Em equipamentos modernos, os parafusos geralmente operam sob cargas variáveis. Por exemplo, um tipo de parafuso da cabeça do cilindro do motor de combustão interna funciona em um ambiente hostil sob tensão repetida.
A estrutura não permite um aumento no tamanho do parafuso, necessitando de um aumento na sua resistência e resistência à fadiga por tração.
Em outras palavras, há demandas maiores para a vida útil à fadiga por tração de tais parafusos.
1. Padrões de fadiga para fixadores roscados
Dada a diversidade de requisitos dos utilizadores e os diferentes ambientes operacionais para fixadores, é essencial estabelecer e selecionar indicadores de esperança de vida em ambientes padronizados, onde as condições de carga são o fator mais significativo.
1.1 Condições de Carga
As condições de carga aqui referidas são os valores de carga máximo e mínimo aplicados ao parafuso durante o teste de fadiga.
Atualmente, tanto a ISO quanto nossos padrões nacionais para parafusos com classificação σb≥1200MPa definem o valor de carga máximo como 46% da carga mínima de ruptura por tração do parafuso – o valor K (fator de carga).
As normas especificam valores padrão mínimos de carga de ruptura para parafusos de diferentes diâmetros.
Esses valores servem como base para a aceitação da resistência à tração estática e para a carga de teste de fadiga (carga máxima de teste de tração de fadiga = carga de tração mínima × fator de carga K).
Por exemplo, para parafusos de cabeça sextavada de aço-liga, o valor K é definido em 0,46.
A carga mínima no ensaio de fadiga e tração é determinada pela relação de carga R. R = carga mínima / carga máxima, R = 0,1.
1. 2 índices de expectativa de vida
De acordo com as estipulações de carga acima mencionadas, existe um índice de vida útil unificado. Ou seja, entre as amostras prescritas, a contagem mínima de ciclos não é inferior a 4,5×104.
Qualquer contagem superior a 13×104 nas amostras é considerado como 13×104 para fins de média.
2. Vida útil à fadiga por tração de fixadores roscados
2.1 Seleção de Materiais de Parafuso e Tratamento Térmico
De acordo com padrões relacionados na China (como GB/T 3098.1—2000), os requisitos de desempenho à fadiga são especificados apenas para parafusos com σb≥1200MPa.
A principal razão para impor requisitos de desempenho à fadiga ao aço de alta resistência é que, embora a sua resistência seja aumentada, a sua reserva de plasticidade do material é marcadamente inferior à do aço de média e baixa resistência.
Comparar este requisito com ligas à base de níquel e ligas de titânio, que apresentam maior resistência e boa reserva de plasticidade, é obviamente inadequado. Por exemplo, 40CrNiMo, 30CrMnSi, etc.
Se escolhermos um material de liga de aço de maior resistência, como a liga americana INCONEL 718, que pode ter uma resistência acima de 1600MPa, ele demonstrará altos valores de vida útil durante testes de fadiga sob condições típicas de carga. Tomemos o parafuso M6 como exemplo.
Se a carga de teste de fadiga especificada pela norma for 11,01kN, e a carga de falha de tração estática for 23,93kN, enquanto a carga de falha de tração estática real da liga INCONEL 718 pode atingir até 35kN.
Se ainda usarmos 11,01kN como Pmax para o teste de fadiga, seria equivalente apenas a 31% da carga de ruptura de tração estática, naturalmente, seu valor de vida será maior.
No entanto, para materiais de alta resistência como 30CrMnSiNi, sua sensibilidade ao entalhe é extremamente alta e os valores de vida durante os testes de fadiga por tração são muito baixos. Eles não são adequados para uso em componentes roscados que exigem resistência à fadiga por tração.
Embora certos materiais possam corresponder à carga de ruptura por tração estática de ligas de aço como 30CrMnSi, eles não atendem aos requisitos padrão em testes de resistência à fadiga no mesmo nível de carga, como a liga de titânio Ti6Al4V.
Para alinhar seu valor de vida à fadiga com 30CrMnSi e outras ligas de aço, o nível de carga deve ser reduzido para 40% (ou seja, tomando o valor K em 40%) e para outros tipos de ligas de titânio (como Ti21523), K deve ser reduzido para 36%.
No entanto, esta abordagem é problemática: normalmente, parafusos de liga de titânio com resistência estática equivalente apresentam melhor desempenho à fadiga do que parafusos de aço semelhantes.
Esta é uma compreensão básica das propriedades de diferentes materiais. Neste caso, o valor K para parafusos de liga de titânio pode certamente ser superior a 0,46 e definitivamente não tão baixo quanto 0,36.
Portanto, para juntas aparafusadas que exigem alta resistência à tração estática e maior vida útil à fadiga por tração, a seleção correta do material deve receber a devida atenção.
A fratura por fadiga e a fratura retardada são duas razões principais para a falha de componentes mecânicos, o que é um conceito confuso. A fratura retardada em parafusos é frequentemente devida a um comportamento de dano induzido por hidrogênio causado pelo revestimento superficial, que basicamente não está relacionado à fratura por fadiga.
