору 6 і товщина стінки елемента , яка визначається розрахунковим шляхом (за формулою) виходячи з характеристики межі текучості сталі, з якої виконано виріб. Приклад виконання пропонованого різьбового кріпильного елемента. Дослідні зразки нарізного кріплення виготовляли у вигляді порожнистої шпильки 1 (фіг. 1) з різьбленням по всій довжині розміром М42. Для цього використовували трубу із сталі 35 із зовнішнім діаметром 42 мм і наскрізним осьовим отвором діаметром 19 мм (товщина стінки 11,5 2 2 UA 103677 U 5 10 15 мм). Трубу різали на відрізки (заготовки) у вигляді стрижнів довжиною по 400 мм. Попередньою термічною обробкою (гартування + відпуск) на заготовках формували рівень міцності за межею 2 текучості 1000 H/мм . На різьбонакатному верстаті на зовнішній поверхні стрижнів накочували різьбу розміром М423 (ГОСТ 1759.4). Товщина стінки  нарізного кріплення (по западині різьби) становила 9,0 мм, що є еквівалентом по площі болта Μ30 з суцільним перерізом (площа 560 2 мм ). Для порівняння критерію (показника) Кс вибирали товщину стінки полого нарізного кріплення, яка дорівнювала більше або менше товщини  (5 і 15 мм), що забезпечує максимальне значення в'язкості руйнування Кс (характеристика тріщиностійкості). Зразки отриманого нарізного кріплення піддавали механічним випробуванням. Результати випробувань представлені в таблиці. Для порівняння випробували кріпильний елемент по прототипу з наскрізним осьовим отвором з дотриманням умови dз/dвн = 1,4-1,5 (відношення зовнішнього діаметру до 2 внутрішнього). Для отримання кріплення з площею поперечного перерізу 560 мм (болт М30 суцільного перетину) необхідно отримати болт із зовнішнім діаметром 36 мм і внутрішнім отвором діаметром 24 мм, при цьому товщина стінки складатиме  = 6 мм, що менше значення, визначеного за пропонованою формулою. Таблиця Механічні властивості різьбових кріпильних елементів. , мм 6,0 5,0 9,0 15,0 № *) 1 2 3 4 т, МПа 820 1010 990 905 в, МПа 950 1120 1080 1000 1/2 МПам 127 120 171 138 Клас міцності 9.9 10.9 10.9 10.9 *) - шпильки за прототипом 20 25 30 Отримані результати свідчать про те, що пропонований різьбовий кріпильний елемент, виконаний з сталі 35 у вигляді порожнього стрижня з різьбленням на зовнішній поверхні, характеризується підвищеними споживчими властивостями (міцністю), що забезпечує отримання високоміцних кріплень класу 10.9 великих типорозмірів. На підставі вищевикладеного, можна зробити висновок, що запропонований різьбовий кріпильний елемент працездатний і усуває недоліки, що мають місце в прототипі і забезпечує максимальне значення в'язкості руйнування (Кс), як характеристики тріщиностійкості. Запропонований винахід може знайти застосування в конструкціях, де потрібне використання кріплення з підвищеними вимогами до зовнішніх навантажень, зокрема до циклічних навантажень, в машинобудуванні, мостобудуванні, будівництві, транспорті та інших галузях промисловості. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 Різьбовий кріпильний елемент, виконаний у вигляді стрижня з різьбленням на зовнішній поверхні та наскрізним осьовим отвором, який відрізняється тим, що виготовлений із сталі з 2 межею текучості від 500 до 1200 Η /мм , при цьому товщина стінки елемента визначається по залежності:     exp  0,3694 ln    2,0673 ln    5,5744  1, 40 2 де:  - товщина стінки елемента, мм;  - межа текучості металу елемента, МПа, а 0,3694; 2,0673 і 5,5744 - коефіцієнти, отримані дослідним шляхом після обробки експериментальних даних по визначенню впливу межі текучості металу на товщину стінки елемента, що забезпечує максимальне значення в'язкості руйнування. 3 UA 103677 U 4 UA 103677 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5