Połączenia poprzez odkształcenia plastyczne

Do połączeń powstających w wyniku odkształceń plastycznych zalicza się zarówno te, które otrzymywane są w wyniku trwałego odkształcenia plastycznego części elementów łączonych (połączenia zawalcowanie, zaprasowane) jak i te, które wymagają zastosowania elementów pomocniczych np. nitów w połączeniach nitowych

Połączenia nitowe

Najczęściej stosowanym sposobem łączenia poprzez odkształcenia plastyczne jest nitowanie.

Połączenia nitowe są nierozłącznymi połączeniami pośrednimi otrzymywanymi w wyniku trwałego odkształcenia plastycznego elementu pomocniczego tzw. nitu.

Realizacja połączenia nitowego ma następujący przebieg:

- podstawową czynnością, po nałożeniu na siebie brzegów łączonych elementów jest przewiercenie w nich (z zachowaniem warunku współosiowości) otworów pod nity;

- następnie w nawierconym otworze umieszcza się nit opierając jego łeb na wsporniku;

- z drugiej strony złącza, do trzonu nitu przykłada się narzędzie - zwane zakuwnikiem - o takim kształcie, który spęczanemu trzonowi nitu pozwoli nakładać kształt zbliżony do kształtu łba.

Formowanie drugiego łba - zamykanie, zakuwanie nitu - wymaga wywarcia na zakuwnik (za pomocą młotków ręcznych lub mechanicznych albo niciarek - urządzeń o działaniu podobnym do pras naciskowych) odpowiednio dużego nacisku.

Rys. 1. Formowanie połączenia nitowego

Nity mogą być zakuwanie na zimno lub na gorąco.

Zamykane na zimno mogą być tylko niewielki nity stalowe, o średnicy trzonu mniejszej od 9 mm, oraz nity wykonane ze stopów metali nieżelaznych miedzi i aluminium.

Nity stalowe o średnicy trzonu większej od 9 mm zamykane są na gorąco po nagrzaniu do temperatury około 1000⁰C, tzw. białego żaru. Temperatura nitu, w momencie zakończenia zakuwania nie może być niższa od 527⁰C (800K).

Poprawnie zakuty nit powinien dokładnie przylegać łbem i zakuwką do starannie wygładzonych powierzchni łączonych elementów, całkowicie wypełniać przygotowany otwór i dawać możliwie dużą siłę docisku. Jego długość (ze względu na możliwość wyboczenia) nie powinna przekraczać wielkości 4-rech średnic trzonu.

Połączenia nitowe charakteryzują się wysokim napięciem wstępnym i są wolne jest od naprężeń własnych, łatwe w kontroli jakości. Z tych względów są złączem stosunkowo niezawodnym.

Wady tych złączy to: osłabienie przekrojów elementów łączonych otworami nawierconymi pod nity (utrata wytrzymałości od 13÷40%), duża pracochłonność wykonania, brak swobody konstrukcyjnej (tylko połączenia zakładkowe, nakładkowe i wielostykowe), duży ciężar konstrukcji łączonych za pomocą nitów. W połączeniu szczelnym wymagane jest kłopotliwe doszczelnianie.

Nity - wymiary, kształt, rodzaje

Nity z uwagi na szeroki zakres zastosowań uzasadniający ich wytwarzanie w procesach produkcji masowej są elementami znormalizowanymi, co do kształtów, wymiarów i materiałów, z których są wykonane.

By można je było trwale odkształcić (uformować drugi łeb) muszą być wykonane z materiałów o dużej plastyczności takich jak: stale niskowęglowe St2N, St3N, St44N, miedź, mosiądz, aluminium i jego stopy.

Podstawowym parametrem charakteryzującym nit jest jego średnica /d_n/, rozumiana jako średnica jego trzpienia mierzona przed zakuciem w odległości 5mm od łba.

Rys. 2. Nit przed zakuciem

Wymiary nitów określa się w zależności od grubości /g/ łączonych elementów.

Średnicę nitu /d_n/ przyjmuje się zwykle równą

gdzie:

g - grubość łączonych elementów (w przypadku różnych grubości uwzględnia się wartość większą).

Średnicę otworu pod nit /d_o/ i średnicę nitu /d_n/ łączy zależność:

dla nitów zamykanych na gorąco:

dla nitów zamykanych na zimno:

Otwory pod nit najczęściej się obustronnie fazuje.

