Walcowanie gwintów znacznie poprawia odporność zmęczeniową śrub ze stali nierdzewnej w porównaniu z gwintowaniem skrawanym ze względu na kilka kluczowych czynników związanych ze sposobem formowania gwintów i wynikającymi z nich właściwościami materiału. Oto zestawienie tego, jak walcowanie gwintów zwiększa odporność zmęczeniową:
Wzmocnienie materiału poprzez obróbkę na zimno
Walcowanie gwintów to proces formowania na zimno, podczas którego gwinty powstają poprzez wywieranie nacisku na powierzchnię śruby, powodując plastyczne odkształcenie materiału do pożądanego kształtu gwintu. Ta obróbka na zimno powoduje umocnienie stali nierdzewnej przez zgniot, zwiększając twardość i wytrzymałość warstwy powierzchniowej.
Gwinty formowane na zimno charakteryzują się wyższymi naprężeniami ściskającymi, co oznacza, że powierzchnia jest mniej podatna na pękanie pod obciążeniami cyklicznymi (powtarzającymi się naprężeniami), co poprawia odporność zmęczeniową śruby. Natomiast gwintowanie skrawane usuwa materiał, pozostawiając gwinty słabsze i bardziej podatne na pękanie pod powtarzającymi się obciążeniami.
Brak usuwania materiału = ciągła struktura ziarna
Podczas walcowania gwintów ze śruby nie jest usuwany żaden materiał. Zamiast tego materiał jest przemieszczany, tworząc gwinty. Zachowuje to ciągłą strukturę ziaren stali nierdzewnej, która dopasowuje się do konturu gwintu.
Utrzymując ten ciągły przepływ ziaren, walcowane gwinty są mocniejsze i bardziej odporne na zmęczenie. Z drugiej strony gwintowanie nacinane przecina strukturę ziaren, tworząc punkty koncentracji naprężeń, które z biegiem czasu są bardziej podatne na zmęczenie i awarie.
Gładkie wykończenie powierzchni
Gwinty walcowane mają zazwyczaj gładsze wykończenie powierzchni w porównaniu do gwintów ciętych. Gładsza powierzchnia oznacza mniej niedoskonałości powierzchni, takich jak mikroskopijne nacięcia lub ślady narzędzi, które mogłyby działać jak koncentratory naprężeń podczas cyklicznego obciążenia.
W przypadku gwintów skrawanych proces obróbki często pozostawia małe defekty powierzchniowe, które mogą inicjować pęknięcia pod wpływem powtarzających się naprężeń, prowadząc do uszkodzeń zmęczeniowych. Gwinty walcowane o gładszych powierzchniach rozkładają naprężenia bardziej równomiernie i dlatego są mniej podatne na pękanie.
Resztkowe naprężenie ściskające
Proces walcowania gwintów wprowadza naprężenia ściskające do materiału u podstawy gwintu (najniższa część gwintu). Jest to korzystne, ponieważ większość uszkodzeń zmęczeniowych zaczyna się na powierzchni, a naprężenia ściskające przeciwdziałają naprężeniom rozciągającym powodującym pękanie.
W przypadku gwintów skrawanych proces obróbki nie wywołuje tych korzystnych naprężeń ściskających i może nawet pozostawić materiał z resztkowymi naprężeniami rozciągającymi, które sprzyjają inicjacji i propagacji pęknięć pod obciążeniem zmęczeniowym.
Zmniejszona koncentracja stresu
Gładkie przejścia i zaokrąglone kontury powstałe w wyniku walcowania gwintów zmniejszają koncentrację naprężeń w krytycznych punktach, takich jak podstawa gwintu. Natomiast gwinty nacięte często mają ostrzejsze przejścia, które działają jak podnośniki naprężeń i zwiększają prawdopodobieństwo powstania pęknięć zmęczeniowych w tych obszarach.
Niższa koncentracja naprężeń w gwintach walcowanych oznacza, że mogą one wytrzymać bezawaryjnie więcej cykli obciążenia, co czyni je bardziej odpowiednimi do zastosowań, w których śruby poddawane są wielokrotnemu obciążaniu i rozładowywaniu.
Zwiększona trwałość zmęczeniowa
Połączenie gładszego wykończenia powierzchni, ściskających naprężeń szczątkowych, ciągłego przepływu ziaren i zmniejszonej koncentracji naprężeń w walcowanych gwintach znacznie zwiększa trwałość zmęczeniową śruby ze stali nierdzewnej . Jest to szczególnie ważne w zastosowaniach wymagających obciążenia dynamicznego lub cyklicznego, np. w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i inżynierii konstrukcyjnej.
Badania wykazały, że gwinty walcowane mogą zwiększyć trwałość zmęczeniową nawet cztery do pięciu razy w porównaniu z gwintami skrawanymi, co czyni je preferowanym wyborem w zastosowaniach wymagających dużych naprężeń i krytycznego zmęczenia.
Podsumowując, walcowanie gwintów poprawia odporność zmęczeniową śrub ze stali nierdzewnej poprzez:
Wzmocnienie materiału poprzez obróbkę na zimno.
Zachowanie ciągłej struktury ziaren.
Zapewnia gładszą powierzchnię z mniejszą liczbą niedoskonałości.
Przedstawiamy korzystne ściskające naprężenia własne.
Zmniejszenie koncentracji naprężeń u nasady gwintu.
Czynniki te łącznie sprawiają, że gwinty walcowane są znacznie trwalsze pod obciążeniami cyklicznymi w porównaniu z gwintami skrawanymi, poprawiając odporność zmęczeniową i trwałość śrub ze stali nierdzewnej w wymagających zastosowaniach.
