Przewodnik dotyczący wytrzymałości na ścinanie aluminium: wartości stopów, testowanie i projektowanie wytłaczania

Co oznacza wytrzymałość na ścinanie w profilach wytłaczanych

Wytrzymałość na ścinanie to maksymalne naprężenie, jakie może wytrzymać profil aluminiowy, zanim jedna płaszczyzna materiału rozsunie się równolegle do przyłożonego obciążenia, a w przypadku konstrukcyjnych stopów aluminium zwykle mieści się w przedziale od 55 do 65 procent ostatecznej wytrzymałości na rozciąganie.

W ramie wytłaczanej ścinanie pojawia się w trzech oddzielnych miejscach: trzpieniu śruby, zagłębieniu gwintu wewnątrz nakrętki teowej oraz ściance szczeliny profilu. Każda płaszczyzna ma inny obszar i warunek wiązania, więc każdą należy sprawdzić niezależnie; najsłabsza płaszczyzna rządzi stawem.

• Wytrzymałość trzpienia śruby na ścinanie – zależy od gatunku i średnicy łącznika.
• Wytrzymałość gwintu nakrętki T - ustawiana na podstawie długości zagłębienia w nakrętce.
• Pole ścinania ściany szczeliny profilu - określane na podstawie grubości ścianki za szczeliną.

Anodowanie nie jest uwzględniane w obliczeniach. Warstwa tlenku o grubości od 5 do 25 mikrometrów poprawia odporność na zużycie powierzchniowe, ale wytrzymałość na ścinanie w masie jest w całości przenoszona przez stop podstawowy i stan wytłoczki.

Wytrzymałość na ścinanie aluminium według stopu i temperamentu

W przypadku komercyjnych stopów aluminium wytrzymałość na ścinanie waha się od około 40 MPa dla wyżarzonego czystego metalu do 330 MPa dla 7075-T6, a dwa stopy stosowane w większości profili z rowkami teowymi, 6063 i 6061, zapewniają od 117 do 207 MPa w zależności od stanu.

Huśtawka temperamentu ma znaczenie w prawdziwych kadrach. Profil 6063-T6 wytrzymuje o około 30 procent większe obciążenie ścinające na milimetr kwadratowy niż ten sam profil w 6063-T5 przy identycznych wymiarach ścian, dlatego w przypadku połączeń odpornych na silne ścinanie należy określić stan techniczny i zweryfikować go w certyfikacie materiałowym.

Jak mierzona jest wytrzymałość na ścinanie i gdzie wyniki są błędne

Wytrzymałość aluminium na ścinanie mierzy się za pomocą testów mocowania typu stemplowego i pojedynczego ścinania, a oba wymagają ścisłej kontroli luzu; gdy konfiguracja jest wyłączona, zgłaszana siła może przesunąć się o ponad 10 procent w przypadku tego samego materiału.

• ASTM B831 obejmuje badania ścinania metodą wykrawania cienkich wyrobów ze stopów aluminium i stanowi standardowe odniesienie dla arkuszy i próbek do wytłaczania.
• ASTM F606 reguluje badanie śrubowych elementów złącznych na ścinanie i ma zastosowanie, gdy ocenianym elementem jest śruba, a nie profil.
• Wewnętrzne procedury walcownicze oparte na tych normach są wspólne dla profili wytłaczanych, a wyniki są drukowane na certyfikacie badania materiału.

Trzy zmienne zaburzają wyniki testu ścinania bardziej niż jakiekolwiek inne.

• Luz między stemplem a matrycą: zbyt mały powoduje wtórne ścinanie i sztucznie zawyżone wartości; zbyt duży powoduje zadziory i niskie, niepowtarzalne liczby.
• Orientacja próbki: wytrzymałość może różnić się o kilka procent pomiędzy kierunkiem wytłaczania a kierunkiem poprzecznym ze względu na orientację ziaren.
• Przygotowanie powierzchni: nierówne mocowanie lub powierzchnie anodowane zmieniają tarcie w strefie ścinania i należy je usunąć przed badaniem.

W przypadku profili wytłaczanych najbardziej reprezentatywny wynik uzyskuje się w wyniku obróbki płaskiego odcinka z rzeczywistej ścianki profilu i przetestowania dokładnie tego materiału, a nie na podstawie ogólnych wartości podręcznikowych dotyczących arkuszy.

