Suprafața portantă plată a șurubului cu cap cilindric: Ghid de distribuție a sarcinii și de selecție a capului

Un furnizor de elemente de fixare a livrat 500.000 de șuruburi autoperforante cu cap cilindric unei fabrici de carcase metalice, cu o economie de 8% pe unitate. Prima plângere a sosit în decurs de o lună: capetele șuruburilor s-au scufundat în tablă galvanizată de 1,2 mm, stratul de pulbere s-a fisurat în modele radiale în jurul fiecărui cap, iar testele de extragere au scăzut cu 30 la sută sub ansamblul anterior al capului fermei. Nu firul a fost problema. Distribuția sarcinii pe suprafața rulmentului plat șurubului cu cap cilindric a fost.

Partea inferioară plată a unui șurub cu cap cilindric este interfața care transferă întreaga forță de strângere de la element de fixare în materialul îmbinat. Când acea interfață este prea mică, prost prelucrată sau asociată cu o gaură de degajare greșită, îmbinarea eșuează local, chiar dacă șurubul în sine nu se rupe niciodată. Acest articol explică cum să dimensionați și să selectați șuruburile cu cap cilindric pe baza geometriei suprafeței rulmentului, cu obiective măsurabile pe care le puteți utiliza în analizele de achiziții și investigațiile de asamblare.

Cum suprafața plată a rulmentului transformă preîncărcarea în presiune de contact

Suprafața plată de sprijin este suportul inelar de sub capul șurubului care transferă întreaga preîncărcare axială a îmbinării în materialul prins. Pentru un cuplu dat, un șurub cu o suprafață de rulment cu 30% mai mare reduce solicitarea de suprafață cu aproximativ 23%, care este adesea diferența dintre o îmbinare stabilă și un cap care se scufundă. Presiunea de contact este egală cu presarcina împărțită la suprafața rulmentului: P = F / A.

Luați un șurub cu cap cilindru M5 cu un orificiu standard de 5,5 mm și un diametru nominal al capului de 9,5 mm. Suprafața circulară de sub cap este de aproximativ 70,9 mm2, dar orificiul îndepărtează aproximativ 23,8 mm2, lăsând o zonă efectivă de rulment de aproximativ 47 mm2. La o preîncărcare de 2 kN, presiunea de contact este de 42,5 MPa, ceea ce este suficient de scăzut pentru oțelul de structură, dar deja peste limita de curgere a multor aliaje de aluminiu și a majorității materialelor plastice.

Pentru o specificație de îmbinare, regula practică este simplă: calculați presiunea lagărului înainte de a aproba indicația elementului de fixare. Dacă valoarea depășește limita de curgere a substratului sau limita sa de curgere pe termen lung, schimbați stilul capului, adăugați o șaibă sau reduceți preîncărcarea.

Zona lagărului șurubului cu cap cilindric: o comparație măsurată

Standardele de geometrie a capului conferă fiecărui stil de cap o zonă de rulment diferită, iar această diferență apare imediat în datele de tensiune de suprafață. Tabelul de mai jos compară un șurub M5 în patru stiluri comune de cap folosind dimensiuni nominale și o forță de strângere de 2 kN. Valorile sunt cifre de referință rotunjite pentru evaluarea inginerească, nu sunt date de testare certificate.

Rândul înfundat explică de ce șuruburile înfundate sunt acuzate în mod regulat pentru tragerea prin tablă subțire: geometria conului concentrează sarcina pe un inel îngust în loc de un tampon inelar plat. Nimic din toate acestea nu înseamnă că capul pan este un design slab. Înseamnă că proiectantul trebuie să potrivească suprafața portantă cu substratul. Pentru structurile din oțel cu grosimea de peste 3 mm, cei 47 mm2 ai unui cap M5 sunt de obicei suficienti fără șaibă. Pentru substraturi mai moi sau mai subțiri, devine necesar un cap de ferme sau cu flanșă, cu excepția cazului în care se adaugă o șaibă.

Dacă examinați șuruburile pentru lucrări de autoforare sau autofiletare, geometria punctului și forma filetului conduc în continuare comportamentul de instalare, astfel încât logica completă de selecție din spate puncte de șuruburi autoforante și aplicații trebuie citite împreună cu numerele suprafeței de rulment de mai sus.