Nity klasyfikuje się wg różnych kryteriów. W zależności od:

- wielkości średnicy nominalnej /d_n/ dzieli się na nity normalne
i nity drobne
;

- kształtu trzonu na: pełne, drążone i rurkowe;

- kształtu łba (od kształtu łba wywodzi się nazwa nitu).

Najczęściej spotykane kształty nitów normalnych:

Rys. 3. Kształty łbów nitów normalnych

Nity z łbem kulistym stosowane są w silnie obciążonych konstrukcjach stalowych mostów, elementów dźwignic i żurawi, masztów, itp.

W konstrukcjach mniej obciążonych lub wtedy, gdy wymagana jest duża gładkość powierzchni łączonych elementów stosowane są nity z łbem stożkowym soczewkowym, tzw. nity kryte.

W połączeniach szczelnych najczęściej używane są nity z łbem trapezowym.

Elementy wykonane z materiałów niemetalowych albo takie, które pokrywa powłoka ochronna łączy się najczęściej nitami drążonymi lub rurkowymi.

Rys. 4. Nit drążony przed i po zamknięciu

Rys. 5. Nit rurkowy przed i po zamknięciu

W przypadku ograniczonego dostępu do łączonych elementów konstrukcji, uniemożliwiającego użycie wspornika lub zakuwnika - stosuje się nity specjalne.

Przykładem mogą być stosowane w przemyśle okrętowym do nitowania grodzi nity wybuchowe.

Rys. 6. Nit wybuchowy przed i po zamknięciu

Nity stalowe zamykane na gorąco są szczególnie narażone na korozję. Ponieważ w wyniku jej działania może dojść do znacznej utraty nośności złącza zwykle są one pokrywane cynkowymi, niklowymi lub fosforanowymi powłokami ochronnymi grubości 5÷15μm.

Rodzaje połączeń nitowych

Jeśli za podstawę klasyfikacji przyjęte zostaną wymagania eksploatacyjne stawiane konstrukcji połączonej nitami, to złącza nitowe dzieli się na mocne, mocno-szczelne i szczelne.

Połączenia mocne - muszą być wytrzymałościowo zdolne do przenoszenia dużych obciążeń, stosowane w konstrukcjach stalowych belek i kratownic mostowych, masztów, elementów dźwignic i żurawi.

Połączenia mocno-szczelne - obok zdolności do przenoszenia dużych obciążeń muszą gwarantować całkowitą szczelność, stosowane są w budowie statków, zbiorników ciśnieniowych, kotłów parowych.

Połączenia szczelne - muszą gwarantować całkowita szczelność przy niewielkich obciążeniach np. w otwartych zbiornikach, zbiornikach niskociśnieniowych.

W zależności od wzajemnego położenia elementów łączonych oraz użytych elementów pomocniczych złącza nitowe dzieli się na zakładkowe, nakładkowe jedno lub dwustronne, wielostykowe.

Rozmieszczenie nitów w złączu

Nity w połączeniach nitowych rozmieszcza się w sposób uporządkowany, w jednym lub w kilku rzędach, w jednakowych odległościach od siebie.

Te, które leżą wzdłuż linii prostopadłej do kierunku działania siły zewnętrznej tworzą rząd nitowy.

Nity w rzędzie wraz z materiałem elementów łączonych określa się mianem szwu nitowego.

Szwy nitowe mogą być jedno lub wielorzędowe, równoległe lub przestawne.

Rys. 7. Połączenia nitowe

a/ zakładkowe ze szwem dwurzędowym równoległym

b/ nakładkowe ze szwem dwurzędowym przestawnym

Wielkości wymiarowe zalecane przy rozmieszczaniu nitów w połączeniu:

podziałka główna /t/ - powtarzająca się odległość między nitami osadzonymi w tym samym rzędzie.

przy jednoczesnym

gdzie:

- średnica otworu pod nit,

- grubość elementów łączonych,

dolną granicę określa techniczna możliwość zakucia nitu, górną możliwość powstania szczeliny między łączonymi elementami, w której na skutek penetracji wilgoci może dojść do przyśpieszonej korozji.

podziałka skośna /t_s/ - powtarzająca się odległość między nitami sąsiednich rzędów w szwie przestawnym

odległość między rzędami /a/

odległość otworów od krawędzi mierzona zgodnie z kierunkiem działania siły /e₁/ oraz w kierunku prostopadłym /e₂/

Najbardziej korzystne ze względu na wytrzymałość nitów i łączonych elementów są połączenia nakładkowe dwustronne.

