Резьбовые соединения в литейных деталях из лёгких сплавов: решения крепления для магниевых и алюминиевых сплавов
Итоговое резюме
Резьбовые соединения в литейных деталях из магниевого и алюминиевого сплава — самое недооценённое звено в пути облегчения. Литейные резьбы слабые, склонны к гальванической коррозии и имеют большой коэффициент теплового расширения; сложенные вместе, эти три характеристики заставляют почти весь зрелый опыт со стальными болтами отказать. Article начато с четырёх типичных явлений отказа и даны пункты реализации и путь выбора для трёх технических маршрутов: усиление резьбы, короткозацепные алюминиевые болты и изоляция покрытия.
Содержание
Почему резьбы отказывают на литейных деталях
Гига-литьё значительно сократило число деталей кузовов и конструкционных деталей, но это также сделало положение крепежа более сложным. Проблемы резьбовых соединений на литейных деталях обычно концентрируются на четырёх явлениях.
- Срыв резьбызубья резьбы срезаны и содраны, соединение мгновенно теряет несущую способность, без очевидного предупреждения.
- Износ резьбы: после повторной разборки резьбы изнашиваются; момент не может быть приложен и предварительный натяг не может быть накоплен.
- Коррозия кромки отверстия: белые или серо-белые продукты коррозии появляются вокруг резьбового отверстия, и стенка отверстия постепенно выдалбливается.
- Затухание предварительного натяга: после термоциклирования значение перепроверки момента явно ниже значения сборки, проявляясь как ослабление или утечка.
Позади этих четырёх явлений — три материальные характеристики литейных деталей: низкая прочность резьбы, отрицательный и склонный к коррозии потенциал, и большой коэффициент теплового расширения. Перенос опыта, накопленного со стальными болтами на стали или чугуне, напрямую неизбежно откажет.
Сравнение свойств материалов
Только видя числа ясно, мы можем понять, почему контрмеры должны измениться.
| Материал | Порядок предела прочности при растяжении | Модуль упругости | Коэффициент теплового расширения | Электродный потенциал |
|---|---|---|---|---|
| Углеродистая сталь | 400–1000 MPa | about 205 GPa | about 11 | −0.44 to −0.50 V |
| Литьё алюминиевого сплава под давлением | 200–320 MPa | about 70 GPa | about 21 | −0.70 to −0.80 V |
| Литьё магниевого сплава под давлением | 150–250 MPa | about 45 GPa | about 26 | about −1.60 V |
Маршрут первый: усиление резьбы
Самая фундаментальная контрмера — удерживать литейный корпус от того, чтобы быть несущей резьбой. Передача несущей резьбы на более сильный, сменный элемент является основным подходом для усиления резьбы литейных деталей.
| Схема | Принцип | Применимая подложка | Требование толщины стенки | Съёмность |
|---|---|---|---|---|
| Резьбовая вставка из проволоки | Проволока из закалённой нержавеющей стали ромбического сечения распределяет нагрузку | Литейные детали из алюминия и магния | Выше | Сменная после износа |
| Внутренняя-наружная резьбовая вставка | Цельная втулка; двухступенчатое распределение нагрузки между внутренней и наружной резьбой | Тонкостенные литейные детали | Ниже | Может быть вывинчена |
| Запрессованная вставка | Механическое зацепление пластической деформацией | Листовой металл; не для литья под давлением | Средняя | В основном несъёмная |
Маршрут второй: короткозацепные алюминиевые болты
Второй маршрут — изменить сам материал болта, так что прочности внутренней и наружной резьбы близки, достигая равнопрочной конструкции при более короткой длине зацепления.