Când distribuția sarcinii la suprafața rulmentului plat favorizează capul pan

Alegeți un șurub cu cap cilindru când substratul este metalic, profilul de ansamblu trebuie să rămână scăzut, iar presiunea calculată a rulmentului rămâne sub limita de curgere a substratului. Distribuția de sarcină a suprafeței de rulment plat a unui cap de pan este o condiție controlată: suportul inelar este paralel cu planul de strângere, marginea exterioară este clară, iar partea inferioară este plană prin proiectare. Acesta este motivul pentru care capetele de pan sunt implicite pentru panourile detașabile cu ciclu înalt, unde repetabilitatea suprafeței rulmentului previne scufundarea progresivă pe mai multe cicluri de cuplu.

Pentru profilele de ferestre din aluminiu și cadrele din oțel de ecartament ușor, distribuția sarcinii pe suprafața plată a rulmentului a unui cap de panou este de obicei adecvată atunci când orificiul liber este menținut la specificații. Dacă trebuie să acoperiți o gaură supradimensionată, un cap modificat sau un șurub cu flanșă cu un diametru exterior mai mare este soluția structurală, niciodată o șaibă de plastic combinată cu un cuplu mai mare.

Patru aplicații reale care se bazează pe suprafața plată a rulmentului

Carcasele din tablă, extrudarile subțiri din aluminiu, protecțiile detașabile și conexiunile suport la cadru sunt aplicațiile în care performanța suprafeței lagărelor plane din șurub cu cap cilindric este testată la fiecare schimb. Suprafața lagărului previne indentarea locală, păstrează intacte vopseaua și stratul de pulbere și menține preîncărcarea fără strângere progresivă.

• Dulapuri electrice și de comandă pe tablă de oțel galvanizată de 1,0 până la 1,5 mm: șuruburi autoforante M4 sau M5, cu suprafețe de rezemare de 34 până la 47 mm2, împiedică scufundarea capului în timpul conducerii la viteză mare.
• Ansamblu toc de fereastră din aluminiu unde pereții rulează între 1,2 și 1,8 mm: șuruburile autofiletante cu cap cilindric distribuie forța de strângere înaintea benzilor filetate, cu condiția ca găurile pilot să rămână în intervalul de diametre recomandat.
• Panourile de protecție și de acces ale mașinii sunt deschise de mai multe ori pe săptămână: partea inferioară plană păstrează un plan de prindere repetabil pe parcursul multor cicluri de asamblare și service.
• Plăci pentru acoperiș și pereți peste pane de oțel: variante cu aripi autoforante cu capete de gătit curăță materialul și apoi se bazează pe suportul plat pentru o presiune constantă de prindere.

Șuruburi autoforante cu cap cilindric pentru fixare pe metal Aceste șuruburi au un punct de foraj integrat și un cap lat pentru a distribui sarcina în mod uniform în ansamblurile din tablă și oțel ușor, susținând un cuplu constant de instalare și finisaje rezistente la coroziune pentru medii solicitante. Vizualizare produs →

Alegerea materialului modifică comportamentul rulmentului mai puțin decât geometria, dar schimbă semnificativ comportamentul la coroziune. Pentru medii exterioare și umede, un șurub cu cap cilindric din inox menține suprafața rulmentului liberă de ridicarea de oxid, care altfel ar crește frecarea și ar reduce presarcina obținută la același cuplu. Îndrumările de selecție pentru oțel carbon versus inox sunt acoperite în acest articol Ghid pentru clasele, proprietățile și acoperirile din oțel carbon .

Șuruburi autofiletante din oțel inoxidabil SUS304 Oferind o rezistență ridicată la coroziune și un design autofiletant, aceste șuruburi din oțel inoxidabil 304 se potrivesc pentru mobilier, instalații în aer liber și montarea echipamentelor în care aspectul și durabilitatea contează, deși nu sunt făcute pentru o rezistență ridicată. Vizualizare produs →

Când substratul este din oțel întărit sau ansamblul este expus la temperaturi ridicate, șuruburile cu cap cilindru din oțel inoxidabil martensitic SUS410 mențin o suprafață durabilă, stabilă, care rezistă la brineling la preîncărcare. Se aplică aceleași reguli de geometrie, dar materialul ridică plafonul practic de preîncărcare înainte ca marcarea suprafeței să devină o problemă.