Zasada 60 procent: szacowanie wytrzymałości na ścinanie na podstawie danych dotyczących rozciągania

Jeżeli nie jest dostępna certyfikowana wartość ścinania, oszacuj wytrzymałość na ścinanie jako 60 procent ostatecznej wytrzymałości na rozciąganie; w przypadku stopów aluminium przewiduje to wytrzymałość na ścinanie i przebijanie średnio w granicach około 5,5 procent zmierzonych wartości.

Zasada 60 procent to narzędzie na etapie koncepcyjnym, a nie substytut certyfikowanych danych huty. Gdy połączenie stanie się krytyczne, poproś o certyfikat właściwości mechanicznych dla określonego ciepła wytłaczania lub przeprowadź test wykrawania na próbce z dostarczonego profilu.

Zastosuj tę regułę w następujących sytuacjach:

• Projekt koncepcyjny, porównując stopy i stany przed ustaleniem układu ramy.
• Cytowanie dostawcy, gdy arkusz danych podaje wytrzymałość na rozciąganie, ale pomija wytrzymałość na ścinanie.
• Analiza uszkodzeń podczas sprawdzania, czy pęknięte połączenie zostało obciążone powyżej rozsądnego dopuszczalnego ścinania.

Stosowanie danych dotyczących wytrzymałości na ścinanie do ram wytłaczanych z rowkiem T

W konstrukcji ramy z rowkiem teowym wytrzymałość materiału profilu na ścinanie ma największe znaczenie na połączeniu, ponieważ ramy prawie zawsze zawodzą najpierw na połączeniu, a nie w środku rozpiętości.

Połączenie śrubowe z rowkiem teowym jest ograniczone przez najmniejszą z trzech wartości: wytrzymałość na ścinanie śruby, wytrzymałość paska gwintu nakrętki teowej lub powierzchnię ścinania ściany profilu za szczeliną. W profilach cienkościennych krawędź szczeliny jest zwykle najsłabszą płaszczyzną, dlatego w przypadku przeciążonych połączeń przed nożycami łącznika pojawia się zdeformowana lub popękana szczelina.

Grubość ścianki to dźwignia zwiększająca nośność złącza bez zmiany stopu. Profil 4040 ze ścianką o grubości 4,5 mm zapewnia w przybliżeniu dwukrotnie większą powierzchnię ścinania niż cienkościenna wersja o grubości 1,8 mm przy tej samej geometrii szczeliny, podczas gdy wytrzymałość materiału na ścinanie pozostaje na poziomie 207 MPa dla 6061-T6 w obu przypadkach.

HS-8-4040W Bardzo wytrzymały profil aluminiowy 4040 z rowkiem T ze ścianką 4,5 mm Ścianka tego profilu 4040 o grubości 4,5 mm prawie dwukrotnie zwiększa powierzchnię ścinania w porównaniu z wersjami cienkościennymi, co czyni go dobrym wyborem w przypadku stref połączeń poddawanych powtarzającym się obciążeniom, jak podkreślono w toczącej się dyskusji na temat grubości ścian i wytrzymałości na ścinanie. Zobacz produkt →

W przypadku wsporników suwnicowych, ramion wspornikowych i punktów podnoszenia należy określić wytrzymałe profile 6061 z pogrubionymi ścianami w strefach łączeń i rezerwowymi profilami standardowymi dla pozostałych przęseł. Krótka wersja naszego porównania 6061 i 6063: 6063-T5 pasuje do lekkich ram, podczas gdy 6061-T6 jest domyślnym rozwiązaniem konstrukcyjnym dla połączeń przenoszących powtarzające się obciążenia ścinające.

HS-10-4545 Wytrzymały profil aluminiowy 4545 ze ścianką o grubości 2,4 mm Idealny do wsporników suwnicowych i ramion wspornikowych, ten profil 45x45 oferuje ściankę o grubości 2,4 mm, co zapewnia dodatkową zdolność łączenia. Rowek T o średnicy 10,2 mm obsługuje ciężkie elementy złączne, pasując do zastosowań, w których podkreślana jest odporność na ścinanie klasy 6061. Zobacz produkt →

Po ustawieniu dopuszczalnego ścinania należy zastosować współczynnik bezpieczeństwa wynoszący co najmniej 2 dla obciążeń statycznych i 3 dla obciążeń dynamicznych lub odwracalnych przed porównaniem go z przyłożoną siłą złącza.

Często zadawane pytania dotyczące wytrzymałości na ścinanie aluminium