В настоящее время установлены факторы, влияющие на эксплуатационные свойства резьбовых соединений (РС), и разработан целый ряд конструкторских и технологических способов повышения функциональной надежности РС.
Существенное влияние на эксплуатационные характеристики РС оказывают схема нагружения соединения, равномерность распределения нагрузки по виткам, уровень концентрации местных напряжений, усилие затяжки, технология и точность изготовления резьбовых деталей, наличие и вид покрытий, и другие факторы.
Теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать конструкции специальных гаек, выравнивающих распределение нагрузки в резьбе, за счет управления податливостью деталей и витков резьбы (рисунок 1) [1]. Однако в литературе не приводятся численные данные о равномерности распределения нагрузки по виткам резьбы для данных соединений.

 а)                             б)                         в)

В то же время, разработаны эффективные технологические методы обеспечения эксплуатационных свойств РС, среди которых наиболее перспективным является управление контактным взаимодействием сопрягаемых деталей, например, за счет введения в зону контакта анаэробных материалов (АМ), что, как показывают проведенные исследования, позволяет комплексным образом обеспечить качество РС без существенного увеличения затрат. Установлено, что применение АМ позволяет обеспечить более равномерное распределение и уменьшение нагрузки на витки в резьбовом соединении [2–6].
В настоящей работе, методом конечных элементов, исследуется комплексное влияние конструкции гайки с кольцевой выточкой (рисунок 1,б) и технологии сборки с применением АМ на распределение нагрузки между витками резьбы, и упрочнение РС.
На рисунке 2 представлены расчетные модели РС с гайкой, имеющей кольцевую выточку и без нее.

а) РС с гайкой, имеющей кольцевую выточку

б) РС с гайкой без кольцевой выточки
Рисунок 2. Расчетные модели резьбовых соединений

Расчет проводился при следующих исходных данных: резьбовое соединение – М10 – 6H/6g (средний зазор посадки по среднему диаметру – ); наружный, внутренний и средний диаметры резьбы – , , ; шаг резьбы – ; угол профиля резьбы – ; материал болта – сталь 45Х (, ) и гайки – сталь 35Х (, ).
К РС прикладывалась внешняя нагрузка . Коэффициент трения () в зоне контакта резьбовых деталей задавался:  – при сборке с АМ,  – при сборке без АМ. Глубина кольцевой выточки на гайке изменялась от 1,5 до 3 мм, при общей высоте гайки 8,5 мм.
Результаты расчета представлены на рисунке 3, где показана доля нагрузки, приходящаяся на каждый виток .

1 – гайка без кольцевой выточки и РС, собранное без АМ ();
2 – гайка без кольцевой выточки и РС, собранное с АМ ();
3 – гайка с кольцевой выточкой (глубина выточки 1,5 мм) и РС, собранное без АМ ();
4 – гайка с кольцевой выточкой (глубина выточки 3 мм) и РС,
собранное без АМ ();
5 – гайка с кольцевой выточкой (глубина выточки 1,5 мм) и РС, собранное с АМ ();
6 – гайка с кольцевой выточкой (глубина выточки 3 мм) и РС,
собранное с АМ ()
Рисунок 3. Распределение нагрузки по виткам резьбы

Результаты расчета (рисунок 3) показывают, что нагрузка на первый виток в РС, собранном с применением АМ, уменьшается на 36,23% (кривая 1 и кривая 2). При использовании гайки с кольцевой выточкой нагрузка на первый виток уменьшается на 55,61% (глубина выточки 1,5 мм) (кривая 1 и кривая 3) и на 52,42% (глубина выточки 3 мм) (кривая 1 и кривая 4).
При одновременном применении для выравнивания нагрузки гайки с кольцевой выточкой и АМ, нагрузка на первый виток уменьшается на 71,8% (гайка с кольцевой выточкой 1,5 мм и РС, собранное с АМ) (кривая 1 и кривая 5) и на 68,4% (гайка с кольцевой выточкой 3 мм и РС, собранное с АМ) (кривая 1 и кривая 6). Кроме того, часть эксплуатационной нагрузки воспринимается АМ, находящимся в пустотах зоны контакта (до 40%), что дополнительно разгружает витки РС.
Таким образом, сборка РС с применением АМ и с гайкой, имеющей кольцевую выточку, обеспечивает более равномерное распределение и одновременное уменьшение нагрузки на витки, что приводит к существенному увеличению прочности РС. Данный комплексный эффект необходимо учитывать при конструкторско-технологическом проектировании, создавая оптимальные и надежные резьбовые соединения.