SUS410 Șuruburi autofiletante cu cap cilindric de înaltă rezistență Oțelul inoxidabil martensitic SUS410 tratat termic oferă o suprafață dură care rezistă la brineling sub preîncărcare, făcând aceste șuruburi fiabile pentru îmbinarea aluminiului și aplicații care implică oțel călit sau temperaturi ridicate. Vizualizare produs →

Trei greșeli la suprafața rulmentului care apar ca defecțiuni articulare

Majoritatea defecțiunilor la suprafața rulmentului nu sunt din vina designului șurubului; sunt rezultatul a trei erori de selecție recurente care sunt ușor de auditat într-o revizuire a desenului.

1. Găuri de degajare supradimensionate. Un orificiu de 7 mm sub un cap M5 elimină mai mult de o treime din plăcuța inelară utilizabilă, împingând tensiunea de contact de la 42,5 MPa la 60 MPa. Specificați cea mai apropiată gaură standard, care este de 5,5 mm pentru M5, sau treceți la un stil de cap mai mare.
2. Potrivirea capului cu driverul în loc de substrat. Alegerea unui șurub deoarece furnizorul îl stochează în locașul corect al unității ignoră traseul real de încărcare. Suprafața portantă, nu adâncitura, suportă sarcina de serviciu.
3. Torsare la limita filetului pe materiale moi. Pe tabla acoperită cu aluminiu sau polimer, șurubul scoate firul sau deformează marginea găurii înainte ca capul să ajungă la o clemă stabilă. Reduceți cuplul, adăugați o șaibă sau treceți la un cap de ferme.

Întrebări frecvente cu privire la suprafețele de reazem cu cap

Răspunsuri scurte la întrebările pe care inginerii și cumpărătorii le pun cel mai des atunci când specificați șuruburi cu cap cilindru pentru îmbinările portante.

O suprafață plată mai mare îmbunătățește întotdeauna rezistența îmbinării?

Nu. O suprafață de rulment mai mare reduce presiunea de contact, dar ocupă și mai mult spațiu, poate interfera cu componentele adiacente și poate reduce spațiul liber necesar pentru accesul șoferului sau cu cheia. Selectați cel mai mic cap care menține presiunea de contact sub limita substratului, nu cel mai mare cap disponibil.

Când ar trebui să adaug o șaibă sub un șurub cu cap cilindric?

Adăugați o șaibă plată întărită ori de câte ori presiunea de contact calculată depășește limita de curgere a substratului, când orificiul de joc este supradimensionat sau când șurubul trebuie strâns în mod repetat pe o suprafață vopsită. Mașina de spălat împrăștie sarcina și oferă o suprafață de frecare consistentă pentru cap.

Care este diferența în distribuția sarcinii dintre șuruburile cu cap cilindric și șuruburile cu cap?

Un cap de fermă are un diametru al capului mai larg în raport cu aceeași dimensiune a firului, astfel încât suprafața sa de sprijin este mai mare. Pe un șurub M5, capul fermei oferă aproximativ 80 mm2 față de 47 mm2 pentru un cap pan, ceea ce reduce presiunea de contact cu aproximativ 41% la aceeași preîncărcare. Un cap de fermă este alegerea preferată pentru lemn moale, plastic subțire și tablă sub 1 mm.

Șuruburile din oțel inoxidabil schimbă comportamentul suprafeței rulmentului?

Oțelul inoxidabil modifică frecarea, nu geometria rulmentului. Capetele SUS304 și SUS410 au de obicei un coeficient de frecare puțin mai mare cu suprafața de strângere, astfel încât preîncărcarea obținută poate fi mai mică la același cuplu. Suprafața plană a rulmentului rămâne aceeași, așa că calculele presiunii de contact sunt valabile, dar obiectivele de cuplu-preîncărcare trebuie validate pentru materialul specific și starea de lubrifiere.