En los equipos modernos, los tornillos suelen funcionar bajo cargas variables. Por ejemplo, un tipo de perno de culata de motor de combustión interna funciona en un entorno hostil bajo tensión repetida.
La estructura no permite un aumento del tamaño del tornillo, requiriendo un aumento de su solidez y resistencia a la fatiga por tracción.
En otras palabras, existen mayores exigencias en cuanto a la vida de fatiga por tracción de dichos pernos.
1. Normas de fatiga para sujetadores roscados.
Dada la diversidad de requisitos de los usuarios y los diferentes entornos operativos para los sujetadores, es esencial establecer y seleccionar indicadores de esperanza de vida en entornos estandarizados, donde las condiciones de carga son el factor más importante.
1.1 Condiciones de carga
Las condiciones de carga a las que aquí se hace referencia son los valores de carga máximo y mínimo aplicados al perno durante el ensayo de fatiga.
Actualmente, tanto ISO como nuestras normas nacionales para pernos con clasificación σb≥1200MPa definen el valor de carga máxima como el 46% de la carga mínima de falla por tracción del perno: el valor K (factor de carga).
Las normas especifican valores mínimos de carga de rotura estándar para pernos de diferentes diámetros.
Estos valores sirven como base para aceptar la resistencia a la tracción estática y la carga de prueba de fatiga (carga de prueba de fatiga máxima = carga de tracción mínima × factor de carga K).
Por ejemplo, para tornillos de cabeza hexagonal de acero aleado, el valor K se establece en 0,46.
La carga mínima en el ensayo de fatiga y tracción está determinada por la relación de carga R. R = carga mínima / carga máxima, R = 0,1.
1. 2 índices de esperanza de vida
Según las estipulaciones de carga antes mencionadas, existe un índice de vida útil unificado. Es decir, entre las muestras prescritas, el recuento mínimo de ciclos no es inferior a 4,5× 104 .
Cualquier recuento superior a 13×10 4 en las muestras se considera 13×10 4 a efectos de promediar.
2. Vida de fatiga por tracción de los sujetadores roscados.
2.1 Selección de materiales para tornillos y tratamiento térmico
Según las normas relacionadas en China (como GB/T 3098.1—2000), los requisitos de rendimiento ante la fatiga solo se especifican para pernos con σb≥1200MPa.
La razón principal para imponer requisitos de comportamiento a la fatiga al acero de alta resistencia es que, aunque se aumenta su resistencia, la reserva de plasticidad del material es notablemente menor que la del acero de resistencia media y baja.
Obviamente no es apropiado comparar este requisito con las aleaciones a base de níquel y las aleaciones de titanio, que tienen mayor resistencia y buena reserva de plasticidad. Por ejemplo, 40CrNiMo, 30CrMnSi, etc.
Si elegimos un material de acero de aleación de mayor resistencia, como la aleación estadounidense INCONEL 718, que puede tener una resistencia superior a 1600 MPa, demostrará valores de vida útil altos durante las pruebas de fatiga en condiciones de carga típicas. Tomemos como ejemplo el tornillo M6.
Si la carga de prueba de fatiga especificada por la norma es 11,01 kN y la carga de falla por tracción estática es 23,93 kN, mientras que la carga de falla por tracción estática real de la aleación INCONEL 718 puede alcanzar hasta 35 kN.
Si todavía utilizamos 11,01 kN como Pmax para la prueba de fatiga, solo equivaldría al 31% de la carga de rotura de tracción estática, naturalmente, su valor de vida será mayor.
Sin embargo, para materiales de alta resistencia como 30CrMnSiNi, su sensibilidad a la entalla es extremadamente alta y los valores de vida durante las pruebas de fatiga por tracción son muy bajos. No son adecuados para su uso en componentes roscados que requieren resistencia a la fatiga por tracción.
Aunque ciertos materiales pueden igualar la carga de rotura por tracción estática de aleaciones de acero como 30CrMnSi, no cumplen con los requisitos estándar en las pruebas de resistencia a la fatiga al mismo nivel de carga que la aleación de titanio Ti6Al4V.
Para alinear su valor de vida a fatiga con 30CrMnSi y otras aleaciones de acero, el nivel de carga debe reducirse al 40 % (es decir, tomar el valor K al 40 %) y para otros tipos de aleaciones de titanio (como Ti21523), K debe reducirse a 36%.
Sin embargo, este enfoque es problemático: normalmente, los tornillos de aleación de titanio con resistencia estática equivalente tienen un mejor rendimiento ante la fatiga que tornillos de acero similares.
Esta es una comprensión básica de las propiedades de diferentes materiales. En este caso, el valor K para tornillos de aleación de titanio ciertamente puede ser superior a 0,46 y definitivamente no tan bajo como 0,36.
Por lo tanto, para uniones atornilladas que requieren una alta resistencia a la tracción estática y una vida útil más larga a la fatiga por tracción, se debe prestar la debida atención a la selección correcta del material.