1 – вал; 2 – втулка
а)

б)
Рисунок 1. Схема нагружения ССН изгибающей силой 
и твердотельная модель ССН

При моделировании использовались следующие исходные данные: наружный диаметр втулки ; внутренний диаметр втулки ; диаметр вала; длина втулки (соединения) ; длина выступающей части вала ; материал втулки и вала – сталь 20 (, ). Таким образом, натяг в соединении принимался равным . Изгибающая сила прикладывалась к соединению в виде нагрузки , распределенной по торцу выступающей части вала (см. рисунок 1,б).
Упрочнение ССН моделировалось изменением коэффициента трения ( и ). Соединение упрочнялось или по всей длине  или избирательно только на наиболее нагруженном участке со стороны приложения изгибающей силы . Длина упрочненного участка варьировалась на двух уровнях  и . Такое избирательное упрочнение легко реализовать при сборке ССН с нанесением анаэробных материалов (АМ), которые полимеризуются в зоне контакта и увеличивают силу трения [1–6].
Критерием интенсивности воздействия нагрузки на соединение являлась, как и в работе [2], разность перемещений точек вала и втулки в зоне их контакта (по оси x) при действии эксплуатационной нагрузки и без нее. На рисунке 2 показана разность перемещений точек вала и втулки  по оси xпри приложении изгибающей нагрузки.

1 – без нанесения АМ ();
2 – с нанесением АМ на длине  ();
3 – с нанесением АМ на длине  ();
4 – с нанесением АМ на длине  ()
Рисунок 2. Разность перемещений вала и втулки по оси х
при действии изгибающей нагрузки

Результаты моделирования показывают, что по критерию разности перемещений точек вала и втулки при действии эксплуатационной нагрузки (кривая 1) соединение нагружено крайне неравномерно. Большая часть нагрузки воспринимается участком соединения со стороны приложения изгибающей силы на длине 20 мм. Максимальная разность перемещения вала и втулки в первой точке  (кривая 1) составляет . Поэтому были смоделированы варианты избирательного (местного) упрочнения соединения путем нанесения АМ на участках  (кривая 3),  (кривая 4), которые сравниваются с упрочнением по всей длине соединения  (кривая 2). При всех вариантах упрочнения относительные перемещения поверхностей вала и втулки существенно и примерно в равной степени уменьшаются в 4,7 – 4,8 раза в точке . При этом вероятность микросдвигов поверхностей вала и втулки, приводящих к фреттинг-коррозии и к потере соединением несущей способности, значительно снижается. Упрочнение по всей длине ССН к дополнительному эффекту не приводит.
Упрочнение ССН влияет на напряженное состояние соединяемых деталей. Что касается концентрации напряжений, то наиболее вероятно появление усталостных трещин на поверхности вала в точке , в которой при действии нагрузки увеличиваются растягивающие напряжения по оси x (рисунок 3). При сборке без упрочнения с 5,1 МПа до 95,5 МПа. При сборке с упрочнением по всем трем вариантам с (14 – 17) МПа до (149 – 152) МПа. Причем во всех вариантах упрочнения напряжения возрастают более значительно, чем без упрочнения ( в 1,5 раза).

а)

б)
1 – без нанесения АМ ();
2 – с нанесением АМ на длине  ();
3 – с нанесением АМ на длине  ();
4 – с нанесением АМ на длине  ()
а) при действии изгибающей нагрузки;
б) возникающие при сборке деталей с натягом
Рисунок 3. Осевые напряжения на поверхности вала (по х)

Если данный уровень напряжений значителен по сравнению с прочностными характеристиками материалов деталей, то уменьшить концентрацию напряжений можно путем снижения уровня натяга. При этом сохраняется эффект уменьшения относительных микросдвигов точек вала и втулки при нанесении АМ (в 2,7 раза) и, следовательно, работоспособность ССН.
Другим известным способом повышения усталостной прочности вала является его поверхностно-пластическое деформирование на небольшом участке на краю ССН со стороны изгибающей нагрузки [7].
Таким образом, технология избирательного упрочнения позволяет целенаправленно упрочнять наиболее нагруженные участки соединения и снижать затраты на дополнительные упрочняющие операции при сборке ССН.

Широкое применение РС в технике определяется: возможностью создания больших осевых сил сжатия деталей при небольшой силе, приложенной к ключу; удобными формами и малыми габаритами резьбовых деталей; стандартизацией; взаимозаменяемостью и централизованным изготовлением резьбовых деталей. С помощью резьбы получают неподвижные соединения, обеспечивающие точную и прочную фиксацию относительного положения деталей, и подвижные, предназначенные для преобразования вращательного движения в поступательное или для создания значительных осевых усилий.