De modo geral, quando a resistência à tração do aço é de cerca de 1200MPa, tanto a resistência à fadiga quanto a resistência à fratura retardada aumentam com o aumento da resistência e da dureza.
No entanto, quando a resistência à tração excede aproximadamente 1200 MPa, a resistência à fadiga não continua mais a aumentar e a resistência à fratura retardada cai drasticamente.
A maior parte do aço utilizado na fabricação mecânica é aço de liga de médio carbono, utilizado em estado temperado, com resistência à tração principalmente entre 800 e 1000MPa.
Aumentar a sua força não é difícil, mas o maior desafio reside em resolver o problema da curta vida útil após o aumento da força.
A falha por fadiga e os problemas de fratura retardada são as principais barreiras à alta resistência e longa vida útil do aço usado na fabricação mecânica.
O tratamento térmico é um fator crítico, principalmente o revenido durante o processo de têmpera de parafusos de alta resistência. Na zona de revenimento de alta temperatura, é provável que se formem impurezas como enxofre e fósforo.
Quando estas impurezas se acumulam nos limites dos grãos, podem levar à fratura frágil, especialmente quando a dureza excede 35 HRC, a tendência à fragilidade aumenta significativamente.
2.2 Técnicas para melhorar a vida em fadiga
Antes do reforço, a probabilidade de falha por fadiga por tração em fixadores roscados é a seguinte: 65% das falhas ocorrem no primeiro engate com a porca, 20% das falhas ocorrem na transição entre a rosca e a haste (embora esta afirmação seja amplamente precisa , deve-se ressaltar que a causa fundamental da falha por fadiga nestes pontos ainda se deve à alta concentração de tensões), que está nas extremidades das roscas, e 15% das falhas ocorrem no raio de transição entre a cabeça do parafuso e a haste , conforme mostrado na Figura 1.
Deve-se enfatizar que estas estatísticas são baseadas na condição de que as linhas de fluxo metálico de todo o fixador não sejam danificadas.
Para melhorar a vida útil à fadiga por tração, medidas podem ser tomadas tanto no formato do parafuso quanto no processo, sendo os métodos mais eficazes atualmente os seguintes.
2.2.1 Uso de roscas MJ (ou seja, roscas reforçadas)
A principal diferença entre as roscas MJ e as roscas regulares está no diâmetro menor (d1) e no raio (R) das roscas externas, conforme mostrado na Figura 2.
A principal característica das roscas MJ é um diâmetro menor (d1) maior do que as roscas normais, com raio de filete de raiz aumentado, reduzindo a concentração de tensões no parafuso.
São fornecidos requisitos específicos para R (Rmax = 0,18042P, Rmin = 0,15011P, sendo P o passo), enquanto as roscas regulares não possuem tais requisitos e podem até ser retas. Esta mudança significativa aumenta muito o desempenho da fadiga por tração do diâmetro menor.
Atualmente, as roscas MJ são amplamente utilizadas em parafusos aeroespaciais.
2.2.2 Melhorando o desempenho da fadiga da linha
Ao utilizar o processo de laminação de roscas, devido aos efeitos do endurecimento por trabalho a frio, há tensão de compressão residual na superfície, permitindo que o fluxo direcional das fibras metálicas internas no parafuso seja racional e ininterrupto.
Consequentemente, a resistência à fadiga pode ser 30% a 40% maior que a das roscas usinadas por torneamento.
Se a rosca for enrolada após o tratamento térmico, ela fortalece a superfície da peça e cria uma camada de tensão residual, que pode aumentar o limite de fadiga superficial do material em 70% a 100%.
Este processo também apresenta vantagens como alta utilização de material, alta taxa de produção e baixo custo de fabricação. A Tabela 1 mostra os valores de vida à fadiga sob diferentes métodos de processo.
O material do parafuso de teste é 30CrMnSiA, o padrão do parafuso é GJB 121.2.3 e 6×26 (ou seja, MJ6) é testado para fadiga por tração de acordo com o método de teste, com carga de fadiga de teste: Pmax=10,1kN, Pmin=1,01kN . Os resultados são mostrados na Tabela 1.
Tabela 1: Vida útil em fadiga (número de ciclos) sob diferentes métodos de processo
| Teste nº. | A | B | C | D |
| Antes do tratamento térmico, enrole o parafuso roscado a frio. | Antes do tratamento térmico, não lamine o parafuso roscado a frio. | Após o tratamento térmico, enrole o parafuso roscado a frio. | Após o tratamento térmico, não lamine o parafuso roscado a frio. | |
| 1 | 17800 | 13800 | 130.000 | 130.000 |
| 2 | 11900 | 11600 | 130.000 | 93700 |
| 3 | 13400 | 17400 | 130.000 | 70400 |
| 4 | 20100 | 8700 | 130.000 | 103300 |
| 5 | 15.500 | 18100 | 130.000 | 98600 |
| 6 | 18.000 | 15200 | 130.000 | 51300 |
| 1 | 14100 | 11300 | 130.000 | 95800 |
| 8 | 8400 | 12.000 | 130.000 | 88100 |
| 9 | 18200 | 17300 | 127600 |
A partir da Tabela 1, é evidente que a resistência à fadiga por tração do filete r no ponto de giro do parafuso roscado laminado a frio, pós-tratamento térmico, é ideal (consulte a Figura 1). Os requisitos para o valor de r na extrusão a frio não são rigorosos. As especificações técnicas estipulam apenas um limite superior para a deformação.