Почему алюминиевые болты могут быть короче
Основной критерий длины зацепления: прочность внутренней резьбы на срез не ниже предела прочности на растяжение наружной резьбы. Предел прочности стали более чем в три раза выше алюминиевого сплава, так что стальной болт в алюминиевой резьбе должен иметь длину зацепления выше 2d. С алюминиевым болтом в алюминиевой резьбе две прочности близки, и срыв и излом болта происходят одновременно, так что нужно только 1.3d–1.5d.
| Комбинация внутренняя-наружная резьба | Соотношение прочности | Рекомендуемая длина зацепления |
|---|---|---|
| Стальной болт — литейная резьба алюминия | about 3:1 | 1.8d–2.5d |
| Стальной болт — литейная резьба магния | about 4:1–5:1 | 2.5d–3.0d |
| Алюминиевый болт — литейная резьба алюминия | about 1:1 | 1.3d–1.5d |
| Алюминиевый болт — литейная резьба магния | about 1.5:1 | 1.5d–2.0d |
Маршрут третий: изоляция покрытия и согласование потенциалов
Коррозия — режим отказа с самым прямым влиянием на ресурс литейных соединений; защита должна быть реализована слоями, потому что одна мера редко покрывает весь жизненный цикл.
| Слой защиты | Мера | Функция |
|---|---|---|
| Материальный слой | Выберите болты из алюминиевого сплава с потенциалом, близким к подложке | Ослабьте гальваническую движущую силу в источнике |
| Слой интерфейса | Нанесите изолирующее покрытие на резьбы и опорные поверхности, добавьте изолирующие шайбы | Перережьте электрохимический путь |
| Конструкционный слой | Увеличьте опорную поверхность, избегайте мёртвых углов скопления жидкости, обеспечьте пути дренажа | Сократите время удержания электролита |
| Поверхностный слой | Анодируйте или пассивируйте литейный корпус | Улучшите собственную коррозионную стойкость подложки |
Легко пропускаемый пункт — то, что риск гальванической коррозии болтов из нержавеющей стали на магниевом сплаве выше, чем у болтов из углеродистой стали, потому что нержавеющая сталь имеет более положительный потенциал и более сильное катодное поведение, ускоряя растворение на стороне магния. Коррозионная стойкость — не то же самое, что совместимость; это должно быть суждено отдельно.
Путь решения выбора
Интеграция трёх вышеуказанных маршрутов в один исполняемый путь суждения позволяет быструю сходимость на стадии схемы.
- Сначала посмотрите на материал и класс подложки: контрмеры сильно различаются между литейными деталями из алюминиевого и магниевого сплава; магниевый сплав имеет и более тяжёлый риск коррозии, и тепловое несоответствие.
- Затем посмотрите на толщину стенки и пространство: когда толщина стенки недостаточна для обеспечения длины зацепления 2d+, требуемой стальным болтом, есть только два маршрута — используйте резьбовую вставку, или переключитесь на алюминиевый болт.
- Определите, нужна ли повторная разборка: соединения, требующие повторной разборки, должны предпочесть резьбовые вставки из проволоки, так что изношенная вставка может быть заменена без выбраковки литейной детали.
- Оцените среду эксплуатации: влажные, контактирующие с водой или солевым туманом среды должны включать согласование потенциалов и изоляцию покрытия как обязательные элементы.
- Учтите термоциклирование: позиции с большим колебанием рабочей температуры должны повторно верифицировать остаточный предварительный натяг и, при необходимости, выбрать крепёж, коэффициент теплового расширения которого соответствует подложке.
Заключение: облегчение — не просто изменение материала
Ценность литейных деталей лежит в объединении нескольких деталей в одну и снижении веса. Но после того как конструкционные детали переключаются на литьё под давлением, схема соединения должна быть перестроена в ногу; иначе сэкономленный вес будет оплачен дважды через переделку, ремонт коррозии и замену отказа.
YF Zhichengjia давно обслуживает область литья из лёгких сплавов под давлением и имеет полную возможность технической поддержки от профессиональных проектных консультаций и быстрых инженерных образцов до профессиональных испытаний и профессионального анализа отказа. Мы можем, в то же время, как литейная структура финализирована, предоставить схему крепления, согласованную с ней, так что выгоды облегчения действительно достигают уровня всего автомобиля.