La fractura por fatiga y la fractura retardada son dos razones principales del fallo de los componentes mecánicos, lo cual es un concepto confuso. La fractura retardada en los pernos a menudo se debe al comportamiento de daño inducido por el hidrógeno causado por el recubrimiento de la superficie, que básicamente no tiene relación con la fractura por fatiga.
En términos generales, cuando la resistencia a la tracción del acero es de aproximadamente 1200 MPa, tanto la resistencia a la fatiga como la resistencia a la fractura retardada aumentan al aumentar la resistencia y la dureza.
Sin embargo, cuando la resistencia a la tracción excede aproximadamente 1200 MPa, la resistencia a la fatiga ya no continúa aumentando y la tenacidad a la fractura retardada cae bruscamente.
La mayor parte del acero utilizado en la fabricación mecánica es acero de aleación de medio carbono, utilizado en estado templado, con una resistencia a la tracción principalmente entre 800 y 1000 MPa.
Aumentar la fuerza no es difícil, pero el mayor desafío radica en resolver el problema de la corta vida útil después de aumentar la fuerza.
Las fallas por fatiga y los problemas de fractura retardada son las principales barreras para la alta resistencia y la larga vida útil del acero utilizado en la fabricación mecánica.
El tratamiento térmico es un factor crítico, especialmente el templado durante el proceso de endurecimiento de tornillos de alta resistencia. En la zona de templado a alta temperatura es probable que se formen impurezas como azufre y fósforo.
Cuando estas impurezas se acumulan en los límites de los granos, pueden provocar una fractura frágil, especialmente cuando la dureza supera los 35 HRC, la tendencia a la fragilidad aumenta significativamente.
2.2 Técnicas para mejorar la vida a fatiga
Antes del refuerzo, la probabilidad de falla por fatiga por tracción en sujetadores roscados es la siguiente: el 65% de las fallas ocurren en el primer acoplamiento con la tuerca, el 20% de las fallas ocurren en la transición entre la rosca y la varilla (aunque esta afirmación es muy precisa, debería Cabe destacar que la causa fundamental de las fallas por fatiga en estos puntos sigue siendo debida a la alta concentración de esfuerzos), que se encuentra en los extremos de las roscas, y el 15% de las fallas se producen en el radio de transición entre la cabeza del tornillo y la varilla, como se muestra en la Figura 1.
Cabe destacar que estas estadísticas se basan en la condición de que las líneas de flujo de metal de todo el sujetador no estén dañadas.
Para mejorar la vida útil a la fatiga por tracción, se pueden tomar medidas tanto en la forma del tornillo como en el proceso, siendo los métodos más efectivos actualmente los siguientes.
2.2.1 Uso de hilos MJ (es decir, hilos reforzados)
La principal diferencia entre las roscas MJ y las roscas regulares está en el menor diámetro (d1) y radio (R) de las roscas externas, como se muestra en la Figura 2.
La principal característica de las roscas MJ es un diámetro menor (d1) mayor que las roscas normales, con un mayor radio de filete de raíz, reduciendo la concentración de tensiones en el tornillo.
Se dan requisitos específicos para R (Rmax = 0,18042P, Rmin = 0,15011P, siendo P el paso), mientras que las roscas normales no tienen tales requisitos e incluso pueden ser rectas. Este cambio significativo aumenta en gran medida el rendimiento a la fatiga por tracción del diámetro más pequeño.
Actualmente, las roscas MJ se utilizan ampliamente en tornillos aeroespaciales.
2.2.2 Mejora del rendimiento frente a la fatiga de la línea
Cuando se utiliza el proceso de laminado de roscas, debido a los efectos del endurecimiento por trabajo en frío, existe una tensión de compresión residual en la superficie, lo que permite que el flujo direccional de las fibras metálicas internas en el tornillo sea racional e ininterrumpido.
En consecuencia, la resistencia a la fatiga puede ser entre un 30% y un 40% mayor que la de las roscas mecanizadas por torneado.
Si el hilo se lamina después del tratamiento térmico, fortalece la superficie de la pieza y crea una capa de tensión residual, que puede aumentar el límite de fatiga superficial del material entre un 70% y un 100%.
Este proceso también tiene ventajas como una alta utilización de material, una alta tasa de producción y un bajo costo de fabricación. La Tabla 1 muestra los valores de vida por fatiga bajo diferentes métodos de proceso.
El material del perno de prueba es 30CrMnSiA, el estándar del perno es GJB 121.2.3 y 6×26 (es decir, MJ6) se prueba para detectar fatiga por tracción de acuerdo con el método de prueba, con carga de fatiga de prueba: Pmax = 10,1 kN, Pmin = 1,01 kN. Los resultados se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1: Vida a fatiga (número de ciclos) bajo diferentes métodos de proceso
| Prueba no. | A | B | W. | D |
| Antes del tratamiento térmico, enrolle en frío el tornillo roscado. | Antes del tratamiento térmico, no lamine en frío el tornillo roscado. | Después del tratamiento térmico, enrolle en frío el tornillo roscado. | Después del tratamiento térmico, no lamine en frío el tornillo roscado. | |
| 1 | 17800 | 13800 | 130.000 | 130.000 |
| dos | 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 |
De la Tabla 1, es evidente que la resistencia a la fatiga por tracción del filete r en el punto de giro del perno roscado laminado en frío, después del tratamiento térmico, es ideal (ver Figura 1). Los requisitos para el valor r en extrusión en frío no son estrictos. Las especificaciones técnicas sólo estipulan un límite superior de deformación.
