La Shanghai Huishuo Aluminium Industry Technology Co., Ltd., echipa noastră de ingineri a răspuns recent la o întrebare din partea unui constructor de mașini care proiecta o îmbinare a unui cadru portal din aluminiu cu fantă în T din seria 40: dacă proiectul vizează 207 MPa publicat pentru 6061-T6, cei 152 MPa tipici pentru 6063-T6, sau MPa listat pentru 1170, sau 1603. Alegerea modifică dimensiunea șuruburilor, geometria consolei și grosimea peretelui profilului.
Rezistența la forfecare a aluminiului nu este un singur număr de manual; depinde de aliaj, temperatură, metoda de testare și locul în care se află planul de forfecare în ansamblul real. Acest ghid acoperă valorile care contează pentru cadrele industriale de extrudare cu fante în T și cum să le aplice fără a supraproiecta fiecare conexiune.
Aliajul de extrudare 6061-T6 are o rezistență la forfecare de 207 MPa; 6063-T5 poartă 117 MPa; 7075-T6 atinge 330 MPa. Utilizați 60% din rezistența maximă la tracțiune ca estimare de primă trecere.
Ce înseamnă rezistența la forfecare în profilele extrudate
Rezistența la forfecare este solicitarea maximă pe care o poate rezista un profil de aluminiu înainte ca un plan de material să alunece paralel cu sarcina aplicată, iar pentru aliajele structurale de aluminiu, aceasta aterizează în mod obișnuit între 55 și 65% din rezistența finală la tracțiune.
Definiția de bază: efortul de forfecare este egal cu forța aplicată împărțită la aria planului rezistent, scrisă ca F / A. Când efortul de forfecare calculat depășește rezistența la forfecare a aliajului, secțiunea eșuează prin alunecare sau ruptură de-a lungul acelui plan, mai degrabă decât îndoirea din formă.
Într-un cadru extrudat, forfecarea apare în trei locații separate: tija șurubului, cuplarea filetului în interiorul unei piulițe în T și peretele fantei al profilului. Fiecare plan are o zonă și o condiție de constrângere diferită, deci fiecare trebuie verificat independent; cel mai slab plan guvernează articulația.
- Capacitatea de forfecare a tijei șurubului - determinată de gradul și diametrul dispozitivului de fixare.
- Rezistența benzii filetate a piuliței în T - stabilită de lungimea de cuplare în piuliță.
- Zona de forfecare a peretelui fantei de profil - determinată de grosimea peretelui din spatele fantei.
Anodizarea nu intră în calcul. Un strat de oxid de 5 până la 25 de micrometri îmbunătățește rezistența la uzură a suprafeței, dar rezistența la forfecare în vrac este asigurată în întregime de aliajul de bază și temperatură a extrudarii.
Rezistența la forfecare a aluminiului prin aliaj și temperatură
În aliajele comerciale de aluminiu, rezistența la forfecare se întinde de la aproximativ 40 MPa pentru metalul pur recoapt până la 330 MPa pentru 7075-T6, iar cele două aliaje utilizate în majoritatea extrudărilor cu fantă în T, 6063 și 6061, oferă între 117 și 207 MPa, în funcție de temperatură.
Rezistența la forfecare a aliajelor comune de aluminiu, MPa
1100-O 45 6063-T5 117 5052-H32 138 6063-T6 152 6061-T6 207 2024-T3 283 7075-T6 330
207 MPa 6061-T6 rezistență la forfecare
117 MPa 6063-T5 rezistență la forfecare
330 MPa Referință de vârf 7075-T6
0,6 x UTS Estimarea de forfecare la prima trecere
Valori publicate de rezistență la forfecare pentru aliajele obișnuite de aluminiu și temperatură utilizate în aplicații structurale și industriale. | Aliaj și temperatură | Rezistența la forfecare (MPa) | Rezistența la forfecare (psi) | Aplicație tipică |
| 1100-O | 40-62 | 5.800-9.000 | Aluminiu pur, piese chimice și piese ușoare |
| 6063-T5 | 117 | 17.000 | Profile standard de extrudare cu fantă în T |
| 5052-H32 | 138 | 20.000 | Lucrări de tablă marine și panouri formate |
| 6063-T6 | 152 | 22.000 | Profile structurale de extrudare cu fantă în T |
| 6061-T6 | 207 | 30.000 | Profile de extrudare și cadre de mașină de mare rezistență |
| 2024-T3 | 283 | 41.000 | Plăci structurale aerospațiale |
| 7075-T6 | 330 | 48.000 | Fitinguri aerospațiale și de mare stres |
Schimbarea de temperament contează în cadre reale. O extrudare 6063-T6 rezistă cu aproximativ 30% mai multă sarcină de forfecare pe milimetru pătrat decât același profil din 6063-T5 la dimensiuni identice ale peretelui, astfel încât îmbinările cu forfecare ridicată trebuie să specifice temperatura și să o verifice pe certificatul de material.