Wytrzymałość złącza nitowego

Od sposobów zamykania nitów (na zimno lub na gorąco) zależy sposób przenoszenia obciążeń przez połączenie nitowe.

Przy zamykaniu nitów na gorąco zakładamy, że w momencie zakończenia tego procesu temperatura nitu przekracza 527⁰C.

Dalej, stygnąc nit chce się kurczyć - to zaś uniemożliwiają nie podgrzewane, znacznie od niego sztywniejsze łączone elementy. W rezultacie nit nie zmieni swojej długości (jedynie łby nieznacznie się skurczą) - natomiast w jego trzonie powstają bardzo wysokie naprężenia rozciągające σ_r zbliżone do granicy plastyczności R_e materiału, z którego go wykonano. Naprężenia te, przez łeb i zakuwkę nitu, wywołują silny docisk łączonych elementów.

Docisk ten (siłą Q) umożliwia zrównoważenie tarcia T=μQ siły zewnętrznej P usiłującej przemieścić łączone elementy względem siebie.

Rys. 8. Przenoszenie obciążeń w złączu nitowym

a/ tylko przez siłę tarcia

b/ przez tarcie i naciski powierzchniowe między nitem i częściami

c/ zerwanie złącza w wyniku ścięcia nitu.

Naprężenia
wywołane kurczeniem się nitu w wyniku spadku temperatury można wyznaczyć w zależności:

gdzie:

- współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej materiału nitu

dla stali
,

E - moduł Younga sprężystości wzdłużnej materiału nitu w [MPa],

- różnica temperatur od momentu pełnego zamknięcia nitu do temperatury otoczenia,

stąd wartość siły osiowej Q rozciągającej trzon nitu wyniesie:

gdzie:

d_o - średnica otworu pod nit.

Stygnięciu nitu towarzyszy również stosunkowo niewielki skurcz poprzeczny prowadzący do powstania luzu średnicowego między nitem a otworem w łączonych elementach.

W typowym złączu nitowym obciążenie zewnętrzne siłą P przenoszone jest przez tarcie na skutek łączonych elementów.

Siła tarcia T wynosi:

gdzie:

- współczynnik tarcia między łączonymi elementami,

m - liczba przekrojów ścinanych w nicie,

n - liczba nitów, które trzeba zniszczyć aby rozłączyć połączenie (w połączeniach zakładkowych będą to wszystkie nity połączenia, w połączeniach nakładkowych będą to nity łączące jeden z łączonych elementów z nakładką lub nakładkami).

Przy obciążeniu złącza siłą zewnętrzną większą od siły tarcia /P>T/ - dochodzi do poślizgu łączonych elementów w granicach luzu poprzecznego i obciążenie /P/ przenoszone jest wówczas przez tarcie i przez sprzężenie kształtowe nitu z elementami łączonymi (przez naciski powierzchniowe).

Gdy siła /P/ obciążająca połączenie nitowe przekroczy wartość siły tarcia /T/ , w przekroju trzonu nitu wystąpią naprężenia /
/ wywołane ścinaniem.

Tak więc złącze nitowe może ulec zniszczeniu wskutek:

-trwałych odkształceń bocznych ścianek nitu i otworu w elementach łączonych (tzw. zowalizowanie) wywołanych przekroczeniem dopuszczalnych nacisków między nimi,

-ścięcia nitu,

-zerwania łączonych elementów w wyniku nadmiernego osłabienia niebezpiecznego przekroju zbyt dużą liczbą otworów pod nity.

Obliczenia wytrzymałościowe złącza nitowego

Obliczenia wytrzymałościowe połączeń nitowych narażonych na rozciąganie ( nity narażone są wtedy na ścinanie) prowadzi się przyjmując określone założenia upraszczające:

-we wszystkich przekrojach poprzecznych złącza rozkład obciążenia jest równomierny,

-wszystkie nity w złączu są jednakowo obciążone (w rzeczywistości najbardziej obciążone są nity skrajne).

Nity obliczamy z dwóch warunków wytrzymałościowych:

- z elementarnego warunku wytrzymałościowego na ścinanie dla nitów pełnych:

[MPa]

gdzie:

P - obciążenie zewnętrzne w postaci siły;

d_o- średnica otworu pod nit;

m - liczba przekrojów ścinanych w jednym nicie;

n - liczba nitów, które należy ściąć aby rozłączyć połączenie (w połączeniach zakładkowych będą to wszystkie nity w złączu; w połączeniach nakładkowych - nity łączące jeden z łączonych elementów z nakładą lub nakładkami).