2.2.3 Control estricto de dimensiones finales
Como se muestra en la Figura 1, el área de transición entre la rosca del tornillo y la varilla lisa es una de las fuentes importantes de fatiga. El control estricto de las dimensiones finales para dar forma al área de transición es una medida crucial para aumentar la vida a fatiga en esta región.
Por lo tanto, durante el diseño y fabricación de las ruedas del laminador, es imperativo rectificar estrictamente los extremos de acuerdo con los estándares y controlar estrictamente la posición del laminador durante el proceso.
Las medidas específicas pueden incluir un filete de transición más grande como se muestra en la Figura 3a, la creación de estructuras de descarga como se muestra en las Figuras 3b y 3c, y cortar una ranura de extracción de herramientas en el extremo de la rosca también puede reducir la concentración de tensión (los diagramas esquemáticos en las Figuras). 3b y 3c pueden ser engañosos. Aumentar el filete en el área de transición en realidad ayuda a aliviar la concentración de tensiones locales.
La extrusión en frío del filete en el punto de giro del tornillo, como se muestra en la Figura 1, puede aumentar la vida útil a la fatiga por tracción en este punto. Como se muestra en la Tabla 1, si sólo se toman las medidas de refuerzo de 2.2.1, 2.2.2 y 2.2.3, las fracturas por fatiga se producirán exclusivamente en el punto de giro del tornillo.
Por lo tanto, el refuerzo por extrusión en frío del filete r es una de las medidas importantes para mejorar la vida general a fatiga por tracción del tornillo.
2.3 Evite generar tensiones de flexión adicionales
Debido a un diseño, fabricación y montaje inadecuados, pueden producirse cargas excéntricas en los pernos. Las cargas excéntricas pueden inducir tensiones de flexión adicionales en los pernos, reduciendo significativamente su resistencia a la fatiga. Por lo tanto, se deben tomar medidas estructurales y de proceso apropiadas para evitar la generación de torque adicional.
(1) El ángulo de avellanado del tornillo debe ser preciso, permitiendo solo una desviación positiva de 0° a 0,5°, no se permite ninguna desviación negativa.
(2) La superficie de soporte del tornillo debe ser plana y perpendicular al eje del orificio del tornillo.
(3) Para orificios de montaje en la pieza de trabajo, como los de cabezas hexagonales, el chaflán del orificio debe cumplir con las normas internacionales.
2.4 Conjunto de precarga
La precarga es uno de los problemas más críticos en las conexiones en cadena. La teoría y la práctica han demostrado que, manteniendo constante la rigidez del perno y las piezas unidas, el aumento apropiado de la precarga aumenta significativamente la resistencia a la fatiga por tracción. Esta es la razón por la que la tensión de precarga del tornillo puede alcanzar hasta 0,7 a 0,8 del límite elástico (σs).
Por lo tanto, controlar con precisión la precarga y mantener su valor es crucial. La magnitud de la precarga se controla mediante una llave dinamométrica preestablecida o arandelas indicadoras de precarga.
La precarga requerida varía bajo diferentes condiciones y comúnmente se utilizan fórmulas empíricas basadas en experiencias previas para estimar la precarga.
Para precarga mecánica general: σ p = (0,5 a 0,7) σ es ; para conexiones de alta resistencia: σp = 0,75σs (este es el límite elástico). Este método de expresar la precarga contradice el enfoque del 46% antes mencionado.
Recientemente, se ha desarrollado un nuevo método para conectar tornillos, que implica precargar el tornillo hasta el límite elástico, permitiendo que el tornillo funcione dentro de la región plástica. Para obtener más detalles, consulte el artículo “Plastic Screw Domain Connection” de Ichiro Maruyama, publicado en “Mechanical Research”, Volumen 40, No. 12, 1988. Para conexiones críticas precargadas contra fatiga, se deben realizar pruebas de resistencia a la fatiga bajo diferentes precargas para determinar los valores de precarga correctos y utilizables.
3. Conclusión
A través de datos experimentales y experiencia práctica, el documento propone varias medidas específicas para mejorar la fatiga y la resistencia a la tracción de los tornillos, abordando aspectos de selección de materiales, mecanizado y montaje.
Algunas de estas medidas han demostrado su eficacia en aplicaciones prácticas, mientras que ciertos datos empíricos y conclusiones esperan una mayor exploración y validación teórica.
En resumen, se deben adoptar medidas integrales para mejorar la resistencia a la fatiga de los pernos; Ninguna medida por sí sola puede satisfacer la necesidad general de resistencia a la fatiga.