Cum se măsoară rezistența la forfecare și unde rezultatele merg greșit
Rezistența la forfecare a aluminiului este măsurată prin teste de fixare cu poanson și cu un singur forfecare și ambele necesită un control strâns al jocului; când configurarea este dezactivată, rezistența raportată se poate schimba cu mai mult de 10 la sută pe același material.
- ASTM B831 acoperă testarea la forfecare de tip perforare a produselor subțiri din aliaj de aluminiu și este referința standard pentru foi și cupoane de extrudare.
- ASTM F606 reglementează testarea la forfecare a elementelor de fixare cu șuruburi și se aplică atunci când șurubul, nu profilul, este componenta supusă evaluării.
- Procedurile interne ale morii bazate pe aceste standarde sunt comune pentru profilele de extrudare, iar rezultatele sunt tipărite pe certificatul de testare a materialului.
Testați regula de configurare
Păstrați spațiul dintre poanson și matriță între 5 și 12% din grosimea probei și îndepărtați suprafețele anodizate sau vopsite înainte de testare, sau rezistența raportată la forfecare poate varia cu mai mult de 10%.
Trei variabile corup rezultatele testelor de forfecare mai mult decât oricare altele.
- Distanța dintre poanson și matriță: prea mic produce forfecare secundară și valori artificial ridicate; prea mare creează bavuri și numere scăzute, nerepetabile.
- Orientarea probei: rezistența poate diferi cu câteva procente între direcția de extrudare și direcția transversală din cauza orientării granulelor.
- Pregătirea suprafeței: prinderea neuniformă sau suprafețele anodizate modifică frecarea în zona de forfecare și trebuie îndepărtate înainte de testare.
Pentru profilele extrudate, rezultatul cel mai reprezentativ vine din prelucrarea unui cupon plat din peretele profilului real și testarea acelui material exact, nu din valorile generice ale manualului de stocare a foilor.
Regula 60%: Estimarea rezistenței la forfecare din datele de tracțiune
Atunci când nu este disponibilă o valoare certificată la forfecare, estimați rezistența la forfecare ca 60 la sută din rezistența maximă la tracțiune; pentru aliajele de aluminiu, aceasta prezice rezistența la forfecare la tăiere și la perforare în aproximativ 5,5% din valorile măsurate în medie.
Estimarea de forfecare la prima trecere
Estimarea la forfecare este egală cu 0,6 x rezistența maximă la tracțiune. Exemplu: 6061-T6 la 310 MPa UTS dă aproximativ 186 MPa; 6063-T5 la 190 MPa UTS oferă aproximativ 114 MPa.
Regula de 60 la sută este un instrument în faza de concept, nu un substitut pentru datele certificate ale fabricii. Odată ce o îmbinare devine critică, solicitați certificatul de proprietate mecanică pentru căldura de extrudare specifică sau executați un test de perforare pe un cupon din profilul livrat.
Utilizați regula în aceste situații:
- Design conceptual, atunci când se compară aliaje și tempere înainte ca aspectul cadrului să fie fixat.
- Cotația furnizorului, atunci când o fișă de date enumeră rezistența la tracțiune, dar omite rezistența la forfecare.
- Analiza defecțiunilor, atunci când se verifică dacă o îmbinare fisurată a fost încărcată peste o forfecare rezonabilă permisă.
Aplicarea datelor de rezistență la forfecare la cadrele de extrudare cu fantă în T
În proiectarea cadrului cu fante în T, rezistența la forfecare a materialului profilului contează cel mai mult la conexiune, deoarece cadrele eșuează aproape întotdeauna la îmbinare mai degrabă decât la mijlocul unei deschideri.
O îmbinare cu șuruburi cu fante în T este limitată de cea mai mică dintre trei valori: capacitatea de forfecare a șurubului, rezistența benzii filetate a piuliței în T sau zona de forfecare a peretelui profilului din spatele fantei. În profilele cu pereți subțiri, buza fantei este de obicei cel mai slab plan, motiv pentru care îmbinările suprasolicitate prezintă o fantă deformată sau crăpată înaintea foarfecelor de fixare.