2.2.3 Controle rigoroso das dimensões finais
Conforme demonstrado na Figura 1, a área de transição entre a rosca do parafuso e a haste lisa é uma das fontes significativas de fadiga. O controle rigoroso das dimensões finais para moldar a área de transição é uma medida crucial para aumentar a vida à fadiga nesta região.
Portanto, durante o projeto e fabricação de rodas laminadoras de linha, é imperativo retificar rigorosamente as extremidades de acordo com os padrões e controlar rigorosamente a posição da laminação de linha durante o processo.
Medidas específicas podem incluir um filete de transição maior, como mostrado na Figura 3a, a criação de estruturas de descarga, como mostrado nas Figuras 3b e 3c, e o corte de uma ranhura de retirada da ferramenta na extremidade da rosca também pode reduzir a concentração de tensão (os diagramas esquemáticos nas Figuras 3b e 3c pode ser enganoso Aumentar o filete na área de transição realmente ajuda a aliviar a concentração de tensão local).
A extrusão a frio do filete r no ponto de giro do parafuso, conforme mostrado na Figura 1, pode aumentar a vida útil à fadiga por tração neste ponto. Como mostra a Tabela 1, se apenas as medidas de reforço em 2.2.1, 2.2.2 e 2.2.3 forem tomadas, as fraturas por fadiga ocorrerão exclusivamente no ponto de giro do parafuso.
Portanto, o reforço por extrusão a frio do filete r é uma das medidas importantes para melhorar a vida útil geral da fadiga por tração do parafuso.
2.3 Evite gerar tensão de flexão adicional
Devido ao projeto, fabricação e montagem inadequados, pode ocorrer carregamento excêntrico dos parafusos. Cargas excêntricas podem induzir tensões de flexão adicionais nos parafusos, reduzindo significativamente a sua resistência à fadiga. Portanto, devem ser tomadas medidas estruturais e de processo adequadas para evitar a geração de torque adicional.
(1) O ângulo do escareador do parafuso deve ser preciso, permitindo apenas um desvio positivo de 0° a 0,5°, não sendo permitido nenhum desvio negativo.
(2) A superfície de apoio do parafuso deve ser plana e perpendicular ao eixo do furo do parafuso.
(3) Para furos de montagem na peça de trabalho, como aqueles para cabeças hexagonais, o chanfro do furo deve estar de acordo com os padrões internacionais.
2.4 Conjunto de pré-carga
A pré-carga é um dos problemas mais críticos em conexões encadeadas. A teoria e a prática têm mostrado que, com a rigidez do parafuso e das peças unidas mantidas constantes, o aumento adequado da pré-carga aumenta significativamente a resistência à fadiga por tração. É por isso que a tensão de pré-carga do parafuso pode atingir até 0,7 a 0,8 da tensão de escoamento (σs).
Portanto, controlar com precisão a pré-carga e manter o seu valor são cruciais. A magnitude da pré-carga é controlada por um torquímetro predefinido ou por arruelas indicadoras de pré-carga.
A pré-carga necessária varia sob diferentes condições e, comumente, fórmulas empíricas baseadas na experiência anterior são usadas para estimar a pré-carga.
Para pré-carga mecânica geral: σp = (0,5 a 0,7)σé; para ligações de alta resistência: σp = 0,75σs (este é o limite de escoamento). Este método de expressar a pré-carga contradiz a abordagem de 46% acima mencionada.
Recentemente, foi desenvolvido um novo método de conexão de parafusos, que envolve pré-carregar o parafuso até o ponto de escoamento, permitindo que o parafuso trabalhe dentro da região plástica. Para obter mais detalhes, consulte o artigo “Plastic Screw Domain Connection” de Ichiro Maruyama, publicado em “Mechanical Research”, Volume 40, No. 12, 1988. Para conexões críticas pré-carregadas contra fadiga, testes de resistência à fadiga sob diferentes pré-cargas devem ser realizados para determinar os valores de pré-carga corretos e utilizáveis.
3. Conclusão
Através de dados experimentais e experiência prática, o documento propõe diversas medidas específicas para melhorar a resistência à fadiga e tração dos parafusos, abordando aspectos de seleção de materiais, usinagem e montagem.
Algumas destas medidas provaram a sua eficácia em aplicações práticas, enquanto certos dados empíricos e conclusões aguardam maior exploração e validação teórica.
Em resumo, medidas abrangentes devem ser adotadas para melhorar a resistência à fadiga dos parafusos; nenhuma medida isolada pode satisfazer a necessidade geral de resistência à fadiga.