- umowne dopuszczalne naprężenia tnące w nicie.

- w połączeniach szczelnych, w których z założenia nie można dopuścić do poślizgu między łączonymi elementami, przyjmuje się je w granicach 40÷70 MPa,

- w połączeniach mocnych, w zależności od materiału nitów i elementów łączonych w granicach 80÷210 MPa.

- drugi warunek wytrzymałościowy to warunek na naciski powierzchniowe:

gdzie:

n - liczba nitów (jak z warunku na ścinanie, tj. w połączeniach zakładkowych wszystkie nity, w połączeniach nakładkowych - nity łączące jeden z pasów z nakładkami);

P/n - siła przypadająca na jeden nit;

- średnica otworu pod nit;

g - grubość łączonych elementów (dla nitów jednocietych m=1- jest to grubość elementu cieńszego, a dla dwuciętych m=2 - dla elementu grubszego);

p_dop - dopuszczalny nacisk powierzchniowy między ściankami nitu i otworu w łączonych elementach.

W połączeniach nitowych dopuszczalne nacisk powierzchniowe przyjmuje się zwykle za równe p_dop
2,5
.

Jeżeli w połączeniu nitowym nastąpi przesunięcie względem siebie łączonych elementów /T<P/ to złącze takie może ulec zniszczeniu zarówno w wyniku ścięcia nitów jak i zdeformowania (owalizacji) nitów lub otworów.

Ponieważ mniejsze straty występują w przypadku zniszczenia nitów, dlatego żądamy by o wytrzymałości złącza decydowało ścinanie nitów tzn. zakładamy, że wytrzymałość nitów na ścinanie powinna być mniejsza niż wytrzymałość nitów i łączonych elementów na naciski powierzchniowe.

gdzie:

- obciążenie siłą ścinającą, którą można przenieść złącze,

- obciążenie jakie może przenieść sprzężenie kształtowe nit-otwór w elementach łączonych,

jeśli:

i

to warunek
można zapisać

zakładając p_dop=2,5
mamy

Jeżeli dla nitów jednociętych (m=1) d_o<3,2 g

a dla dwuciętych (m=2) d_o<1,6 g

wówczas wystarczy obliczyć nity z warunku na ścinanie, jeżeli warunki jak wyżej nie są spełnione - z warunku na naciski powierzchniowe.

Projektując złącze nitowe należy również sprawdzić czy wytrzymałość elementów łączonych w przekrojach osłabionych otworami pod nity jest wystarczająca.

Warunek wytrzymałości elementów łączonych na rozciąganie w przekroju osłabionym otworami pod nity ma postać:

P - obciążenie zewnętrzne w postaci siły rozciągającej [MN];

k_r - dopuszczalne naprężenia rozciągające dla materiału z którego wykonane są elementy łączone [MPa];

- pole przekroju niebezpiecznego osłabione otworami pod nity.

W łączonych elementach (płaskownikach lub kształtownikach) najbardziej narażony przekrój na zerwanie jest zawsze przekrój przechodzący przez pierwszy zewnętrzny szew nitowy położony najbliżej środka złącza.

Rys. 9. Niebezpieczny przekrój płaskownika osłabiony otworami pod nity

Ponieważ otwory pod nity osłabiają przekrój przez płaskownik pozostała, wypełniona materiałem, jego część F_n musi przenieść całe obciążenie:

[m²]

- pole przekroju poprzecznego płaskownika [m²],

F = b x g [m²],

b - szerokość płaskownika,

g - grubość płaskownika

- liczba otworów pod nity w niebezpiecznym przekroju (dla łączonych płaskowników pierwszy zewnętrzny szew nitowy, dla nakładek w rzędzie najbliższym środka złącza),

-średnica otworu pod nit,

Warunek wytrzymałościowy dla niebezpiecznego przekroju:

lub

g - grubość blachy,

b - szerokość blachy,

d_o - średnica otworu pod nit,

n_x - liczba nitów w rozpatrywanym przekroju,

k_r - dopuszczalne naprężenia rozciągające dla materiału blachy lub nakładek.

Połączenia nitowe - wykład

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Strona 13 z 13

---