Grosimea peretelui este pârghia care mărește capacitatea îmbinării fără a schimba aliajul. Un profil 4040 cu un perete de 4,5 mm oferă aproximativ dublul suprafeței de forfecare a unei versiuni cu pereți subțiri de 1,8 mm la aceeași geometrie a fantei, în timp ce rezistența la forfecare a materialului rămâne la 207 MPa pentru 6061-T6 în ambele cazuri.
HS-8-4040W Profil din aluminiu cu fantă în T 4040, foarte rezistent, cu perete de 4,5 mm Peretele de 4,5 mm al acestui profil 4040 aproape dublează suprafața de forfecare față de versiunile cu pereți subțiri, făcându-l o alegere puternică pentru zonele de îmbinare sub sarcini repetate, așa cum evidențiază discuția din jur despre grosimea peretelui și rezistența la forfecare. Vizualizare produs → Pentru consolele portal, brațele în consolă și punctele de ridicare, specificați profile 6061 rezistente cu pereți îngroșați în zonele de îmbinare și profiluri standard de rezervă pentru deschiderile rămase. Versiunea scurtă a comparației noastre 6061 și 6063: 6063-T5 se potrivește cu cadrele ușoare, în timp ce 6061-T6 este implicit de inginerie pentru îmbinările care suportă sarcini de forfecare repetate.
HS-10-4545 Extrudare de aluminiu 4545 pentru utilizare grea cu perete gros de 2,4 mm Ideal pentru suporturi portal și brațe în consolă, acest profil de 45x45 oferă un perete de 2,4 mm pentru o capacitate suplimentară de îmbinare. Fântul său în T de 10,2 mm acceptă elemente de fixare grele, potrivite pentru aplicații în care performanța de forfecare de gradul 6061 este accentuată. Vizualizare produs → Odată setat forfecarea admisibilă, aplicați un factor de siguranță de cel puțin 2 pentru sarcini statice și 3 pentru sarcini dinamice sau inversoare înainte de a-l compara cu forța aplicată la articulație.
Verificarea designului comun
Proiectați capacitatea șurubului și a piuliței în T cu cel puțin 20 la sută peste capacitatea de forfecare a peretelui profilului. O suprasarcină neașteptată deformează apoi fanta vizibil înainte de a se rupe ceva, transformând o defecțiune bruscă într-un semnal vizibil de întreținere.
Întrebări frecvente privind rezistența la forfecare a aluminiului
Care este rezistența la forfecare a aluminiului 6061-T6?
Aluminiul 6061-T6 are o rezistență la forfecare publicată de 207 MPa (30.000 psi). Pentru lucrările de proiectare, aplicați regula de 60% față de rezistența maximă la tracțiune de 310 MPa, care oferă aproximativ 186 MPa, apoi adăugați un factor de siguranță bazat pe tipul de încărcare.
Care este rezistența la forfecare a aluminiului cu fantă în T 6063-T5?
Aluminiul 6063-T5 are o rezistență la forfecare de aproximativ 117 MPa (17.000 psi). Temperamentul T6 îl ridică la aproximativ 152 MPa (22.000 psi). Verificați temperarea pe certificatul de material al profilului înainte de a calcula capacitatea îmbinării, deoarece multe profile standard cu fantă în T sunt furnizate în 6063-T5.
Anodizarea modifică rezistența la forfecare a aluminiului?
Nu. Anodizarea formează un strat subțire de oxid, de obicei de 5 până la 25 de micrometri grosime, care îmbunătățește rezistența la uzură și la coroziune, dar nu modifică rezistența la forfecare în vrac a extrudarii. Calculele structurale ar trebui să ignore acoperirea și să utilizeze valoarea aliajului de bază.
Cum se compară rezistența la forfecare a aluminiului cu oțelul?
Oțelul structural A36 are o rezistență la forfecare de aproape 250 MPa, aproape de aluminiu 6061-T6 la 207 MPa. Deoarece aluminiul cântărește aproximativ o treime mai mult, rezistența specifică la forfecare a lui 6061-T6 este aproximativ dublă față de cea a A36, astfel încât cadrele din aluminiu pot suporta sarcini similare la îmbinare la o fracțiune din greutate.