Резьбовые соединения должны соответствовать таким эксплуатационным требованиям, как прочность (статическая и динамическая), жесткость, герметичность, фреттингостойкость, коррозионная стойкость, сопротивление самоотвинчиванию.

В настоящее время повышенные требования предъявляются к коррозионной стойкости РС, особенно в химическом и нефтегазовом машиностроении, судостроении.

Повышения эксплуатационных характеристик РС достигают различными конструкторско-технологическими методами: выбором соответствующего материала, изменением конструкции, нанесением различных покрытий. Комплексного и рационального обеспечения эксплуатационных характеристик РС можно достигнуть созданием металлопластмассовых структур в зоне контакта деталей, например, при сборке с анаэробными материалами [1–4].

Резьбовые детали изготавливаются из конструкционных и легированных сталей. При выборе материала учитывают условия работы (температуру, среду и другие), характер действующей нагрузки (статическая или переменная), способ изготовления и объем производства. Например, стандартные крепежные детали общего назначения изготавливают из низко- и среднеуглеродистых сталей типа сталь 10…сталь 35. Такие стали обладают высокой пластичностью, позволяют изготавливать большие партии резьбовых деталей методом холодной высадки или штамповки заготовок с последующей накаткой резьбы. Легированные стали (35Х, 30ХГСА) применяют для изготовления высоконагруженных деталей при переменных и ударных нагрузках. Для работы при высоких температурах, в коррозионных и агрессивных средах резьбовые детали изготавливают из коррозионностойких, жаростойких, жаропрочных и других сталей с высоким содержанием хрома или хрома и никеля. В специальных конструкциях, к которым предъявляются жесткие требования по массе (самолеты) применяют крепежные детали из титановых сплавов (ВТ14, ВТ16). При этом их прочность близка к деталям, изготовленным из высоколегированных сталей, при массе, приблизительно в два раза меньшей, кроме того, они обладают высокими антикоррозионными свойствами.

Для улучшения свинчиваемости соединений, устранения заедания в резьбе, защиты крепежных деталей из углеродистых сталей от коррозии, придания декоративного вида применяются покрытия деталей (цинковое, кадмиевое хромовое, никелевое, медное, оксидное и др.). Вид покрытия для определенного материала выбирают по ГОСТ 1759.4-87.

Для оценки коррозионной стойкости гальванических покрытий ц.15 (цинк, толщина 15 мкм, без пассивации), ц.15 (с радужной пассивацией), сплавом ц-н.15 (цинк-никель, без пассивации, содержание никеля в испытуемых сплавах составляет 12%), ц-н.15 (с радужной пассивацией) и ц-н.15.н.2 (двойное покрытие – первый слой сплав цинк-никель 15 мкм, второй слой никель 2 мкм) были проведены климатические испытания по ГОСТ 9.308-85 двумя методами: в камере влаги и в камере соляного тумана. Климатические испытания в камере влаги при относительной влажности 93±3% и температуре 40±2^оС проводили в течение 56 суток, а оценку коррозионной стойкости покрытий проводили «оценочным баллом коррозионной стойкости» (К) по ГОСТ 27597-88.

Испытания в камере соляного тумана проводили при температуре 35±2^оС в течение семи суток.

Испытаниям подвергались стальные образцы размером 2х3 см, покрытые вышеприведенными гальваническими покрытиями.

Гальванические покрытия цинком без пассивации, цинком с пассивацией и сплавом цинк-никель без пассивации не прошли испытания. На образцах наблюдается коррозия покрытия, поражение основного металла не наблюдается.

Испытания в камере влаги показали, что гальванические покрытия сплавом цинк-никель с радужной пассивацией и двойное покрытие (Ц-Н.15.Н.2) оцениваются в десять баллов. На поверхности двойного покрытия изменения внешнего вида поверхности не наблюдается. На поверхности гальванического покрытия цинк-никель с радужной пассивацией наблюдается незначительное изменение цветности пассивной пленки.

Испытания на воздействие соляного тумана в течении семи суток показали, что гальванические покрытия цинк-никель с радужной пассивацией и двойное покрытие (Ц-Н.15.Н.2) оцениваются в десять баллов. На поверхности покрытия не наблюдается каких-либо изменений внешнего вида.

Таким образом, исходя из результатов коррозионных испытаний, гальванические покрытия сплавом цинк-никель с радужной пассивацией и двойное покрытие можно рекомендовать для защиты стальных резьбовых изделий от коррозии в морской атмосфере, как альтернативу кадмиевому покрытию. Кроме этого двойное покрытие в ходе коррозионных испытаний не потеряло своих декоративных свойств.